震动场、应力场联合监测冲击地压的理论与应用

刘金海，翟明华，郭信山，姜福兴，孙广京，张宗文

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 101601；2.山东能源集团有限公司，山东 济南 250014;3.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083)

震动场、应力场联合监测冲击地压的理论与应用

刘金海1，翟明华2，郭信山2，姜福兴3，孙广京2，张宗文2

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 101601；2.山东能源集团有限公司，山东 济南 250014;3.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083)

在总结现有冲击地压监测方法和分析其优缺点的基础上，提出冲击地压多参量实时在线联合监测的观点。根据事故现场勘查，将冲击地压破坏方式分为帮部冲击、底板冲击、顶板冲击、气浪、强震等5种；基于主客体不同，将冲击地压分为“自发型”和“诱发型”两类，并阐明了新分类的工程意义；根据两类冲击地压的可监测特征，提出了震动场、应力场联合监测冲击地压的观点，阐明了技术内涵；鉴于获取手段不同，宏观上将冲击地压危险区分为静态危险区和动态危险区两类；结合现场实际，提出了矿井冲击地压监测技术体系和分区治理思路，实现冲击地压的“宏观—区域—局部—点”全局“无缝”监测和“预卸压—解危”的分段分级治理。将研究成果分别应用于深厚表土综放工作面和深井三硬煤层冲击地压治理，取得了良好效果。

冲击地压；震动场；应力场；监测技术体系；分区治理

冲击地压是我国煤矿面临的最为严重的动力灾害之一[1-4]。近年来，随着煤矿开采深度的增加和开采条件的复杂化，我国发生冲击地压的矿井迅猛增加，由1990年的58个增加到2012年142个[5]。距我国首例冲击地压(1933年，抚顺胜利煤矿)发生至今已有80 a，期间我国学者对冲击地压发生机理、监测方法和防治技术进行了大量的研究，如在冲击地压发生机理方面，章梦涛[6]提出了冲击地压发生的失稳理论；齐庆新等[2]提出了冲击地压发生的“三因素”机理；窦林名等[3]提出了冲击地压弹塑性体突变机理；潘立友等[7]提出了冲击地压前兆信息识别的扩容理论；姜福兴等[8]提出了复合型厚煤层发生冲击地压的“震-冲”机理；缪协兴等[9]对三软煤层发生冲击地压的机理进行了研究；潘一山等[1]研究了煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型冲击地压的发生机理；姜耀东等[10]建立了煤层平动冲击失稳模型；李铁等[11]研究了底板发生冲击地压的机理；潘俊锋等[12]提出了煤矿开采冲击地压启动理论。在冲击地压治理方面，窦林名等[13]提出了冲击地压的强度弱化减冲理论；高明仕等[14]提出了冲击地压控制的强弱强结构理念；齐庆新等[15]研究了深孔爆破防治冲击地压的机理；宋维源等[16]研究了煤层注水防治冲击地压的机理。姜福兴等[17]提出了冲击地压防治的应力三向化理论；在冲击地压监测方面，何学秋等[18]提出了冲击地压监测的电磁辐射技术；郭文奇等[19]提出了冲击地压监测的红外辐射探测技术；李秋林等[20]提出了冲击地压监测的声发射技术，中国矿业大学、煤炭科学研究总院将波兰的微震监测技术引入国内冲击地压监测领域；姜福兴等[21]研发了具有自主知识产权的微地震监测定位系统；潘一山等[22]研发了矿震监测定位系统；北京科技大学、煤炭科学研究总院、中国矿业大学相继将煤体应力监测技术推广应用于冲击地压监测预警。随着这些成果的推广应用，冲击地压灾害控制取得了一定成效。

冲击地压监测是冲击地压有效控制的重要环节。近年来，我国在冲击地压监测方面取得了长足的进步，但由于当前采用的冲击地压监测技术都是基于单物理量开发的，不能与冲击地压发生的复杂机理无缝耦合，冲击地压监测还具有一定的局限性。本文在综述冲击地压监测方法和对冲击地压进行分类的基础上，提出震动场、应力场联合监测冲击地压的观点，期望与同行进行探讨，为煤矿冲击地压防治提供基础。

1 冲击地压监测方法综述

目前用于煤矿冲击地压监测的技术主要有震动监测、电磁监测、钻屑监测、应力监测，装备主要有矿震监测系统、微震监测系统、地音监测系统、电磁辐射仪、煤粉钻机、应力监测系统等。这些装备都是基于相应的物理原理和监测方法，对煤矿冲击地压监测预警起到了积极的作用。

1.1 震动监测

根据所监测的动力现象烈度不同，震动监测可分为两类：微震(矿震)监测和地音监测。微震(矿震)监测主要用于监测烈度较大的动力现象，如矿震、冲击地压、岩层断裂等。地音监测主要用于监测烈度较小的动力现象，如声响、振动、微破裂等。根据监测频带宽度不同，震动监测可分为3类：矿震监测、微震监测和地音监测。矿震监测频带一般为1～40 Hz，里氏震级大于0.5；微震监测频带一般为1～150 Hz，能量在102J以上；地音监测频带为几十至2 000 Hz，能量在102J以下。

矿震监测冲击地压的原理是：通过记录采场周围的震动，分析震动信息与冲击地压的相关性，判断冲击地压发生的可能性。矿震监测主要用于矿区范围内的震动监测，可确定矿震的大致方位(定位误差500～1 000 m)，为救灾提供依据。目前国内采用的矿震监测系统主要是沿用地震监测的相关仪器和定位方法。

微震监测冲击地压的原理是：通过分析微震事件的空间分布特征及时序变化特征，判断冲击地压发生的可能性。目前，国内有数十个矿井安装了微震监测系统，用于煤矿冲击地压监测的微震监测系统主要有波兰的SOS，ARAMIS，加拿大的ESG和北京科技大学研发的BMS。其中，SOS，ARAMIS，ESG都属于中尺度的微震监测系统，定位误差为20～50 m，可对较大能量的冲击地压和矿震进行定位和能量计算；BMS属于“区内集中式(定位误差8～20 m)、区间分布式(定位误差20～40 m)”的高精度微震监测系统，可对冲击地压和矿震进行定位和能量计算，也可监测小能量的岩层破裂。

地音监测也称声发射监测。研究表明[23]，声发射特征和受载煤岩体内部微裂纹扩展规律具有一定的相关性。地音监测冲击地压的原理是：通过记录煤岩体的声发射特征，分析煤岩体的应力状态，判断冲击地压发生的可能性。目前用于国内煤矿冲击地压监测的地音监测系统主要有波兰的SAK，ARES-5/E。地音监测受频带宽度限制，难以监测到冲击地压的低频信息和对其进行有效定位。

可以看出，各类震动监测都只能解决相应频带范围内的一部分问题。但是，煤矿冲击地压发生机理复杂，不同矿井、不同煤层、不同工作面，甚至不同的推进阶段，冲击地压发生机理、前兆信息、震动参数都不相同，因此，仅装备一种频带的震动监测设备不可能完全监测到冲击地压，同时装备多个频带的震动监测装备，若不进行数据的“无缝对接”，也难以获得理想的监测效果。

1.2 电磁监测

电磁辐射是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现象，煤岩体中的应力越高，辐射的电磁信号越强，辐射频率越大[24]。可见，电磁辐射是煤岩体应力状态的一种表征。目前用于国内煤矿冲击地压监测的电磁辐射仪主要有中国矿业大学研发的KBD、俄罗斯的ИЭМИ，其主要采用电磁辐射强度和脉冲数对冲击地压危险性进行监测。电磁辐射监测易受含水因素影响，其准确定性有待进一步提高。

1.3 钻屑监测

钻屑监测冲击地压的原理是：通过在煤层中打直径为42～45 mm的钻孔，根据排出的煤粉量和钻进过程中动力效应(卡钻、跳杆、孔内冲击、震动、声响、煤粉粒度变化等)，判断冲击地压发生的可能性。钻屑监测冲击地压的理论基础是：煤体应力状态和排出的煤粉量之间存在定量关系，而不同矿井、不同煤层，甚至不同工作面，这种定量关系不同。由于钻屑监测具有误差大、危险性大、工作量大、盲目性大等缺点，正逐步被“当量钻屑量”监测技术取代[25]。

1.4 应力监测

冲击地压问题实质上就是煤岩体的应力问题[26]。地音监测、电磁监测、钻屑监测等也都是通过监测相应物理量反映煤体当前的应力状态，进而根据应力变化趋势判断冲击地压危险性。因此，对于冲击地压监测而言，“应力”是最为可靠的物理量。然而，实时监测煤体的绝对应力是很困难的。现场通常采用实时监测煤体相对应力和其变化趋势的方法来监测冲击地压。目前，用于国内煤矿冲击地压监测的应力监测装备主要有北京科技大学研发的CRMS煤矿冲击地压监测系统、煤炭科学研究总院开采设计研究分院研发的KMJ-30采动应力监测系统。

地音监测、电磁监测、钻屑监测都是间接的冲击地压监测手段，易产生误差。相比而言，应力监测是一种较为直接的冲击地压监测手段，具有较大的优越性。

综上所述，目前的冲击地压监测技术都是基于单物理量变化规律开发的，相应的监测仪器也只注重单物理量的监测。然而，诱发冲击地压的因素是多方面的，仅监测某一物理量的变化规律，难以获得理想的监测效果。因此，多参量实时在线联合监测模式是冲击地压监测预警的发展方向。

2 冲击地压新分类

2.1 冲击地压破坏主体及方式

通过对冲击地压事故现场进行勘察，发现冲击地压破坏主体及方式主要有以下几种：

(1)帮部冲击。冲击地压发生后，煤体从巷道两帮向巷道方向抛出(图1)，帮部支护结构被破坏，两帮移近，巷道空间迅速减小，巷道内的设备被推翻。

图1 帮部冲击Fig.1 Coal burst from sides of the roadway

(2)底板冲击。底板发生脆断，并迅速鼓起(图2)，底板岩层完整性及底板支护结构被破坏，巷道空间迅速减小。

图2 底板冲击Fig.2 Coal burst from the floor of roadway

(3)顶板冲击。冲击地压发生后，顶板岩层迅速下沉(图3)，顶板支护机构被破坏，巷道空间迅速减小。

图3 顶板冲击Fig.3 Coal burst from the roof of roadway

(4)产生冲击气浪。冲击地压发生后，伴生的气浪、风暴破坏巷道密闭、风门等(图4)。

图4 冲击气浪Fig.4 Impact waves

图5 强震Fig.5 Strong quakes

(5)产生强震。冲击地压发生后，伴生的强烈震动掀翻轨道、矿车等设备(图5)。

可见，冲击地压的破坏主体和方式主要有帮部冲击、底板冲击、顶板冲击、冲击气浪和强烈震动等。冲击地压发生时，可能存在上述一种或几种破坏主体和方式，这与诱发冲击地压的因素有关。有时冲击地压本身是冲击地压事故的主体，具有主动性，主要破坏方式有帮部冲击、底板冲击；有时冲击地压是冲击地压事故的客体，具有被动性，主要破坏方式可能是上述破坏方式的任意一种或几种。

2.2 基于主客体不同的冲击地压分类

基于冲击地压发生的主客体不同，将冲击地压分为“自发型”和“诱发型”两类。

“自发型”冲击地压是指采掘空间周围应力积聚，当满足冲击力学条件后发生的冲击性破坏。其力源是“应力”，如原岩应力、集中应力、原岩应力与采动应力叠加、采动应力与构造应力叠加、侧支承压力与采动应力叠加等。对于这类冲击地压，冲击地压是主体，它是主动发生的。

“诱发型”冲击地压是指由于远场震动诱使应力瞬间积聚，当满足冲击力学条件后发生的冲击性破坏。其力源是“震动”，如构造活化、厚硬岩层断裂、矿柱破坏、放炮、地震产生的震动。对于这类冲击地压，冲击地压是客体，它是被震动诱发的。

“自发型”冲击地压也可称为由应力诱发的冲击地压，“诱发型”冲击地压可称为由震动诱发的冲击地压。从这个意义上来讲，冲击地压都是被诱发的，一类是被应力诱发，另一类是被震动诱发。

冲击地压新分类的工程意义在于：① 阐明冲击地压发生过程，指出“应力”在冲击地压发生过程中扮演的角色，为冲击地压控制指明了“控制对象”；② 突出了冲击地压发生的“力源”，为研究冲击地压监测预警方法提供了基础；③ 指出了两类冲击地压的破坏主体和方式，为构建冲击地压监测技术体系提供了基础。

3 震动场、应力场联合监测机理

3.1 震动、应力诱发冲击地压的机理

从发生过程来看，“自发型”冲击地压属于煤岩体的“渐进性”失稳，“诱发型”冲击地压属于煤岩体的“触发性”失稳。

3.1.1应力诱发冲击地压的机理分析

诱发应力逐渐积聚的因素很多，如工作面超前影响、应力叠加等。下面以受工作面超前影响为例分析应力诱发冲击地压的机理。图6所示为受工作面超前影响应力积聚过程。图中虚线为临界应力曲线，实线为实际应力曲线。从图中可以看出，受工作面超前影响前，巷道两侧的垂直应力远远低于冲击地压发生的临界应力(图6(a))；当工作面推进到位置A时，巷道两侧的垂直应力升高，但应力水平仍低于临界应力水平(图6(b))；当工作面推进到位置B时，巷道两侧的垂直应力接近临界应力水平(图6(c))；当工作面推进到位置C时，巷道两侧的垂直应力超过临界应力水平(图6(d))，从而诱发冲击地压。

图6 受工作面超前影响应力积聚过程Fig.6 Stress accumulating process under advance influence of the working face

3.1.2震动诱发冲击地压的机理分析

震动诱发冲击地压的实质：震动造成采掘空间周围煤岩体的应力瞬间升高，达到了冲击地压发生的临界应力水平。设采掘空间周围煤岩体的初始应力为σi，震动造成的附加应力为σa，冲击地压发生的临界应力为σk，则震动诱发冲击地压的机理可描述为

(1)

由弹性波传播理论可知，震动产生的应力波由震源传播到采掘空间周围煤岩体导致的附加应力σa[27-28]为

(2)

式中，σ0为震动产生的应力波的初始强度；λ为震动波能量衰减指数；Dm为震源到采掘空间中心的距离；Rm为采掘空间半径。

将式(2)代入式(1)，得

(3)

由式(3)可知，震动强度越大、巷道距震源越近，发生冲击的的可能性越大。

3.2 “自发型”、“诱发型”冲击地压监测机理

虽然“自发型”冲击地压和“诱发型”冲击地压发生的直接原因都是应力，但对于诱发“自发型”冲击地压的应力来说，它逐渐积聚的，具有明显的变化过程，而“诱发型”冲击地压发生的间接原因是震动，应力是瞬间升高的，变化过程不明显。因此，两类冲击地压具有各自突出的物理场，如“自发型”冲击地压突出的物理场是应力场，“诱发型”冲击地压突出的物理场是震动场。

3.2.1“自发型”冲击地压监测机理

根据“自发型”冲击地压发生机理，其临场预警应以应力监测为主。然而，实时监测围岩绝对应力的大小是很困难的，目前只能通过监测相对应力的大小来反映绝对应力的变化趋势。因此，采掘空间周围煤岩体的应力实时监测是趋势(过程)监测。应力实时监测可用于“自发型”冲击地压监测预警，而难以用于“诱发型”冲击地压监测预警。

“自发型”冲击地压监测机理如图7所示。从图中可以看出，在巷帮煤体中布置深、浅两个应力计，并设置预警值，随着受采动影响程度的增大，应力计读数逐渐升高，当应力计读数达到预警值时，监测系统进行预警。应力计读数只能反映煤体应力的变化趋势，而不能反映煤体绝对应力的大小。因此，“自发型”冲击地压监测的实质是通过监测煤体应力变化过程对冲击地压进行预警。

图7 “自发型”冲击地压监测机理示意Fig.7 Monitoring mechanism of spontaneous-type coal burst

3.2.2“诱发型”冲击地压监测机理

根据“诱发型”冲击地压发生机理，其临场预警应以外应力场监测为主、内应力场监测为辅。外应力场分布范围大、震源远，依靠传统的应力动态监测效果不佳，应以震动监测为主。震动监测采用“触发式”监测模式，通过在采掘空间周围布置传感器实时采集信号，一旦各传感器采集的信号满足设定的判别条件，将被记录下来，然后利用定位程序确定震动发生的位置、能量等信息。震动监测可用于“诱发型”冲击地压监测预警，而难以用于“自发型”冲击地压监测预警。

“诱发型”冲击地压监测机理如图8所示。从图中可以看出，震动传播至巷帮，致使煤体应力瞬间升高，并超过冲击地压发生的临界应力；通过震动监测，可确定震源位置，从而进行区域预警；而布置煤体中的应力计读数升高滞后于震动，且由于其采用“巡测”模式，系统难以捕捉到应力变化。因此，“诱发型”冲击地压监测的实质是通过监测震动特征进行冲击地压预警。

图8 “诱发型”冲击地压监测机理示意Fig.8 Monitoring mechanism of induced-type coal burst

3.3 震动场、应力场联合监测冲击地压的机理

虽然震动监测和应力监测都能获得采掘工作面围岩的应力分布特征，但获取方式不同，如应力监测属于直接获取，能够实时获得应力分布特征，而震动监测是通过监测岩层破断规律及运动特征推演支承压力变化特征，属于间接获取，具有一定的滞后性；另外，两种监测方法监测的物理量不同，应力监测是监测应力的变化趋势，震动监测是监测震源的位置。

采掘工作面的地层条件不同，发生冲击地压的类型可能不同，如深厚表土地层条件下，多发生“自发型”冲击地压，而厚硬地层条件下，多发生“诱发型”冲击地压。对于“自发型”冲击地压，采用震动监测难以获得理想的预警效果，如新巨龙矿井1302工作面回采过程中沿空巷道超前工作面50 m处曾发生过“炸帮”，但布置在工作面内的微震监测系统记录的微震事件并没有异常。对于“诱发型”冲击地压，采用应力动态监测可能监测不到应力的变化，如古城煤矿2103工作面胶带巷超前工作面70 m范围内曾发生1次1.9级的冲击地压(图9)，地面震感强烈，但布置在此范围内的应力动态监测系统没有捕捉到应力的变化，而经微震定位，本次震源位于煤层上方约420 m处，对照钻孔资料可知，煤层上方440.2 m处存在一层厚70.3 m的中粒砂岩，可见，该岩层破断是此次冲击地压的主要诱发因素。因此，对于发生机理复杂的冲击地压而言，应力监测、震动监测都有各自的监测“盲区”。

图9 古城煤矿1.9级冲击地压的震源位置Fig.9 Location of the hypocenter resulted in coal burst with the magnitude of M1.9

鉴于应力监测、震动监测都存在相应的监测“盲区”，为提高冲击地压监测预警的准确性和可靠性，提出震动场、应力场联合监测技术。技术内涵：① 在采掘区域同时开展应力监测、震动监测；② 应力监测的物理量为应力变化，震动监测的物理量为震源位置；③ 采掘工作面同时安装应力动态监测系统和微震监测系统，从而实现应力、震动联合监测；④ 基于应力监测实现冲击地压的临场预警，基于震动监测实现冲击地压的区域预警；⑤ 应力监测实现某一区域时间纵向上的预测，震动监测实现区域横向上的预测；⑥ 实时监测和及时分析监测数据，及时开展冲击地压预警。图10为震动场、应力场联合监测冲击地压示意。该技术具有针对性强、互补性强、可靠性高等特点。

4 冲击地压监测技术体系

冲击地压发生与否主要与煤体的冲击属性和应力状态有关。冲击倾向性是煤体的固有属性，可通过试验测定；而应力是冲击地压发生的动力因素，其演化是一个动态过程，与工作面推进距离、采煤方法、构造类型和分布、覆岩空间结构特征等有关。实践上很难通过理论计算、数值模拟、物理试验等准确获得采掘工作面围岩应力演化特征。现场实测是掌握应力动态分布的有效手段。但考虑到其所耗费的人力、财力较大，开展现场实测之前应确定重点监测区域。另外，目前可采用的冲击地压监测方法较多，如何选择监测方法以及监测方法如何匹配，一直困扰着冲击地压矿井。鉴于上述原因，提出矿井冲击地压监测技术体系，如图11所示。

图11 矿井冲击地压监测技术体系Fig.11 The monitoring technology system of coal burst

从图11可以看出，监测范围由大到小，监测时间由早到晚，该体系能够满足冲击地压监测预警时空要求及可靠性要求。矿井冲击地压监测技术体系实施细则如下：

(1)在工作面回采之前，运用矿山压力理论、覆岩空间结构理论对工作面冲击地压危险性进行宏观评价和预测，确定监测预警的重点区域。通过前期冲击地压危险性评价，能够获得回采范围内冲击地压危险区域及各区域的危险程度。

(2)根据前期评价结果，采用震动类监测设备(如微震监测系统)监测危险区域围岩破裂情况，判定卸压区及应力集中区；然后，根据应力集中区位置，对下一区域进行预测。震动监测能够实现冲击地压的区域预测，即早期区域横向上的预测。

(3)受工作面超前影响之前，在工作面上、下平巷的内侧煤体中布置应力类监测传感器(如钻孔应力计、电磁辐射传感器、地音传感器等)，采用应力动态实时监测设备(煤矿冲击地压监测系统、地音监测系统、电磁辐射监测仪等)监测应力的变化；设置预警阈值，一旦应力值达到该阈值，系统自动报警。应力动态实时监测能够实现局部区域冲击地压的“时间—空间—危险程度”预测，即某一区域时间纵向上的预测。

(4)应力动态实时监测系统报警后，组织人员在预警区域施工钻屑孔，检验煤粉量；若煤粉量超标，应立即进入解危程序。钻屑法能够实现冲击地压危险区域的逐点检验，即某一区域某一时间上的检验。

5 冲击地压分区治理

“强卸压”是治理冲击地压的有效措施。若“强卸压”的时间及力度得当，既能够防止冲击地压的发生，又能够保证巷道稳定；反之，若时间及力度不当，易降低巷道围岩自身的抗灾能力，甚至发生支护结构损坏诱发的巷道失稳，如河南某煤矿一大断面巷道掘进过程中实施多轮深孔爆破、煤层大直径钻孔等卸压措施，破坏了巷道围岩自身的承载能力，一次2.9级的地震引起巷道发生严重的冲击地压事故。防冲卸压与巷道稳定之间存在一个平衡问题。因此，选择合理的“强卸压”时间及力度对防冲与巷道稳定平衡控制至关重要。防冲与巷道稳定平衡控制面临的首要问题是冲击地压治理思路的转变，不能一贯的实施“强卸压”，需掌握好时间和力度。为此，本节提出冲击地压分区治理思路。

5.1 冲击地压危险区分类

冲击地压危险区是指采掘工程周围有可能发生冲击地压的区域。获得冲击地压危险区的方式有：① 在采掘工程施工之前开展冲击地压危险性评价，采用多因素耦合评价法，划分采掘工程施工区域的冲击地压危险区；② 在采掘工程施工过程中开展冲击地压实时监测，实时显示监测区域的应力状态及危险等级。

根据获取方式及时间不同，将冲击地压危险区分为静态危险区和动态危险区。静态危险区是指通过冲击地压危险性评价获得的危险区，是一种潜在的危险区。动态危险区是指通过监测获得的危险区，是一种已经显现的危险区。动态危险区主要包括冲击地压实时监测系统报警的区域、抽检煤粉量超标的区域、锚杆应力异常区域、巷道异常变形区域等。

综合基于危险程度的冲击地压危险区分类、基于获取方式的冲击地压危险区分类、基于报警阈值的冲击地压危险程度分类，提出冲击地压危险区分类层次结构，如图12所示。

图12 冲击地压危险区分类层次结构Fig.12 The hierarchical structure of risk area classification of coal burst

5.2 冲击地压分区治理思路

5.2.1静态危险区处理思路

在受工作面超前影响之前，对危险区进行卸压处理，通过改变煤体的物理性质，降低冲击倾向指标，从而达到进入工作面超前影响范围后不发生冲击地压的目的。其特点是预卸压。此时，“卸压”与巷道围岩控制同等重要，“卸压”力度不宜过大，若采用煤层大直径钻孔(孔径120 mm)卸压，钻孔间距应适当增大，如对于一般危险区，钻孔间距一般为4～6 m，对于中度及高度危险区，钻孔间距一般为2～4 m，具体值还需参考煤层厚度进行确定。

5.2.2动态危险区处理思路

显现危险信息后，对危险区进行解危处理，通过释放煤体内的应力和积聚的能量，促使应力向深部转移，从而达到解除危险的目的。其特点是解危。此时，突出“卸压”，“卸压”力度宜大，要求短时间内消除冲击地压危险，若采用煤层大直径钻孔(孔径120 mm)卸压，对于蓝色报警区，加强监测，对于黄色报警区，钻孔间距一般为2～3 m，对于红色报警区，钻孔间距一般为1.0～1.5 m。

6 工程应用

6.1 深厚表土综放工作面冲击地压治理

6.1.1工程概况

新巨龙矿井1302工作面是一深厚表土沿空综放工作面，走向长2 570 m，倾斜宽258 m，平均采深750 m，表土层厚度为600～700 m。回采煤层厚9.0 m，倾角平均3°，具有弱冲击倾向；顶板为厚19.87 m的粉砂岩，裂隙发育，单轴抗压强度为32.1 MPa，具有中等冲击倾向；底板为粉砂岩，裂隙发育充填黄铁矿，具水平层理，单轴抗压强度为70.91～117.49 MPa。1302工作面下平巷为沿空巷道，与上区段采空区之间留设宽度为6 m的煤柱，上平巷为实体巷道。

6.1.2静态危险区划分与治理

经评价[29]，该工作面回采区域共存在静态危险区27个，其中高度危险区3个，中度危险区10个，一般危险区14个，如图13所示。工作面回采过程中贯彻静态危险区处理思路，即在受工作面采动影响之前对中度、高度危险区实施煤层钻孔卸压，钻孔直径120 mm，间距2 m，孔深25 m，一般危险区不进行卸压处理，加强监测。

图13 1302工作面冲击地压危险区分布Fig.13 Distribution of coal burst risk areas in working face 1302

6.1.3监测预警

1302工作面回采过程中，采用“震动场、应力场”联合监测技术对冲击地压进行监测预警。现场安装1套BMS微震监测系统和1套CRMS煤矿冲击地压监测系统。煤矿冲击地压监测系统的钻孔应力计布置在上、下平巷内侧煤体中，测站间距为25 m；每个测站布置深、浅两个测点，间距为2 m，埋深分别为8,14 m。微震监测系统的检波器布置在上、下平巷顶板，间距为50 m；检波器固定在锚杆尾部，锚杆垂直巷道顶板，端部进入岩体长度不小于1 m。

6.1.4动态危险区确定与解危

2012-04-10，1302工作面下平巷距切眼740,765 m处的冲击地压监测系统测点(处于第③个高度危险区)分别发生黄色、红色预警(图14)，此时工作面推进590 m。发现报警信息后，现场果断实施煤层大直径钻孔进行解危，即在预卸压钻孔之间增加一个钻孔，孔深为25 m，累积施工钻孔45个，工程量1 125 m。冲击地压危险于2012-04-12被解除(冲击地压监测云图如图15所示)，从而避免了一次冲击地压事故。

图14 冲击地压监测系统预警云图Fig.14 Stress graph of coal burst monitoring system warning

图15 解危后冲击地压监测系统的应力云图Fig.15 Stress graph of coal burst monitoring system after relieving danger

6.2 深井三硬煤层冲击地压治理

6.2.1工程概况

华丰煤矿1411工作面为一深厚砾岩沿空工作面，平均采深1 050 m，顶板存在厚数百米的砾岩层(极易诱发冲击地压)，回采四煤。四煤平均厚6.2 m，可采指数为1，倾角30°～34°，平均为32°，单轴矿压强度为25.5 MPa，有强冲击倾向；四煤直接顶为厚2.5～9.0 m的粉细砂岩，单轴抗压强度为69.5 MPa，具有中等冲击倾向；直接底为厚4.4 m的中砂岩，单轴抗压强度为74.2 MPa，具有中等冲击倾向。四煤上方42 m处为一煤，下方40 m处为六煤。一煤厚度为0～1.39 m，倾角为33°，可采指数为0.67，无冲击倾向。六煤平均厚度为1.31 m，倾角为32°，具有弱冲击倾向，先于四煤开采。1411工作面上平巷为沿空巷道，受1410采空区侧向支承压力影响，易发生冲击地压。为降低1411工作面上平巷掘进和工作面回采过程中发生冲击地压的可能性，在1411工作面上平巷对应的一煤层布置1101短壁工作面，该工作面设计斜长60 m，其与1411上平巷的相对位置关系如图16所示。

图16 华丰煤矿工作面相对位置关系Fig.16 Relative position of working faces in Huafeng Mine

6.2.2静态危险区划分与治理

1411工作面第1阶段回采主要受顶板初次来压、工作面见方时砾岩运动、一层煤缩面煤柱、向斜轴、断层等因素影响。据此，采用多因素耦合评价法划分静态危险区，如图17所示。从图中可以看出，1411工作面第一阶段回采区域存在静态危险区11个，其中高度危险区1个，中度危险区5个，一般危险区5个。

图17 1411工作面冲击地压危险区分布Fig.17 Distribution of coal burst risk areas in working face 1411

超前工作面150 m对上平巷实施断顶、断底和煤层钻孔卸压措施。所有钻孔布置在上平巷下帮(图18)，孔间距2.5 m，每组3个孔，断顶孔为仰角38°，孔径为75 mm，孔深40 m；煤层孔位俯角32°，孔径为150 mm，孔深30 m；断底孔为俯角45°，孔径为75 mm，孔深30 m。钻孔完成后，对断顶孔和断底孔进行装炸药、爆破。每孔装药量为20 kg。炸药使用二级煤矿许用水胶炸药；雷管采用煤矿许用1号毫秒延期电雷管，每孔2发；导爆索采用直径为7.0 mm的煤矿许用导爆索；水泥药卷封孔长度不少于10 m；联线方式为串联，使用FD-200D型发爆器起爆。

图18 卸压钻孔布置Fig.18 Layout of pressure-released holes

6.2.3监测预警

1411工作面回采过程中，采用“震动场、应力场”联合监测技术对冲击地压进行监测预警。现场安装1套ARAMIS M/E微震监测系统和1套CRMS煤矿冲击地压监测系统。煤矿冲击地压监测系统的钻孔应力计布置在1411工作面上平巷内侧煤体中，测站间距为25 m，超前工作面监测范围为250 m；每个测站布置深、浅两个测点，间距为2 m，埋深分别为14,18 m，钻孔应力计初始注油压力为5 MPa。微震监测系统的检波器分散布置在全矿井。

6.2.4动态危险区确定与解危

随着1411工作面的推进，发现有大量1.0级以上的微震事件发生在上平巷两侧，具有明显的“分区”特征。图19所示为2011-09-16—11-08的微震事件分布。期间，1411工作面共发生0.5级以上微震事件66个，其中0.5～0.9级41个，1.0级以上25个，主要集中在该工作面上平巷下侧50 m、上侧15 m范围内。

图19 2011-09-16—11-08微震事件分布平面图Fig.19 Plan of microseismic events in the period of 2011-09-16—11-08

发现上述微震事件异常后，现场果断实施煤层大直径钻孔进行解危，即在原钻孔之间增加一个孔径为150 mm、孔深为30 m的煤层钻孔，使煤层钻孔间距变为1.25 m。同时密切关注冲击地压监测系统应力云图，确保上平巷煤体处于“低应力(相对应力低于6 MPa)、强支护”状态。2012-01-06 T 11:24:10，预警区域发生一次能量为7.40×106J、震级为M2.0的矿震(图19)，造成工作面扬起煤尘，83，84号支架后退100 mm，79～90号支架后移、安全阀开启，上平巷出口以外60 m范围内有顶板掉渣现象。由于之前增加了解危力度，这次矿震并未诱发冲击地压事故。此后，工作面顺利完成第一阶段推进。

7 结 论

(1)总结了震动监测、电磁监测、钻屑监测、应力监测等冲击地压监测方法的原理，分析了现有冲击地压监测技术的不足，提出克服单物理量监测不足、实现多参量实时在线联合监测目的的“震动场、应力场”联合监测技术。

(2)基于事故现场破坏特征，冲击地压破坏主体或方式分为帮部冲击、底板冲击、顶板冲击、气浪、强震等5种；按照主客体不同，冲击地压分为“自发型”和“诱发型”两类。冲击地压新分类明确了冲击地压发生的力源，为冲击地压的有效监测和防治指明了对象。

(3)宏观上将冲击地压危险区分为静态危险区和动态危险区，提出“先预卸压后解危”的冲击地压分区分级治理思路，实现兼顾防冲和防大变形的目的。

(4)现场实践表明，贯彻矿井冲击地压监测技术体系和采用“震动场、应力场”联合监测技术，能够实现冲击地压的“宏观—区域—局部—点”全局“无缝”监测，为冲击地压的有效监测预警和治理提供新的手段。

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Theoryofcoalburstmonitoringusingtechnologyofvibrationfieldcombinedwithstressfieldanditsapplication

LIU Jin-hai1，ZHAI Ming-hua2，GUO Xin-shan2,JIANG Fu-xing3，SUN Guang-jing2,ZHANG Zong-wen2

(1.SafetyEngineeringCollege,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Beijing101601,China；2.ShandongEnergyGroupCo.,Ltd.，Jinan250014，China;3.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

The existing methods for coal burst monitoring were summarized,and their advantages and disadvantages were discussed.A view on coal burst monitoring with features such as multi parameter,real time and on line was proposed.Based on the accident investigations,failure modes of coal burst were classified into five types:burst from sides of the roadway,burst from roof of the roadway,burst from floor of the roadway,impact waves and strong quakes.According to the different subjects of coal burst,the coal burst was divided into two kinds:spontaneous-type and induced-type,and the engineering significances of the new classification were described.On the basis of suitable monitoring characteristics of two kinds of coal burst,a coal burst monitoring technology of vibration field combined with stress field was put forward,and its technical connotations were interpreted.In macro sense,coal burst risk areas were divided into two types:static risk area and dynamic risk area,according to differences of retrieval modes.Combined with the practical conditions,the monitoring technology system and the district control ides for coal burst in mine were proposed.The global and seamless monitoring of “macro-area-local-point” and the staging and grading of “depressurizing-relieving danger” for coal burst were achieved.The ideas was applied coal burst prevention of fully mechanized caving face with deep alluvium and “three-hard” coal seam with large depth,which avoid the coal burst accident effectively.

coal burst;vibration field;stress field;monitoring technology system;district control

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2005

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB226803)；国家自然科学基金资助项目(51274022)；中央高校基本科研业务资助项目(3142014067)

刘金海(1982—)，男，河南扶沟人，博士。E-mail：jh_liu1982@163.com。通讯作者：姜福兴(1962—)，男，教授，博士生导师。E-mail：jiangfuxing1@163.com

TD324

A

0253-9993(2014)02-0353-11

刘金海，翟明华,郭信山,等.震动场、应力场联合监测冲击地压的理论与应用[J].煤炭学报,2014,39(2):353-363.

Liu Jinhai，Zhai Minghua,Guo Xinshan,et al.Theory of coal burst monitoring using technology of vibration field combined with stress field and its application[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):353-363.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2005