复杂煤岩体结构动力失稳多参量预报方法研究*

曹建涛，来兴平，崔　峰，单鹏飞，杨毅然

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)



复杂煤岩体结构动力失稳多参量预报方法研究*

曹建涛1，2，来兴平1，2，崔峰1，2，单鹏飞1，2，杨毅然1，2

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

针对煤岩体在开采扰动影响下由于动力载荷的作用将发生复杂的运动演化过程，形成新的更为复杂的煤岩体结构。煤岩体结构所受的应力水平变化特异，煤岩体结构在高应力强卸荷作用下结构发生严重畸变，出现煤岩体结构动力失稳、冲击地压、大面积片帮和大体积冒顶等动力失稳现象，且煤岩体结构动力失稳始终随着采动煤岩层的时空演化而发生着动态运动，危险源产生的位置、时间具有不确定性，存在自由面的煤层、采场、巷道、掘进工作面等围岩结构空间都有发生动力失稳的可能，因此导致了动力失稳危险源的搜索范围广泛、定位难度较大，采用单一手段难以满足监测预报的要求。本论文基于能量积聚和释放的围岩结构动力失稳前兆信息研究，利用应力、应变、声发射、钻孔窥视等声、光、电监测手段，通过多参量信息的综合分析，提出复杂煤岩体结构动力失稳多参量动力失稳预测方法。

复杂条件；煤岩体结构；开采扰动载荷；动力失稳

2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

0　引　言

复杂煤岩体结构动力失稳现象发生频繁，动力灾害时有发生。随采深增加与开采强度的加大，动力灾害发生频次上升，大洪沟矿(采深350 m)累计发生10多次动力失稳破坏现象，乌东煤矿发生动力灾害，造成1死2伤；碱沟煤矿和小红沟煤矿也有类似灾害发生，河南义马煤业集团千秋煤矿发生动力失稳灾害，动力作用致使巷道严重损坏并冒落，近400 m巷道损毁严重，部分巷道完全合拢，作业工人被冒落巷道封堵或掩埋在事发地点，最后造成10人遇难的重大伤亡事故，陕西省榆林市神木县采空区动力失稳引发了3.0级塌陷地震，造成严重的社会影响。

缪协兴[1-2]等利用断裂力学原理，建立了煤岩体滑移裂纹扩展的动力失稳模型。章梦涛[3-5]等提出以动力失稳过程判别准则和能量不稳定判别准则，通过建立数学模型分析煤岩动力失稳问题。齐庆新、刘天泉[6-7]等研究了煤岩动力失稳的黏滑失稳机理，提出了煤岩体结构破坏的“三因素”准则，齐庆新等还研究了煤层动力失稳与岩爆之间的联系与区别。谭云亮、宋扬等研究了煤岩动力失稳的非吸纳性特性。唐春安、潘岳[8-11]等采用突变理论，分析了断层诱发煤岩结构体动力失稳问题，提出了煤岩体系统失稳弹性能释放量表达式和破裂临界条件。唐春安等也采用分析软件(RFPA)对岩石破坏过程的煤岩动力失稳、岩爆的孕育过程进行了较好的分析。

对于冲击地压监测预警、预测方法及设备已有较多成果，例如应力监测[12-13]、微震监测[14-16]、钻屑量监测[17]、声发射监测[18-19]、电磁辐射监测[20-22]、震动波CT 监测[23-24]等，但是，这些预测、预警方法多是单套系统进行监测预测或预警，多参量的预测或预警方法现场实践较少。

基于能量积聚和释放的围岩结构动力失稳前兆信息研究，利用应力应变、声发射、钻孔窥视等监测手段，利用多参量信息的综合分析，可以实现复杂煤岩体结构动力失稳多参量动力失稳预测方法。针对应力、应变、声发射、钻孔窥视等判定指标需要综合判定复杂煤岩体结构动力失稳，建立复杂煤岩体结构动力失稳危险性综合评价函数。

1　复杂煤岩体结构结构特征

图1　采动作用下动力学破坏情况Fig.1　Deformation and damage of roadway induced by EDZ

论文针对乌东煤矿急倾斜(45°～87°)特厚煤层。采深达400 m.采用水平分段综放开采，工作面上方采空区不均衡垮落和沉降，局部区域形成载荷集中和不均匀受力，沿垂直剖面煤柱形成“塔形”分布结构，最深部水平分段煤柱载荷产生应力叠加，极易导致煤柱断裂。由于急斜煤层倾角大，煤岩体在开采扰动作用下产生非对称性“撬动”作用力，煤岩体结构内部不断发生着运动演化，煤岩体结构经历“损伤-变形-断裂-滑移-失稳”复杂的结构力学变化过程，复杂煤岩体结构发生十分明显的“剪切-滑移”相对运动，最后由于结构整体强度的劣化发生煤岩体坍塌进而诱发动力失稳灾害，对工作面形成动力学破坏。煤岩体能量突然释放使巷道出现严重底臌帮鼓与冒顶，最大帮鼓达1.0 m，最大底鼓达1.2 m；巷道内风筒与锚网撕裂和皮带侧翻(图1)等。

2　复杂煤岩体结构动态失稳致灾时空预测原理

基于能量改变的煤岩体结构动态调控技术原理，以复杂煤岩结构动力失稳防治为目标，通过先进测试方法、综合理论研究、室内实验和现场工程试验等方法与手段，揭示复杂煤岩结构动力失稳规律，建立动压预报技术，判定动压防治重点区域，优化采掘布局，减弱或消除动力学失稳危险，制订适合复杂煤岩结构动力失稳危险预警与管理制度，实现安全开采。

以地面调查、钻探和超前探查为基础，建立煤岩体结构空间信息。以室内试验和现场监测方法，研究分析应力、变形、位移、声发射等指标参数，研究煤岩体开挖状态下结构面性状的变化特征及其演化规律，完成复杂煤岩体动力学破坏与时间密切相关的强度实验，确定煤岩动力学失稳倾向性及其破坏时声发射参数、实验室尺度、不同应力水平下煤岩体内部损伤孕育与发展过程，揭示煤岩体结构特征与力学行为及其对灾害调控作用。将复杂煤岩体结构动力失稳多元前兆信息指标进行概率统计分析，应用隶属函数进行综合评判，为安全生产管理提供定量依据，建立集监测、预报与管理为一体的高度信息化和智能化安全监控体系。

3　开采扰动动力显现监测

由于煤岩体结构动力失稳始终随着采动煤岩层的时空演化而发生着动态运动，危险源产生的位置、时间具有不确定性，存在自由面的煤层、采场、巷道、掘进工作面等围岩结构空间都有发生动力失稳的可能，因此导致了动力失稳危险源的搜索范围广泛、定位难度较大，采用单一手段难以满足监测预报的要求。本论文基于能量积聚和释放的围岩结构动力失稳前兆信息研究，利用应力应变、声发射、钻孔窥视等声、光、电监测手段，通过多参量信息的综合分析，提出复杂煤岩体结构动力失稳多参量预测方法。

3.1应力监测

工作面顺槽内每20 m一组安装锚杆测力计，在巷道两帮及顶部各安装一块，测力计初始压力设定为3 MPa.每隔1 h监测1次，并记录数据，根据数据分析，确定预报值。

图2　应力监测Fig.2　Stress monitoring

底板岩体的应力大于煤体应力，而煤体部位的应力大于顶板部位的应力值。底板的应力变化是开始时应力上升而后应力趋于平稳，到后期应力发生了急速下降。煤体和顶板部位的应力变化不是十分明显，基本趋于稳定，煤体部位的应力基本维持在6 MPa左右、顶板煤体的应力基本维持在2 MPa左右，应力变化比较明显，应力值突然增加到近似原来应力值的2倍，如图2所示。

3.2变形监测

按照巷道变形监测方案，总结分析巷道宽度、高度受上分层综采面推进及掘进头掘进影响的规律，为及时准确提供巷道严重变形进行预测预报如图3，图4所示。测定的压力值与变形量与额定压力值与变形的差值超过正常值1倍以上时，说明监测区域可能具有动力失稳危险性，应立即采取相应动力失稳危险解危措施。

图3　两帮相对移近量监测Fig.3　Monitoring of convergence of two sides

图4　顶板下沉量监测Fig.4　Monitoring of subsidence of roof

3.3结构动力失稳声发射信号预报

煤岩体损伤破裂声发射(Acoustic emission)AE信号分析为现场围岩稳定性预报提供十分有效的信息参数。通过声发射与煤岩体动态破裂与失稳联合监测，揭示了动力作用下煤岩破裂与失稳AE大事件和能率特征及规律(图5)。

图5　煤岩体破裂与失稳声发射(AE)特征Fig.5　AE characteristics of instability and failure in coal and rock mass (a)AE大事件　(b)AE能率

如图5所示，复杂煤岩体破裂失稳分为5个阶段：初始压密阶段(ST-1)、破裂扩展阶段(ST-2)、加速破裂阶段(ST-3)、整体失稳阶段(ST-4)和破坏后能量急剧释放阶段(ST-5)，破坏加速累积导致煤岩体整体破坏，AE能率和总事件都达到峰值，之后储能大量释放，AE能率和总事件骤然释放与重构扩展，承载力显著下降。能率和总事件值分别为4 300和770个/s以上时发出预报信号。

3.4基于钻孔摄像结构演化内部变形预报

煤岩体局部化破裂孕育演化与失稳致灾，实质上是煤岩体局部结构与应力环境作用的动力学演化过程。钻孔内部煤体出现显著变形、破坏与坍塌，压应力和剪应力致使煤岩体产生结构畸变与动态失稳。在钻孔不同位置和不同深度破坏形式迥异，表明煤岩体内部不同位置局部应力集中程度或应力卸荷度也完全不同，极易在局部区域破坏并诱发动力学失稳。图6描述了钻孔内部不同深部破裂与变形结果。当钻孔内部煤体出现显著变形、破裂与坍塌，在裂隙边界点上两点间产生相对位移，沿钻孔纵向和横向发生扩张或移动时发出预报信号。

4　复杂煤岩体结构动力失稳综合指标预报

复杂煤岩体结构动力失稳现象发生的前兆信息主要表现在，利用应力、应变、声发射、钻孔窥视4个判定指标监测“力-震-能”的变化过程，将4个不同量纲判定指标采用隶属函数进行危险性综合评判，给出复杂煤岩体结构动力失稳一种简单的综合判定方法。

每个指标的评判函数为

fi=a1x1+a2x2+a3x3+a4x4.

(1)

式中影响系数与倾向等级的数值采用现场采集数据集应用专家评判法得出系数具体数值。ai(i=1,2,3)为每个指数的影响系数，分别为0.595，0.601，0.450，0.4；xi(x=1,2,3)为每个因素评判结果，设每个参数对应动力失稳倾向等级Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4个类别的分别取值为：0.168，0.333，0.667，1，见表1.

采用二次抛物型隶属函数，动力失稳倾向性对灾害危险性的隶属函数为

(2)

图6　煤岩体内部不同深部破裂与变形光学观测结果Fig.6　Crack and deformation of in-situ coal and rock mass at various depth (a)孔口　(b)1.0 m　(c)2.0 m　(d)3.0 m　(e)4.0 m　(f)5.0 m

类别ⅠⅡⅢⅣ动力失稳倾向无弱中强指标压力指数/MPa<2[2,5][5,12]>12变形指数/mm<5[5,15][15,50]>50声发射指数<2500[2500,3000][3000,5000]>5000钻孔变形指数/mm<1[1,2][2,5]>5

复杂煤岩体结构动力失稳危险性综合评价函数为

U=c1μ1+c2μ2+c3μ3+c4μ4.

(3)

式中c1，c2，c3，c4为权重，通过原始数据综合分析和现场实践经验总结确定各项指标权重分别为0.25，0.25，0.25和0.25.

表2　复杂煤岩体结构动力失稳危险性分类、名称

由公式(1)～(3)进行计算，再根据表2可对复杂煤岩体结构动力失稳危险性进行判定。

根据现场应力、应变、声发射、钻孔窥视4监测结果进行综合判定复杂煤岩体结构动力失稳现象。

根据评判函fi=a1x1+a2x2+a3x3+a4x4，得出判定指标对应的函数值，见表3.

表3　判定指标对应评判函数值

根据动力失稳倾向性对灾害危险性隶属函数式(2)得出灾害危险性隶属函数值，见表4.

表4　判定指标对应灾害危险性隶属函数值

根据复杂煤岩体结构动力失稳危险性综合评价函数

U=c1μ1+c2μ2+c3μ3+c4μ4=0.25×0.878+0.25×0.833+0.25×0.727+0.25×0.973=0.854.

得出复杂煤岩体结构动力失稳危险性综合评价函数值为0.854，对照表2可得出动力失稳危险性等级为强级。成功预报了动力灾害的现象，避免了事故发生。

5　结　论

动力失稳作为一种复杂的围岩结构动力失稳灾害，使得对动力失稳发生机理的研究非常复杂和困难。通过对复杂煤岩体结构形态分析研究，研究复杂煤岩体运动演化、动力作用，利用应力应变监测、声发射信号分析、钻孔变形等指标进行多参量综合预报。

1)采用水平分段综放开采，工作面上方采空区不均衡垮落和沉降，局部区域形成载荷集中和不均匀受力，最深部水平分段煤柱载荷产生应力叠加，极易导致煤柱断裂。由于急斜煤层倾角大，煤岩体在开采扰动作用下产生非对称性“撬动”作用，致使集中载荷突然卸荷，导致煤岩体结构整体失稳，对工作面形成动力学破坏；

2)煤岩体结构内部不断发生着运动演化，煤岩体结构经历“损伤-变形-断裂-滑移-失稳”复杂的结构力学变化过程，由于结构整体强度的劣化发生煤岩体坍塌进而诱发动力失稳灾害；

3)基于能量积聚和释放的围岩结构动力失稳前兆信息研究，利用应力、应变、声发射、钻孔窥视等多元测控技术，利用多参量信息的综合分析，提出针对复杂煤岩体结构动力失稳的多参量预测方法。

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Multi-parameter forecasting method of dynamic destabilization of complex coal and rock mass structure

CAO Jian-tao1，2，LAI Xing-ping1，2，CUI Feng1，2，SHAN Peng-fei1，2，YANG Yi-ran1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China；

Due to the dynamic loading caused by exploitation，the structure of coal and rock mass has become more complex.Great deformation generated under high stress and strong unloading particularly when encountered large variation of stress level.Phenomenons such as dynamical destabilization of structure，rockburst，wall caving and roof falling etc maybe occur on this account.The dynamic change of dynamic destabilization in structure of coal and rock mass coupled with temporal and spatial evolution of exploitation area，and the location and formation time is uncertain.Locations such as coal seam，stope，roadway and working face etc are very likely to be dangerous zones，resulting that the dynamical destabilization source hard to locate.Therefore，it is unable to meet the requirement of monitoring and prediction with single-parameter forecasting method.This paper employs monitoring measures such as stress-strain，acoustic emission(AE)，borehole imaging and photoelectric，based on the study of message produced before dynamic destabilization by energy accumulation and release.By means of synthetical analysis of multi-parameter message，we have proposed a multi-parameter forecasting method of dynamic destabilization of complex coal and rock mass structure.

complex condition；structure of coal and rock mass；mining disturbance loading；dynamic destabilization

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0301

1672-9315(2016)03-0301-07

2016-01-10责任编辑：刘洁

国家自然科学基金(煤炭联合基金)重点项目(U13612030);陕西省重点科技创新团队计划(2013KCT-16);博士启动基金(2014QDJ069);博士培育基金(2014051)

曹建涛(1981-),男,山西大同人,博士,讲师,E-mail：463583050@qq.com

TD 823

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