煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究.pdf

第 44 卷第 1 期煤炭学报Vol．44No．1 2019 年1 月 JOUＲNAL OF CHINA COAL SOCIETYJan．2019 移动阅读 谭云亮， 郭伟耀， 辛恒奇， 等．煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究［ J］ ．煤炭学报， 2019， 44 1 160－ 172．doi 10．13225/j．cnki．jccs．2019．5088 TAN Yunliang， GUO Weiyao， XIN Hengqi， et al．Key technology of rock burst monitoring and control in deep coal min- ing［ J］ ．Journal of China Coal Society， 2019， 44 1 160－172．doi 10．13225/j．cnki．jccs．2019．5088 煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究 谭云亮 1， 2 ， 郭 伟耀 1， 2 ， 辛 恒奇 3 ， 赵 同彬 1， 2 ， 于 凤海 1， 2 ， 刘 学生 1， 2 1．山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地， 山东 青岛 266590;2．山东科技大学 矿业与安全工程学院， 山东 青岛 266590;3．山东能源新汶矿业集团有限责任公司， 山东 泰安271233 摘要 针对煤矿深部开采冲击地压监测防治难题， 采用理论分析、 数值模拟、 室内试验和现场监测相 结合的综合研究方法， 研究了深部应变型、 断层滑移型和坚硬顶板型 3 类冲击地压的致灾机理， 提出 了煤岩组合冲击能速度指数和卸围压冲击能速度指数两个新指标， 建立了与冲击地压类型相适应的 煤岩冲击倾向性评价体系， 获得了深部开采 3 类冲击地压的前兆信息特征， 给出了以深部开采冲击地 压类型为导向的监测预警及组合式卸压解危方法， 研发了钻孔施工与预警同步一体化技术。结果表 明 ① 深部应变型冲击地压是围岩系统能量积聚大于能量释放与耗散之和的结果; 与浅部开采相比， 深部坚硬顶板破断释放的变形能明显增大， 以及深部断层更易发生错动滑移; ② 深部应变型和深部 坚硬顶板型冲击地压的冲击倾向性评价需在国家标准基础上分别增加卸围压冲击能速度指数、 煤岩 组合冲击能速度指数， 而对于深部断层滑移型冲击地压， 这两个指标均需增加; ③ 深部应变型和深部 坚硬顶板型冲击地压监测预警应以能量和应力判据为主， 但深部断层滑移型冲击地压应以能量判据 为主; ④ 深部应变型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、 大直径钻孔、 断底和煤层注水; 深部 坚硬顶板型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、 深孔断顶爆破、 大直径钻孔、 断底和煤层注水; 深部断层型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、 大直径钻孔和煤层注水; ⑤ 采用钻孔施工与 预警同步一体化技术， 可在钻孔施工过程中通过监测煤粉量和应力变化信息， 对施工过程中可能发生 的冲击危险进行同步预警。煤矿深部开采冲击地压防治作为一个复杂的系统工程， 以科学分类为基 础的系统防治技术体系仍是深部开采冲击地压需要重点攻关的研究方向。 关键词 深部开采; 冲击地压; 分类; 机理; 监测预警; 防治 中图分类号 TD324文献标志码 A 文章编号 0253－9993 2019 01－0160－13 收稿日期 2018－12－01修回日期 2019－01－15责任编辑 毕永华 基金项目 国家重点研发计划资助项目 2016YFC0801401 ; 山东省自然科学基金重大基础研究资助项目 ZＲ2018ZA0603 ; 泰山学者优势特 色学科人才团队支持计划资助项目 作者简介 谭云亮 1964 ， 男， 山东临朐人， 教授， 博士生导师。E－mail yunliangtan 163. com 通讯作者 郭伟耀 1990 ， 男， 山西朔州人， 讲师。E－mail 363216782 qq. com Key technology of rock burst monitoring and control in deep coal mining TAN Yunliang1， 2， GUO Weiyao1， 2， XIN Hengqi3， ZHAO Tongbin1， 2， YU Fenghai1， 2， LIU Xuesheng1， 2 1．State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Cofounded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology， Shandong U- niversity of Science and Technology， Qingdao266590， China;2．School of Mining and Safety Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao266590， China;3．Shandong Energy Xinwen Mining Group Co．， Ltd．， Taian271233， China Abstract Ｒock burst mitigation and monitoring is a challenge during deep coal mining．Theoretical analysis， numerical simulation， laboratory tests and field monitoring are all used for researching this issue．First， the occurrence mechanisms of three types of rock burst i．e．， strain rock burst， fault slip rock burst and hard roof rock burstare researched．Sec- ond， two new burst liability inds are proposed to improve the uation system of burst liability， which makes the 第 1 期谭云亮等 煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究 burst liability uation system more suitable for deep coal mining．Third， the precursor ination characteristics of the three rock burst types are given．Forth， the corresponding monitoring- warning and combined pressure relief s are proposed．At last， synchronization technique of drilling and monitoring is developed．Main conclusions are as fol- lows ① Deep strain rock burst is the result that the energy accumulation of surrounding rock system is larger than that of superposition of energy release and energy dissipation．Compared with shallow mining， the released energy of deep hard roof fracturing increases and deep fault slips more easily．② When uating burst liability of deep strain rock burst and hard roof rock burst， burst energy speed inds of unloading confining pressure and combined coal- rock need to be added except the national standard， respectively．For deep fault slip rock burst， the two new inds are all need to be added．③ Monitoring and warning of deep strain rock burst and deep hard rock burst should depend on en- ergy and stress criteria， while for deep fault slip rock burst， energy criterion is the priority．④ Priorities for mitigating deep strain rock burst are protective seam mining， large- diameter drilling， floor fracturing and water infusion．Priorities for hard roof rock burst are protective seam mining， roof fracturing， large- diameter drilling， floor fracturing and water infusion．Priorities for fault slip rock burst are protective seam mining， large- diameter drilling and water infusion．⑤ When using the synchronization technique of drilling and monitoring， drilling powder and stress change can be moni- tored for potential burst warning during drilling process．System establishment of control technique based on scientific classification still will be the direction of future research． Key words deep mining; rock burst; classification; mechanism; monitoring and warning; prevention 冲击地压指井巷或工作面周围煤岩体， 由于弹性 变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象， 常伴有煤岩体抛出、 巨响及气浪等， 具有很强的破坏 性［1－4 ］。随着我国煤矿开采强度和开采深度不断增 加， 冲击地压灾害已经成为威胁煤矿安全生产的重大 灾害之一 ［5－6 ］。据不完全统计， 全国冲击地压矿井数 量由 1985 年的 32 个增加到现在的 180 多个， 其中近 50 个矿井开采深度达到或超过 1 000 m［7－8 ］ ， 冲 击地 压发生频率和烈度均有显著增加。 煤层开采达到一定深度后， 一方面， 煤岩体性质 将由弹脆性向黏弹塑性转变， 使得能量积聚方式由线 弹性转变为黏弹非线性， 尤其是深部高围压下煤岩积 聚的能量远高于浅部［5， 9 ］ ; 另 一方面， 煤岩体能量释 放方式向非线性转变， 此时能量释放无法通过一次性 卸压来完成， 需多次甚至持续性卸压让黏弹性变形能 释放。当开挖卸荷尺度过大时， 易导致积聚的高弹性 能突发性释放， 如“蠕变型” 冲击地压便是深部开采 冲击地压的一种形式［10 ］。特别是当上覆厚层坚硬顶 板断裂、 断层活化等产生动载作用于积聚高能量的采 掘围岩时， 极易造成强冲击 ［7， 11 ］。因此， 深部冲击地 压监测防治难度更大， 必须针对“深部” 的特点开展 冲击地压监测预警与卸压解危研究。 针对煤炭冲击地压发生与防治机理问题， 部分 学者围绕深应力场和能量场的动态演化开展研究， 并引入非线性理论、 损伤理论、 断裂力学理论等建 立了煤岩冲击失稳模型［12－16 ］。在煤岩冲击倾向性 研究方面， 大家逐渐认同以煤岩组合体力学特性为 依据的冲击倾向性评价方法［17－22 ］。冲击地压监测 预警是冲击地压防治的基础， 钻屑、 应力监测、 声发 射、 电磁辐射、 微震、 震动波 CT 等监测技术和设备 已取得了长足发展［23－29 ］ ， 对 冲击地压监测预警起到 了积极作用。由于深部开采冲击地压复杂性， 采用 多参量联合监测成为预测预警的发展方向［7， 30－32 ］。 关于冲击地压卸压解危， 可从两个方面入手， 一是 通过改变煤岩体结构和物理力学性能， 减小煤层冲 击倾向性; 二是降低静载应力集中程度， 使高应力 区域向煤壁深部转移。常用卸压解危技术包括开 采保护层、 无煤柱开采、 煤层注水、 大直径钻孔、 断 顶爆破等［33－42 ］， 这些技术可有效降低采掘空间附近 围岩区域应力集中程度。 与浅部开采相比， 深部开采冲击地压成因及其防 治更为复杂， 主要体现在 一是高地应力， 煤岩积聚能 量及破坏释能模式发生变化， 常规的冲击倾向性指标 体系无法完全满足深部煤层冲击倾向性评价; 二是以 深部开采冲击地压类型为导向的多参量联合监测预 警方法和卸压解危技术体系尚未建立起来， 以及在钻 孔过程中可能会发生冲击地压。针对深部开采冲击 地压防治难题， 研究深部应变型、 断层滑移型和坚硬 顶板型 3 类冲击地压的致灾机理， 建立与冲击地压类 型相适应的煤岩冲击倾向性评价体系， 提出以深部开 采冲击地压类型为导向的监测预警及组合式卸压解 危方法， 以及研发钻孔施工与监测预警同步化技术， 以期为深部开采条件下冲击地压的监测解危研究提 供理论及技术参考。 161 煤炭学报 2019 年第 44 卷 1深部开采冲击地压致灾机理及类型 根据深部煤岩体赋存环境、 力学性质和冲击地压 主要影响因素 ［5－6 ］ ， 也 可将深部开采冲击地压分为应 变型、 断层滑移型和坚硬顶板型 3 类， 但其致灾机理 与浅部煤岩具有很大不同。 图 1流变试验结果及深部围岩非线性黏弹塑性本构模型 Fig. 1Ｒheological test results and nonlinear visco- elastoplastic constitutive model 1. 1深部应变型 煤岩体在深部高应力作用下将发生脆－延转化， 表现为持续的强流变性， 可视为黏弹塑性介质 ［5 ］。 深部采掘工程扰动后， 采掘空间附近围岩应力重新分 布， 在高应力作用下发生黏弹性或黏弹塑性流变， 基 于 Kelvin， Burgers 等模型 ［43 ］ ， 结 合室内不同应力水平 下砂岩的分级流变试验结果， 构建深部围岩非线性黏 弹塑性本构模型， 具体如图 1 所示， 其中曲线 b， c 的 表达式分别为 ε t 1 E1 1 E2 1 － e － E2 η1t [] σ0 σ0－σs1 η2 t， σs1≤ σ0≤ σs2 1 ε t 1 E1 1 E2 1 － e － E2 η1t [] σ0 σ0－σs1 η2 t σ0－σs2 η3 tn ， σ 0≥ σs2 2 式中， t 为流变时间; σ0为模型总应力; σs1 ， σ s2为模型 塑性参数; E1， E2为模型弹性参数; η1 ， η 2 ， η 3为模型黏 性参数; n 为流变指数， 大于 1 的整数。 图 2流变数值模型及不同流变时间下支承压力演化规律 Fig. 2Creep numerical model and abutment stress evolution law under different creep time 采掘扰动后围岩积聚能量主要表现为 2 个特征 一是在矿山压力作用下围岩应力重新分布， 围岩内能 量积聚明显大于能量释放与耗散之和， 造成围岩破 坏; 二是破坏围岩积聚的弹性应变能缓慢释放并驱动 围岩深部产生塑性变形， 到一定围岩深度后受高应力 作用， 这一过程到一定深度后会受到阻碍［10 ］ ， 造 成此 区域应力集中不断增大。参考文献［ 44］的模拟方 法， 建立了如图 2 a 所示的流变数值模型， 研究不同 流变时间作用下煤壁的支承压力演化规律， 结果如图 2 b 所示。随着流变时间增加， 支承压力峰值向围 岩深部转移到一定深度后受到阻碍， 且支承压力峰值 261 第 1 期谭云亮等 煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究 逐渐增大， 如当流变时间从 0. 1 a 增大道 0. 5 a 时， 最 大应力集中系数从 1. 4 大到 1. 6。 根据上述结果， 可将深部应变型冲击地压的发生 机制描述为 深部开采巷道围岩在采掘扰动下围岩应 力重新分布， 围岩破坏深度逐渐增大直至稳定后， 在 高应力作用下应力集中程度不断增大， 甚至进入流变 状态， 结合图 1 可知， 此时围岩的应变会呈非线性快 速增大， 即积聚的能量会快速增多， 当围岩积聚的能 量大于其释放能量与耗散能量之和时， 就会发生深部 应变型冲击地压， 具体如图 3 所示。 图 3深部应变型冲击地压发生机制 Fig. 3Occurrence mechanism of deep strain rock burst 1. 2深部坚硬顶板型 随着开采深度增加， 不仅煤体积聚的弹性应变能 增多， 且由于坚硬顶板的厚度及悬顶长度增加， 其积 聚的弯曲变形能也呈快速增加趋势。参考文献［ 45］ 的模拟方法， 建立了如图 4 所示的 FLAC3D 岩梁数值 模型， 研究岩梁长度及厚度对岩梁能量积聚的演化规 律， 结果如图 5 所示。岩梁积聚能量随着岩梁长度或 厚度的增大而呈非线性增大趋势， 当岩梁长度从 20 m 增大到 40 m 时， 积聚能量从 0. 78 MJ 增大到 6. 57 MJ; 当岩梁厚度从 2 m 增大到 4 m 时， 岩梁积聚 能量从 1. 82 MJ 增大到 4. 98 MJ。 图 4不同长度及厚度的岩梁数值模型 Fig. 4Numerical models of rock beam with different lengths/thicknesses 图 5岩梁积聚能量与长度及厚度的关系 Fig. 5Ｒelationship between energy accumulation and rock beam length/thickness 浅部开采条件下， 取坚硬顶板厚度、 悬顶长度为 H1， L1; 深部开采条件下， 取坚硬顶板厚度、 悬顶长度 为 H2， L2， 有 H1＜H2， L1＜L2 ， 则 可给出如图 6 所示的开 采深度影响下坚硬顶板及煤层能量积聚示意图。浅 部开采时煤层、 顶板积聚的应变能分别为 E1， E2 ， 而 深部 开 采 时 积 聚 的 能 量 会 分 别 增 加 到 E1 ΔE 1 ， E2 ΔE 2 。 由岩体破坏的最小能量原理可知 ［46 ］ ， 无 论岩体 处于何种应力状态， 一旦失稳， 破坏启动， 其破坏真正 需要消耗的能量总是单向应力状态的破坏能量。当 坚硬顶板破断时， 浅部开采条件下煤岩系统自身存储 的弹性能能够缓慢有效释放， 整个煤岩系统处于动态 平衡状态; 随着开采深度增加， 煤系统中增加的能量 ΔE 1和 ΔE2将打破原有的动态平衡状态， 但煤岩破坏 消耗的能量是一定的， 也就是说系统中新增的两部分 能量将主要转换为煤体抛出的动能， 更易形成冲击地 压。据此， 可给出如图 7 所示的深部坚硬顶板致冲机 制。 1. 3深部断层滑移型 断层滑移型冲击地压是由于采矿活动引起断层 相对错动而猛烈释放能量的现象。在受开采扰动前， 煤岩体内任意点的应力都是平衡的， 假设断层滑移面 的抗剪强度及其面上的剪应力分别为 τT， τ， 判定断 层是否发生滑移的条件［47 ］可表示为 τT ≤ τ断层不滑移 ＞ τ 断层滑移 { 3 无外界开采扰动时， 断层滑移面上的剪应力小于 其抗剪强度， 断层不发生滑动; 受采掘影响， 易导致断 层滑移面上的剪应力增大或抗剪强度减小， 使断层滑 移面上的剪应力大于其抗剪强度， 造成断层发生滑 移， 产生冲击地压。 深部开采条件下断层构造有两个特点 一是与浅 部开采相比， 断层区域构造应力明显增大; 二是断层 切割的煤岩力学性质差异性远大于浅部开采， 采掘影 361 煤炭学报 2019 年第 44 卷 图 6开采深度影响下坚硬顶板及煤层能量积聚示意 Fig. 6Sketch of hard roof and coal seam energy accumulation under the influence of mining depth 图 7深部坚硬顶板致冲机制 Fig. 7Burst mechanism induced by hard roof 图 8断层数值模型及不同埋深下断层区域的原岩 应力演化规律 Fig. 8Numerical model of fault and stress evolution law under different buried depth 响下应力集中程度更高。为了验证“深部断层区域 的构造应力大于浅部” 这一结论， 建立了如图 8 a 所 示的 FLAC3D 断层数值模型， 研究不同埋深下断层区 域的应力演化规律， 结果如图 8 b 所示。断层构造 区域的最大构造应力和应力梯度均随埋深的增加而 增大， 如埋深从 600 m 增大到 1 000 m 时， 最大应力 从 15. 75 MPa 增 加 到 26. 06 MPa、应 力 梯 度 从 2. 91 MPa 增大到 4. 36 MPa。以埋深 800 m 为例， 对 断层上盘进行回采， 得到了距断层不同距离时工作面 的超前支承压力演化规律， 具体如图 9 所示。随着工 图 9距断层不同距离时工作面超前支承压力演化规律 Fig. 9Abutment pressure evolution law under different distances between fault and longwall face 作面回采， 当工作面距离断层由 50 m 减小到 10 m 时， 支 承 压 力 应 力 峰 值 从 32. 5 MPa 增 大 到 51. 8 MPa。 根据上述研究结果， 得到如图 10 所示的深部断层 滑移型冲击地压发生机理。以工作面由正断层上盘向 断层回采时为例， 回采引起煤壁前方支承压力增大， 而 深部断层构造区区域的应力集中又远高于浅部， 随着 工作面回采接近断层， 在二者叠加作用下， 更易造成煤 体承载力降低、 断层带剪应力增大， 造成断层带剪应力 超过其抗剪强度， 断层发生错动滑移， 对工作面煤体产 生冲击， 导致深部断层滑移型冲击地压发生。 2深部开采煤岩冲击倾向性评价 受深部复杂应力环境和煤岩体力学性质改变的 影响， 现有冲击倾向性评价指标体系存在不同程度高 估或低估现象， 无法完全满足深部开采煤层冲击倾向 性评价要求。 2. 1冲击倾向性指标 冲击地压发生需要煤岩体满足一定物性条件， 即 461 第 1 期谭云亮等 煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究 图 10深部断层滑移型冲击地压发生机理 Fig. 10Occurrence mechanism of deep fault slip rock burst 煤岩具有冲击倾向性［48－51 ］。为定量衡量煤岩冲击倾 向性大小， 我国 2010 年制定以动态破坏时间 DT 、 弹性能量指数 KE 、 冲击能量指数 WET 和单轴抗压 强度 ＲC 为核心的煤岩冲击倾向性评价的国家标 准。但这些指标在应用过程中具有一定局限性， 动态 破坏时间无法反映煤岩破坏过程中的能量关系; 弹性 能量指数不能反映煤岩破坏释放能量和破坏所需能 量之间的关系; 冲击能量指数无法反映煤岩破坏过程 中转化成动能的剩余能量大小， 以及没有考虑塑性变 形过程中所消耗的能量。冲击地压是顶底板及煤层 在原岩应力和矿山采动应力共同作用下力与能量不 连续传递的结果， 其发生不仅取决于煤岩属性， 而且 与煤岩组合形式、 应力环境、 围岩性质等因素有着密 切关系 ［17－22 ］。基于此， 提出了煤岩组合冲击能速度 指数和卸围压冲击能速度指数两个冲击倾向性指标。 1 煤岩组合冲击能速度指数。 顶板岩层与煤层具有不同的受载变形特征， 在外 力加载下， 煤体首先破坏， 进而导致顶板岩层发生回 弹并释放弹性变形能， 加速煤体破坏， 采用单一的煤 岩冲击倾向性指标无法准确评价煤层冲击倾向性。 煤岩破坏过程中单位时间内释放的剩余能量表征了 单位时间内弹性能转化为动能的多少， 也反映出了冲 击倾向性强弱， 进行冲击倾向性评价需考虑能量因素 和时间效应。在综合考虑煤岩组合体的尺寸效应、 加 载过程中的相互作用和破坏过程中释放能量的时间 效应影响下， 提出了煤岩组合冲击能速度指数 WZT， 其计算式 ［52 ］如下 WZT h2QSEＲ1 h 3QSEＲ2 h 1QSEC h1FXDT 4 式中， h1， h2， h3分别为组合体试样中煤的高度、 顶板岩 石高度和底板岩石高度; QSEＲ1， QSEＲ2和 QSEC分别为组合 体试样破坏时顶板岩石、 底板岩石与煤内积聚的弹性 应变能; FX为组合体试样中煤体破坏消耗的能量。 煤岩组合冲击能速度指数反映了煤岩组合体试 样破坏时释放能量的能力， 该指数越大， 冲击越强。 参考文献［ 53］划分煤岩单体的方式， 将煤岩组 合冲击能速度指数的界限值近似表示为 WZT＜3 时， 无冲击倾向性; 当 3≤WZT＜100 时， 弱冲击倾向性; 当 WZT≥100 时， 强冲击倾向性。以某矿 13 煤为例， 进 行煤岩组合体单轴压缩试验， 测试冲击能速度指数， 结果如图 11 所示。采用式 4 计算得出该煤层煤岩 组合冲击能速度指数为 112. 8， 具有强冲击倾向性。 图 11煤岩组合冲击能速度指数测试 Fig. 11Calculation sketch for combined coal- rock impact energy speed index 2 卸围压冲击能速度指数。 考虑到深部高应力集中及高能量积聚对冲击地 压发生起到主控作用， 以及室内三轴卸围压试验能够 再现深部冲击发生过程， 提出了卸围压冲击能速度指 数 WST ， 其 计算式如下 WST σ21c 2σ 2 3c ∫ ε1r ε1cσ 1 dε 1 2 ∫ ε3r ε3cσ 3 dε 32EDT 5 式中， σ1c为卸围压前的最大轴向应力; σ3c为卸围压 前的最大围压， 即初始水平地应力 σh; E 为煤体弹性 模量; ε1c为卸围压前的最大轴向应变; ε3c为卸围压前 的侧向应变; ε1r为轴向残余强度初始点处的应变; ε3r 为侧向残余强度初始点处的应变。 参考相关试验和现场经验， 初步确定卸围压冲击 能速度指数 WST的界限值为 当 WST＜6 时， 无冲击倾 向性; 当 6≤WST＜180 时， 弱冲击倾向性; 当 WST≥180 时， 强冲击倾向性。 561 煤炭学报 2019 年第 44 卷 3 评价指标体系。 煤岩组合冲击能速度指数考虑了煤岩介质能量 积聚与释放的差异性， 根据煤层所处岩层环境判断其 冲击倾向性， 能减小使用传统指标评价时产生的误 差; 卸围压冲击能速度指数充分考虑了深部高应力对 冲击地压发生的主控作用， 特别适用于深部煤岩冲击 倾向性判定。据此， 对原有冲击倾向性评价指标体系 进行了完善， 使之更适合深部冲击倾向性评价， 具体 见表 1。 表 1深部煤岩冲击倾向性新评价指标体系 Table 1New burst uation system for deep coal mining 指标无冲击倾向性弱冲击倾向性强冲击倾向性备注 动态破坏时间 DT/sDT＞50050＜DT≤500DT≤50 弹性能量指数 WETWET＜22≤WET＜5WET ≥5 国家标准 冲击能量指数 KEKE＜1. 5 1. 5≤KE＜5KE ≥5 单轴抗压强度 ＲC/MPaＲC＜77≤ＲC＜14ＲC≥14 煤岩组合冲击能速度指数 WZTWZT＜33≤WZT＜100WZT≥100 新增 卸围压冲击能速度指数 WSTWST＜66≤WST＜180WST≥180 针对深部开采 3 类冲击地压致灾机理不同， 建立 与深部开采冲击地压类型相匹配的冲击倾向性评价 指标体系， 具体如下。 深部应变型冲击地压 在深部高应力作用下围岩 内积聚大量弹性能， 一旦卸围压， 弹性能将迅速释放 造成冲击灾害， 需在国家标准基础上增加“卸围压冲 击能速度指数” 。 深部坚硬顶板型冲击地压 深部坚硬顶板在采空 区的悬露面积远大于浅部， 积聚的能量更多， 突然断 裂时将向煤岩系统输入大量能量， 使煤体迅速破坏造 成冲击灾害， 可见深部条件下坚硬顶板与煤体组合的 差异性对冲击程度影响更为突出。因此， 在国家标准 的基础上需增加 “煤岩组合冲击能速度指数” 。 深部断层滑移型冲击地压 当断层活化时， 高叠 加应力在断层附近顶板内积聚的大量弹性能突然释 放并促使断层加速滑移， 造成煤体迅速破坏形成冲击 灾害， 冲击形式与深部坚硬顶板型冲击地压类似， 而 浅部断层活化时顶板与煤体差异性对冲击程度影响 较小; 当断层不活化时， 深部断层附近顶板因高叠加 应力积聚的弹性能远高于浅部断层， 在卸荷作用下会 迅速释放， 冲击形式与深部应变型冲击地压类似。因 此， 在国家标准基础上需增加“煤岩组合冲击能速度 指数” 和 “卸围压冲击能速度指数” 。 2. 2冲击倾向性最优模糊评价方法 传统的模糊评价方法一般采用线性加权平均， 使 评判结果趋于平均化， 评判结果可靠性差， 尤其是进 入深部开采后评价指标较多且所占权重不同。为克 服深部开采冲击倾向性评价指标权重人为影响， 各类 型冲击地压的评价指标权重应采用最优模糊评价方 法确定， 即在确定评价因素的评价等级和权值基础 上， 构造模糊评判矩阵， 确定评价对象的所属等 级 ［54 ］。根据 5 个冲击倾向性指标和 3 个冲击倾向性 等级分类， 可建立如式 6 所示的标准指标隶属度矩 阵 S53 ， 而 根据式 7 可得到以 uj为权重的加权广义 欧氏距离 Dj。 S53 S11S12S13 S21S22S23 S31S32S33 S41S42S43 S51S52S53                 6 Dj u j∑ 5 i 1 ［ Wi ri － S ij ］ 2 {} 1 2 7 式中， r r1， r2， r3， r4， r5 T 为样本规格化后隶属度向 量; u u1， u2， u3 为 隶属度向量; W W1， W2， W3， W4， W5 为样品 j 的 5 个指标权向量。 为了求解最优归类隶属度向量， 假设目标函数为 样品 j 对于类别上限值 a1至下限值 a2的加权广义欧 氏距离平方和最小， 则有 min{ F uj} min∑ a2 j a1 u2 j∑ n i 1 ［ Wi ri － S ij ］ 2 {} 约 束条件∑ a2 j a1 uj 1 8 进一步， 通过构造拉格朗日函数， 求得样品 j 对 a1至 a2类的最优隶属度理论模型 ujD2 j∑ a2 j a1 D －2 j[] －1 9 根据式 9 的最优模糊识别模型， 可对深部冲击 倾向性进行最优模糊评价。以某矿 10 煤为例， 该区 域煤层位于向斜轴部， 构造应力大， 易发生应变型冲 661 第 1 期谭云亮等 煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究 击地压。通过试验测试得到各冲击倾向性指标为 DT423 ms 弱， WET5. 332 强， KE 2. 632 弱， ＲC27. 28 MPa 强， WST 138。按照最优模型识别 模型计算求得各分类隶属度为 u1 0. 01， u2 0. 37， u30. 61， 根据最优隶属原则判定该煤层具有强冲击 倾向性。 3深部开采冲击地压监测预警 大量实践表明， 深部 3 类冲击地压前兆信息差异 性大， 建立与深部三类冲击地压相适应的监测预警方 法， 能够更好实现对深部冲击地压的可靠预警。 3. 1深部应变型 深部应变型冲击地压是煤岩系统在变形过程中 的能量稳定态积聚、 非稳定态释放的非线性过程， 煤 岩体应力及积聚弹性能较大。冲击发生前， 煤体应 力、 钻屑量、 电磁辐射强度等信号持续升高， 而微震呈 现多微破裂事件、 振荡变化， 但微震事件频次和能量 均较小。因此， 建议以应力在线法和钻屑法监测为 主、 电磁辐射和声发射监测为辅， 用应力或钻屑量增 量梯度进行预警。 阳城煤矿 1304 工作面为典型的两侧采空孤岛工 作面， 易发生深部应变型冲击地压， 采用应力在线和 电磁辐射监测系统进行监测预警。阳城煤矿 1304 工 作面 2012 年 8 至 9 月的应力和电磁辐射监测结果如 图 12 所示。从图 12 a 可以看出， 两次冲击地压发 生前， 煤体应力和应力增量梯度均产生持续增大现 象; 而冲击发生后， 应力和应力增量梯度均产生突降 现象， 而后应力梯度增量进入平稳期状态， 煤体应力 持续缓慢升高， 煤体再次进入能量积聚期。从图 12 b 可以看出， 两次冲击地压发生前， 煤体电磁辐 射强度值和脉冲数均持续升高， 且升高幅度较大， 均 达到甚至超过正常值的数倍左右， 这是因为该时期内 煤体应力急剧升高， 高应力使得煤体内部破裂和摩擦 加剧， 进而产生较强烈的电磁辐射信号。该现象表 明， 深部应变型冲击地压发生前通常存在一个煤体应 力持续升高期。 图 12阳城煤矿 1304 工作面应力及电磁辐射监测结果 Fig. 12Monitoring results of stress and electromagnetic radiation in No. 1304 mining face 3. 2深部坚硬顶板型 深部坚硬顶板型冲击地压是顶板随工作面回采 不断发生离层并产生大量微破裂， 超过其极限状态时 突然断裂失稳破坏的过程。在释放大量能量同时， 应 力会从静态到动态突然转变。冲击发生前， 微震或声 发射事件的能量和频率均增大， 且煤体应力或钻屑量 也呈增大趋势。因此， 建议采用微震法监测顶板破裂 事件增加作为远期预警， 将煤体应力、 钻屑量或声发 射事件增大作为近期预警。 华丰煤矿 1411 工作面基本顶岩层厚度较大且坚 硬， 易发生深部坚硬顶板型冲击地压， 采用声发射和 应力在线系统进行冲击危险监测预警， 工作面声发射 及应力监测结果如图 13 所示 ［55 ］。从图 13