煤矿冲击危险性的定性与定量评价研究

齐庆新,李海涛,李晓鹏

(1.煤炭科学研究总院 深部开采与冲击地压防治研究院,北京 100013; 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

0 引 言

冲击地压已然成为威胁煤矿安全生产最为主要的动力灾害，其本质是大量弹性变形能的剧烈释放，作为工程科学问题，实现对其科学有效的防控是开展相关研究的最终目的，而冲击危险性评价则是将冲击地压能量本质具象化的关键环节，其包含的冲击危险区域识别和冲击危险等级划分等内容，对于防控措施科学设计和有效实施都具有无可替代的支撑作用。然而，能量本身具有较高的抽象程度，在现有条件下尚不具备原位直接测量的手段，根据煤岩类介质的本构可知，变形能由介质自身属性及应力、应变决定，其中，应变虽然可测，但作为因变量，受制于介质属性和应力，而连续、全面的介质属性原位探测/监测，目前仍然有较多技术问题有待攻关[1-3]，在应用中，通常将既定现场的介质属性作为常量对待[4-5]。相比而言，应力作为与开采活动直接相关的物理量，是在既定的介质属性条件下，引起变形能积聚的直接原因，与变形能具有更为显著的相关性。然而，与瓦斯、水等可以直接测量的具体物质相比，应力在现场条件下通常需要借助钻屑量、波速等物理量进行间接反算或表征，同时，应力作为连续分布于整个采掘空间内的物理量，现有测试手段尚无法实现充分覆盖，需要借助插值算法等完成连续应力场的反演[6-8]。而通过间接计算获得的应力数据，由于无法验证，其可靠性将存在一定的局限，因此，单纯基于应力监测数据进行冲击危险性评价，其可靠性将较为有限。

为此，需要继续追溯造成应力变化的根源。近年来已逐渐形成共识，即静态的地质赋存条件以及动态的开采过程共同造成了采掘空间应力状态的变化：前者奠定矿井的基础应力环境，后者在此基础上为灾害的发生提供直接力源[9-10]。以量化的地质构造和开采参数为依据进行冲击危险性评价的思想也体现在了目前使用最多的综合指数法中[11-14]，类似研究还包括数量化理论[15]、综合描述指标设计[16-17]等。

综上，对于冲击危险性评价，目前基本形成了以应力为核心参量，兼顾地质赋存、开采参数影响的基本架构。但值得注意的是，现有冲击危险性评价方法，对于应力连续分布于整个采掘空间、受多种因素耦合影响等关键特征的描述仍不充分，导致评价指标关联性不足、多因素融合缺乏依据等问题的出现，进而制约着冲击危险性评价向着客观充分、科学量化的方向发展。

笔者在上述背景之下，重新明确了冲击危险性评价的相关概念，以回归冲击危险性评价根本目的为原则，提出现有冲击危险性评价方法亟待改进的方向，重新给出了冲击危险性评价应作为一项系统工作贯穿于矿井全生命周期的定位，对冲击危险定性和定量评价的潜在方法进行了探讨和应用，为后续具体攻关方向的明确提供了有效支撑。

1 冲击危险性评价的基本特点

1.1 冲击危险性与相近概念的区别

岩爆危险性与冲击危险性的区别。岩爆概念多在隧道等岩土工程中提及，以开挖卸荷为主要诱发机制，包含应变型岩爆和滑移型岩爆[18]，其造成破坏的主体介质为岩石；冲击地压则隶属于煤矿领域，除卸荷外，煤矿回采作业所产生的系列化扰动，是区别于岩爆且更为主要的诱发源头，其类型包括煤层材料失稳、煤层结构失稳、顶板断裂、断层滑移等，造成破坏的主体介质为煤。二者本质均为邻空工作面大量弹性能的剧烈释放，各自的危险性也都集中在弹性能的衡量上，这也使得部分成果仍将二者作为同一概念使用，但考虑到二者主要发生场景和形成机制的确存在区别，并且国家监管层针对冲击地压已给出明确概念，将二者混为一谈或继续争论二者的包含关系已无必要，故倡议将岩爆及其相关概念划定于岩石隧道工程中，而将冲击地压及其相关概念划定于煤矿工程中。

冲击倾向性和冲击危险性。冲击倾向性的定义：煤岩体具有积聚变形能并产生冲击破坏的性质；冲击危险性的定义：煤岩体发生冲击地压的危害程度或危险程度[19-20]。冲击倾向性侧重于描述介质自身的固有属性，而冲击危险性则是系统考虑介质属性、地质构造、开采条件等因素后得出的综合性结论[21]，即冲击倾向性属于冲击危险性评价中的一环。与此对应，冲击倾向性可通过室内试验测定，而对于冲击危险性，严格意义上则应当综合矿井动、静态信息，并考虑各类信息间耦合联动作用后方可获得，但由于目前冲击地压机理层面仍有较多未解难题，在实际操作中，多通过综合指数法、可能性指数法获得。

冲击危险性评估和冲击危险性评价。二者均指向冲击危险性的获得，但面向的冲击地压防控阶段不同：评估工作主要在矿区总体规划、可行性研究及初步设计阶段开展，以煤层未开采、无法获得直接支撑数据为特点，其结论通常是趋势性的；评价工作主要是在矿井建设或正常开采期间开展，以能够获得直接的支撑数据为特点，需要基于实测给出明确结论。

1.2 冲击危险性评价的多尺度属性

由于应力连续分布于采掘空间的特征，冲击危险性的描述对象天然具有多尺度的属性。现行《防治煤矿冲击地压细则》(以下简称“细则”)中，涉及冲击危险性评价的尺度包括矿井、水平、煤层、采(盘)区、工作面、巷道及硐室，其中，矿井、煤层、采区及工作面的冲击危险性必须进行评价。对于评价结论，则主要包括冲击危险区域划分及对应区域的危险等级确定。对于后者，细则中明确给出了无、弱、中、强的划分，而对于冲击危险区域，则由于较多基本问题尚未解决，并未在细则中给出具体方法或要求。

冲击危险性评价的结论，对于监管监察和矿井生产都应当具有指导作用，且不同尺度的冲击危险性评价结果，在实现各自功能定位的前提下应当相互兼容、逐级支撑：

1)矿井整体尺度。该尺度同时包括冲击危险性的评估和评价，评估工作开展于矿井总体设计阶段，主要以周边矿井、地质普查或详查信息等为依据，需要定性给出矿井整体的危险等级及主控因素，给出冲击地压矿井类型[22]；评价工作则以煤层、工作面等评价结果为基础进行反向融合，给出矿井或更大尺度下冲击地压的综合风险，以指导不同层级的监管、监察工作。

2)区域尺度。该尺度主要包括煤层及采区的冲击危险性的评价，开展于矿井建设初步设计阶段，以煤层揭露、地应力测试和矿井地质精查信息为依据，需要给出依附于对应煤层的冲击危险区域划分及其等级，用于在初步设计中以低应力开采为原则，为采区划分、工作面布置等细节提供支撑，为后续生产奠定良好的基础应力环境。

3)局部尺度。该尺度主要包括工作面、巷道及硐室的冲击危险性评价，是冲击危险性评价工作的基础单元，为实际生产前相关措施的设计和执行提供最为具体和直接的支撑，需要给出具体的冲击危险区域及其等级，且在该尺度需要考虑冲击危险性的动态演化特征，即监测、预警。

2 冲击危险性评价存在的问题

冲击危险性评价作为冲击地压防控的直接支撑，其重要性是不言而喻的，但与冲击地压影响要素的多样性和发生机制的复杂性相比，现有冲击危险性评价仍存在以下问题。

1)评价指标间的相关性体现不充分。理论上能够对应力产生影响的要素均应列入冲击危险性评价的范畴，而相关成果也多关注于评价指标的扩充上，但冲击地压作为一个统一的物理过程，简单的罗列及权重加和显然无法充分描述各要素之间的相互作用，如评价煤柱宽度是否具有危险性，应同时考虑其与埋深、煤层厚度等因素的关系，采掘环境不同，煤柱的临界危险尺寸也应不同，退一步而言，即使为方便执行采用绝对值进行等级划分，但对应划分标准在基础研究或统计数据方面仍缺乏可靠支撑。将指标间的物理逻辑反映至评价工作中是目前冲击危险性评价工作面临的主要挑战。

2)冲击危险区域划分偏主观。危险区域划分作为冲击危险性评价中的核心内容，现有评价方法中却少有提及，在评价具体要素时，虽涉及距离、厚度等空间概念，但映射至结论中通常仅为与危险级别相关的数值，无法对危险区域划分形成支撑，执行过程中，危险区域范围通常由分析人员主观划定。该问题的解决势必需要以冲击危险性的量化表征为前提，目前有成果通过微震、地应力、地表沉陷等监测手段，在该方向做出了有益的探索，但由于监测数据与具体物理过程的对应性尚不清楚，致使在多要素融合时缺乏足够的支撑，进而制约着量化评价准确性的提高。

3)对于多要素和大数据的兼容性有限。目前主流的综合指数法包含了7项地质因素和11项开采因素，在定性指导生产中，该方法能够起到必要的支撑作用，但由于涉及要素的确有限，不仅在描述冲击地压复杂性方面捉襟见肘，在进行多尺度危险性评价时，通常也会由于可用指标有限而不得已重复使用，进而失去了多尺度评价的意义，同时，随着矿井“数字化”趋势的明确，能够为危险性评价提供的数据类型和数量也愈发充分，若仍局限于有限要素的简单评价，对于上述优势无疑是种浪费，大数据技术、智能化算法的引入将不可避免。

4)对于评价的认知脱离本源趋于刻板化。行业对于冲击危险性评价的重视程度极高，但由于上述基本问题的存在，实现冲击危险性评价指导实际生产的功能仍有难度，而客观需求的存在，使得冲击危险性评价工作不断诉诸于简单易操作的综合指数法、可能性指数法等，以至于该类方法已表现出了等价于冲击危险性评价的趋势，相关评价工作也趋于程序化，指导实际生产的原本定位则被弱化。冲击危险性评价报告不等于冲击危险性评价，应将其作为日常工作贯穿于矿井全生命周期，除基于构造、开采等静态信息进行采前评价外，开采过程中的动态监测数据也应当纳入冲击危险性评价工作中，以保证对于矿井全维度信息和逻辑的覆盖，回归其获取采掘空间具体区域危险程度的根本任务。

3 冲击危险性的定性评价

冲击危险性的充分获取以可靠的基础研究和充分的科学数据为前提，需要借助专门的工具或平台实现，然而，在实际生产过程中通常存在临时判断和决策的情况，为此，提出了对于冲击危险性定性评价的需求。

定性评价以不进行大量复杂计算为特征，但对于要素和信息则要求尽可能全面。现有冲击危险性定性评价方法主要包括工程类比、多因素叠加等，该类方法主要考察敏感要素的齐备性，如多因素叠加法，依据综合指数法中各要素在具体区域的赋存情况，多个要素叠加时，采用累积升级的原则，定性给出要素的危险等级和影响范围。

但正如前文所述，冲击地压作为受多种因素共同影响的物理过程，定性评价时除要求“要素齐备”外，各要素还应满足必要的逻辑才会导致冲击地压的发生，现有方法多关注“要素齐备”，对于“逻辑齐备”则关注不足。笔者将影响冲击地压的因素划分为3类，即物性因素、力源因素以及结构因素，并以此为基础，阐述了三类因素相互作用并形成冲击地压的基本逻辑，提出广义“三因素”理论[1]，并以此作为冲击危险定性分析的依据。

其中，物性因素指细观尺度范围内，能够在介质基本物理力学属性方面带来差异且难以改变的相关要素，如基本物质种类、位错结构、组分分布等；力源因素指依据具体作用机制，造成介质出现变形、破坏等系列力学行为，且具有实际物质基础的相关要素，如岩层悬顶后通过重力作用于煤体，开采卸荷导致重分布后的应力集中，坚硬顶板破断对采掘空间形成的扰动等；结构因素指天然或人为形成，能够破坏介质均匀性、连续性的相关要素及其组成的空间体系，如煤岩介质内的裂隙-结构面体系、地质构造、采掘活动形成的煤柱及井巷空间等。

对于冲击地压，其作为动力灾害应满足以下基本逻辑：①必然存在持续的能量补给源头；②必然需要依赖于介质的某些属性以保证能量形式为弹性变形能；③必然存在某种制约机制以保证弹性能积聚至失稳致灾的量级；④制约机制必然会在特定条件下失效以形成大量弹性能的突然释放。在广义“三因素”机理中，物性因素是最根本的基础，为后续一切力学行为提供底层支撑；力源因素是动力灾害发生的根本动力，其状态则是评价危险性的主要依据，兼具源头和结果的属性；结构因素是孕育和控制动力灾害的关键所在，能够为弹性能大量有效积聚提供制约机制[23]，而制约机制失效是动力灾害发生的直接原因。各因素的逻辑关系如图1所示。

图1 “三因素”逻辑关系Fig.1 “Three factors”logical relationship

在具体工况下，首先以地质资料、开采状况作为依据，判断三种要素的齐备性和量级水平，而后根据“三因素”的逻辑关系，重点判断物性要素的蓄能潜力、力源要素的持续性和结构要素的制约能力，若三种要素和对应逻辑均齐备，则应当作为重点关注区域采取相应措施。

4 冲击危险性的定量评价

4.1 冲击危险性定量评价基本类型

冲击危险性的定量评价是实现冲击地压最终有效防控的直接支撑。目前技术条件下的定量评价可归纳为2类。

1)以地质构造、开采因素等非数值信息为基础，借助数量化理论、多元统计分析等手段，完成各类要素的数值化和综合分析，主要面向采前静态冲击危险性的获取，如综合指数法等，但受限于探测手段，目前准确的矿井地质赋存情况仍无法充分获取并量化，进而使得在其影响下的开采因素力学效应亦未能被合理描述，由此造成该类方法在描述具体要素危险性时主观判定的影响仍然较大，使得该类方法更像是冲击危险性向数值的简单转换。

2)以微震、地应力等数据化信息为基础，基于1种或几种监测数据的演化特征进行预警，主要面向采中动态冲击危险性的跟踪[24,25]，如冲击地压监测预警平台等，不同类型监测数据都是对具体应力环境的间接描述，换言之，该类数据具有相同的本质，具备融合的基本前提，这也是目前冲击危险性量化评价的主要攻关方向，但该方法的核心问题在于数据质量难以保证，同时，现有数据融合多试图将不同尺度的各类型数据全部吸收，对于不同类型数据在覆盖尺度、物理内涵等方面的差异则选择了忽略，然而，这些差异本身也是信息，如此不加区别的融合对于数据反而是种浪费。

真正意义上的冲击危险性定量评价，很大程度上依赖于矿井的数字化，而数字化则需要冲击地压基础理论和探测手段的全方位提升，二者将分别从物理逻辑和基础数据方面实现对于矿井数字化的支撑，进而强化冲击危险性量化评价的可靠性。但这也并非意味着目前对于冲击地压的定量评价只能等待基础理论或探测手段的突破，其对于防控之所以重要，主要因为冲击危险性定量评价能够基于数据反映出矿井的差异性，是实现“一矿一策”防控要求的基本条件，与之对应的核心特征可描述为：以矿井自身数据，指导矿井自身生产。对于第1类定量评价，基础理论和探测手段对其数字化有着无法回避的根本性制约，而对于第2类定量评价，虽然在数据质量提升方面存在类似的问题，但由于天然具有数字化的优势，结合监测数据描述应力环境的本质，完全有条件基于纯数据在定量评价方面做出提升，以此弱化主观判定影响，发挥数据本身价值。

4.2 冲击危险性定量评价的改进

为此，针对第2类定量评价存在的问题，以监测数据在覆盖尺度上的差异为切入点，将微震作为区域性覆盖手段单独划分一类，挖掘每日微震频次这一可靠度最高的指标，而将应力、电磁辐射等监测数据，通过层次分析法与微震评价结果进行融合，并将融合结果仅表征在其覆盖的局部区域，以此在冲击危险性定量评价方面做出一定探索。

针对微震每日频次的纯数据挖掘，采用统计的方法进行危险等级划分，其主要依据在于：对于某一系统，其处于正常状态的时间将占其总运行时间的绝大部分，统计与系统运行具有因果关系的某指标数值频次，其占比最多的数值范围即为描述该系统正常状态的标准范围。在该理念下，采用统计学中所统计的数值频次分布特征通过偏态描述，主要分布形式如图2所示。

图2 危险等级划分示意Fig.2 Schematic of hazard classification

在进行具体数值危险等级划分时，以众数(频次出现最多的值)为等级划分起始点，认为当该指标的新数值偏离正常区间较多时，系统出现异常，依据偏离程度的大小实现对于危险等级的划分，定义异常系数ξ描述具体数值m偏离众数M的程度，同时为使得异常系数能够反映出造成异常的原因，不采用绝对值表示而保留其正负号，其计算方法如下

ξ=[(m-M)/M]×100%

(1)

其具体危险等级划分标准见表1。

表1 危险等级划分标准Table 1 Classification standard of hazard level

目前事件定位、能量级别等指标的计算精度，依赖于算法的可靠性，仍然有较大的优化空间，但微震频次却只依赖于事件的“有”和“无”，其可靠性反而优于其他指标，为此，以每日微震频次作为输入量，考察其显现特征，除具有划定预警标准的功能外，偏态的突然转变，一定程度上也能够反映危险性的增加。该方法对于其他可靠性较高的离散型数据同样适用。

对于应力、电磁辐射等局部监测手段，主要发挥其局部覆盖的特征，支撑对于冲击危险区域的具体划分，不强行融合至工作面的整体危险性评价中。该方法的确定主要基于长期的现场观察：多数冲击地压矿井均配有多种监测手段，且在局部区域内通常安装有多种传感器，因此，对于局部区域而言，虽然单一传感器的数据量有限，但可通过数据类别的增加弥补单一数据量的不足，实现对局部区域的可靠评价。

基于传感器的具体布置方式，以覆盖工作面为前提，在保证每个局部区域内包含3个以上数据源(建议优先采用不同类型的数据源)的前提下，依据测点位置对工作面进行划分，如图3所示。

对于监测手段的集成，则应当以“一孔多用”等为原则，在保证各监测手段有效性的前提下，实现监测手段对于空间占用的最小化，对于数据融合算法，则可利用层次分析、神经网络、贝叶斯估计等成熟算法实现，此处不再赘述。

需要强调的是，冲击危险性定量评价并不意味着方法或指标的复杂化，因冲击地压以现场有效防控为目的，合适的操作门槛也应列入量化评价的考量之中，只要满足以矿井自身数据，指导矿井自身生产的特征，即可纳入定量评价的范畴。上述方法依赖于原始数据，在基础理论或者探测手段取得突破的情况下仍然适用，且易于现场操作，如能够设计综合描述能力更好的指标，其效果将进一步提升。

图3 局部区域划分示意Fig.3 Schematic of local area division

此外，基于现场监测完成的冲击危险性评价固然能够保证结果的真实性，但由于探测手段短期内确实无法实现全空间覆盖，因此，随着我国对自主计算机辅助工程技术的再次重视，将具有可靠物理逻辑的数值运算也列入冲击危险性的定量评价手段之中是十分必要的。

5 冲击危险性评价工程实例分析

5.1 定性分析实例

对于定性分析，通过事故案例叙述其使用方法及定位。山东某冲击地压煤矿，在其综放工作面终采线外180～310 m的三岔口发生了一起底板冲击地压事故，造成2人死亡，事故地点埋深超1 000 m，且发生前1天附近工作面已停采，无明显扰动。该次事故特征包括：①无明显扰动，说明造成事故的主体能量来源于煤体自身的积聚，而不是外部动载；②没有微震前兆，说明事故前煤体内没有明显的破裂行为发生，即煤体正在以较为完整的状态持续积聚弹性能；③事故能量释放量极大，结合前两点，说明单纯在外部静载作用下，煤体即以较为完整的状态产生了较大的变形，以致内部弹性能积聚到危险的致灾量级，同时，可以注意到事故发生区域的煤体，已经被多条巷道切割为四面独立的菱形孤岛结构，由此进一步增加了煤体内能量积聚的量级。

基于定性分析的方法：矿井煤层具有强冲击倾向性，为弹性能大量积聚提供了可靠的物性因素；事故地点埋深超过1 000 m，且矿井断层达500条以上，分布极为密集，由此为弹性能的积聚提供了持续且水平较高的力源因素；事故地点煤体被多条巷道切割为四面独立的菱形孤岛结构，形成了对于弹性能积聚有效制约的结构因素，同时，大埋深下煤体蠕变破坏为制约机制的失效提供了路径。

综上，事故地点符合定性评价中“要素齐备”和“逻辑齐备”的标准，理应进行深度的卸压解危，但惯性思维认为，冲击地压通常发生于具备明显扰动的区域，故并未开展对应的防控工作，进而导致了事故的发生。

5.2 定量分析实例

大安山煤矿位于京西山区之中，其地质构造极为复杂，与之对应的是同样复杂的应力环境，矿井对冲击地压防控高度重视，配备了较为全面的监测设备，包括微震、钻孔应力计、电磁辐射等。

对于具备区域覆盖能力的微震监测，统计分析2018年9月1日至10月31日的每日微震事件频次，统计结果如图4所示，区间为左闭右开。

图4 每日微震频次统计Fig.4 Daily micro-seismic frequency statistics

由图4可得，该周期内每日出现5～10次微震事件的情况最为频繁，因此，将其定为预警标准，远离该区间过多，无论低于或是高于，均按照预警处理。

对于具备局部覆盖能力的应力、电磁辐射监测，则基于传感器分布完成了局部区域划分，同时，由于数据融合涉及大量运算，采用层次分析法对数据进行融合，并通过将不同局部区域的融合结果归一化，完成了工作面各局部区域相对危险等级的划分。

在上述冲击危险性定量评价方法的支撑下，配合防控解危措施的执行到位，大安山煤矿已于2018年平安退出。

6 结 论

1)冲击危险性评价是将冲击地压抽象的能量本质具象化的关键环节，其包含冲击危险区域识别和冲击危险等级划分等内容，其与岩爆危险性、冲击倾向性鉴定、冲击危险性评估的概念是不同的，应力是描述冲击危险性的关键物理量。

2)冲击危险性评价天然具有多尺度属性，主要包括矿井整体尺度、区域尺度和局部尺度，各尺度对应的功能定位和实现方法存在差异，且各级结果应相互兼容、逐级支撑。

3)冲击危险性评价目前存在评价指标间的相关性体现不充分，冲击危险区域划分偏主观，对多要素和大数据的兼容性有限，对评价的认知脱离本源趋于刻板化的问题，其根源在于基础理论的不完善。

4)对于冲击危险性的定性评价给出了冲击地压广义“三因素”机理予以支撑，并提出同时满足“要素齐备”和“逻辑齐备”是完成冲击危险定性评价的标准。

5)针对冲击危险性定量评价进行了类型划分，指出真正意义上的定量评价需要依赖于矿井数字化，而数字化需要借助冲击地压基础理论和探测手段的全方位提升，提出以矿井自身数据，指导矿井自身生产作为冲击危险性定量评价的标准，并给出了探索性的定量评价改进方法。