冲击地压灾害综合监测预警技术

汤占令 谢建峰

摘要：煤矿冲击地压是矿井开采过程中的一种极其复杂而难以预测的一种矿山动力学现象，导致其发生的不确定性因素很多，其使得采煤作业的安全等风险提高。为保障煤矿开采的安全性，需要使用综合监测预警技术来对其进行准确的预警，以保证煤矿的安全生产。鉴于此，本文将在分析冲击地压的概念以及冲击地压形成机理的基础上，对冲击地压灾害综合监测预警技术进行分析，并通过案例进行举例说明。

关键词：冲击地压；综合监测预警技术；应用案例

1冲击地压

1.1冲击地压的概念

冲击地压指是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。冲击地压是煤矿面临的主要安全隐患之一。轻微的冲击地压仅有剥落岩片，无弹射现象，严重的可测到4.6级的震级，烈度达7-8度，使地面建筑遭受破坏，并伴有很大的声响。冲击地压可瞬间突然发生，也可以持续几天到几个月。发生冲击地压的条件是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性度和弹性，在这种条件下，一旦地下工程活动破坏了岩体原有的平衡状态，岩体中积聚的能量释放就会导致岩石破坏，并将破碎岩石抛出。

1.2冲击地压形成机理

随着煤矿开采强度不断增加，开采深度不断加大，地层内的应力分布较浅部开采有着很大的不同。煤岩体中积聚能量的不断释放，造成煤层的不稳定，时常发生不同种类的矿震。当煤岩体中积聚的弹性能突然释放时，就会造成煤岩体的破坏，发生冲击地压。能量释放理论在煤矿开采中分析其冲击地压形成机理时经常用到，其主要是能量的释放，造成应力的不均衡分布，使得煤矿开采中的煤层应力结构发生改变，表1为煤炭开采中的冲击地压机理的分析的汇总表。

煤炭开采中冲击地压主要分成上述三类，在井巷或采掘工作面，当应力分布发生改变时，时常诱发剧烈的振动，导致煤矿冲击地压的发生，成为煤矿开采过程中的主要威胁之一，其安全防治成为煤矿开采中的重要任务。从中可以看出，三类形成机理的危害程度不同，应该针对不同的类别作出合理的防治方案，确保实施过程的安全性，从而有效并有序的开展煤矿冲击灾害的防治。

2冲击地压灾害综合监测预警技术

2.1电荷监测技术

煤岩微破裂会导致摩擦作用共同产生煤岩变形破坏过程的电荷感应信号和裂隙尖端电荷分离，其中电荷感应强度与煤岩的负载增加的负荷有一定关系，电荷感应信号会更强，在电荷感应信号强度达到最大值的时候，煤岩破裂，电荷感应信号强度后将逐渐减小。煤岩充量监测技术基于岩爆的“失稳机理”，且电荷感应信号强度越强，岩爆发生的可能性越大。

2.2多参量监测预警技术

煤岩的受压破坏过程，对“震动场－应力场”进行多参数归一化的监测预警，在不同的发展阶段，与煤岩微地震裂缝应建立、声、电等参数监测、预测进行的，分析预警方法响应的预警方式是基于震动波CT、弹性波、冲击波、钻屑等综合参数实时监测预警和应力指标；声音，微震、电磁辐射和地音应力波的监测与预警。风险的影响程度分为无冲击危险，弱冲击危险，中等冲击危险，强冲击危险四级，四级是统一通过风险准则的影响进行划分，将根据风险程度的不同，采取相应的对策。

2.3应力监测技术

以“多因素耦合”和“当量钻屑量原理”的冲击地压危险性为基础的确定方法，其基本原理是支撑压力、钻头、钻岩层运动和应力之间的关系，通过实时在线监测，采集动态应力场的变化规律，然后发现高应力区及其变化趋势，从而实现实时监测和预报、岩破裂的危险区域的程度的危险预警。

2.4电磁辐射监测技术

煤在荷载作用下，岩石会变形破坏，并且生成电磁辐射，这一现象引发于应力，由于应力作用，对非均质性煤岩体产生非均匀变速形变，从而导致这种情况，电磁辐射强度和脉冲与载荷和变形速度有关，载荷和变形的电磁波辐射强度和脉冲上升率将增加，煤岩试样在冲击破坏前，电磁辐射的强度一般会保持在一定值，但是在冲击破坏时，电磁辐射的强度会突然增加。煤的变形和破坏的电磁辐射和煤体的应力状态是耦合关系。为此，建立了电磁辐射的分类预报技术和监测风险的监测技术。

3冲击地压灾害监测预警技术的应用案例分析

本文以某煤电公司为例，仅介绍“全频广域”震动监测技术的应用。该煤电公司两矿井下工作面都安装KJ550冲击地压监测系、KBD5电磁辐射检测仪，2017年3月安装ARAMIS微震监测系统，并于2017年4月调试形成“全频广域”震动监测技术体系，实现宽频（0.5—1500Hz）、广域（回采工作面→矿井→矿区）监测目的。KJ550冲击地压监测系根据煤岩体压力的变化引起油囊内压力的变化，通过压力变送器内敏感元件转换为电信号传递给采显一体仪，采显一体仪通过接收到的模拟信号进行处理，转换为最终压力值并显示出来，同时将信号处理后通过CAN总线传输到井下分站。分站将各采显仪传上来的数据以光、电的形式通过环网、光纤传输到地面分站进行存储、处理、展示。对回采工作面重点进行压力监测的区域为工作面前方300m、两条顺槽向回采煤体一侧8-25m范围内进行监测。电磁辐射仪能够实现非接触、定向、区域及连续预测预测煤岩动力灾害，信号的采集、转换、处理、存储和报警由监测仪自动完成；能够实现矿山冲击矿压的预测预报，煤与瓦斯突出的预测预报，其它煤岩灾害动力现象的预测预报，矿井工作面前方应力状态的监测，松动圈测量，周期来压监测，断层活动监测，顶板稳定性监测。振动器接收振动事件并将其处理为数字信号，然后通过数字通信系统发送到地面。根据不同的监测范围，系统可以选择不同的频率范围传感器。数字通信系统采用长距离通信电缆实现三方向振动速率变化（x，y，z）的传输。该系统提供了通过24位σ-δΔ转换器的振动信号的转换和记录。标准版系统软件为每个通道提供一个通道监测信号；可选3通道信号，为每个通道监控使用非标版软件，实现三向监测的微震活动。自运行以来，采用“全频广域”震动监测技术能有效记录了矿区范围内的冲击地压、矿井范围内的矿震件爆破、工作面区域的岩层破裂与构造等应力大小变化，可根据一次次的冲击地压波形图分析井下的地压大小，实现有效的控制。

4结束语

由于冲击地压的复杂性，所以很难用单一的方法对冲击地区进行准确的区域预警，应该用多种方法进行考虑，监测预警参考多综合因素，起到更具有科学性的预警；对现场的监控预警方法进行选择时，应根据动静再叠加诱冲原理，再选择合理的监测方法，以振动场作为主要监测对象或应力场为主要监测对象，以此保证冲击地压监测预警的准确性。

参考文献

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