我国煤矿冲击地压监测预警技术的现状与展望

时间：2024-07-28

鞠文君，潘俊锋

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

冲击地压是指矿山井巷或采场周围煤岩体，由于弹性变形能的瞬间释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象［1］。对于煤矿企业来说，如何预测冲击地压的发生;在什么时候、什么位置去进行解危或诱导;不得已的情况下怎样合理避灾，是冲击地压防治必须面对的问题。因而，探索冲击地压前兆信息，辨识冲击地压危险源分布特征，以及在此基础上探索冲击地压监测预警技术是冲击地压研究的重要内容。

国内外学者针对冲击地压前兆信息探测开展了许多研究［1－6］，取得了一系列重要理论成果。近年来，在冲击地压监测手段上也有长足进展，一些高技术含量的监测设备被引入到冲击地压的监测预警中来。但由于冲击地压发生条件复杂，预警模式多样，监测设备繁多，使得煤矿企业在冲击地压防治工作中眼花缭乱，无所适从。

本文分析了我国煤矿冲击地压监测预警的主要方法和模式，指出了冲击地压的监测预警发展趋势，以期对冲击地压监测预警和防治工作有所帮助。

1 煤矿冲击地压主要监测预警方法

冲击地压监测预警方法复杂多样，并不断推陈出新，根据监测目标与原理可将其分为2类:岩石力学方法和地球物理方法。

1.1 岩石力学方法

岩石力学方法主要以监测冲击地压发生前围岩变形、离层、应力变化、动力现象等特征为主，属于直观接触式监测方法，主要包括煤粉钻屑法、钻孔应力计法、支架载荷法、围岩变形测量法等。

(1)煤粉钻屑法由德国首先提出，目前在国际上已被广泛应用，是我国冲击地压前兆探测最基本的一种监测手段。我国《冲击地压煤层安全开采暂行规定》和《煤矿安全规程》都将钻屑法作为确定冲击危险程度和采取措施后的效果检验方法。该方法简单，便于实施，能直接反映煤体压力大小，并且通过不同深度的取屑，可以测量煤体不同深度的压力状态，实现“线”监测。缺点是:探测范围小，打钻工程量大，钻机布置受巷道断面、设备等影响，取屑、称量等过程人工操作存在较大误差，目前还不能实现在线监测，探测范围有限，有时顾此失彼。

(2)钻孔应力计法此法在我国已有几十年的历史，最早由原煤炭科学研究总院北京开采研究所 (现天地科技股份有限公司开采设计事业部)研发，通过在煤体中埋设带有油管的压力枕来间接反映煤体应力值。钻孔应力计法测试的是煤体相对应力值，这个值虽然不是煤体垂深位置处的真实垂直应力，但可以得到监测处采动应力变化。2004年这套仪器实现了在线连续监测，主要监测应力变化梯度，命名为采动应力监测系统。该方法的优点是:直接深入煤体中探测煤体应力大小，不受外界干扰;监测数据可实现自动采集，在线传输;监测范围随着传感器的增加而增大;探测应力值属于超前探测，也是冲击地压的力源探测，符合冲击地压发生机理。不足之处是:传感器只能反映所在位置的应力，属于“点”监测，每个传感器性能、初始参数各异，因此相邻传感器探测值离散性较大，不适合关联分析;监测数据受安装质量影响很大。

(3)支架载荷法支架载荷是回采工作面和巷道矿压最基本的观测内容，其通过支护体受力的大小和变化来反映外载特征，主要观测项目有液压支架工作阻力、锚杆及锚索载荷等，近年来支架载荷的监测仪器实现了在线连续监测。冲击地压发生前的应力集中和能量聚集一定会在支架载荷上有所反映，但支架载荷受多种因素影响。然而，近期冲击地压发生主要在综放工作面的回采巷道，单纯依靠支架载荷还不能及时准确预警冲击地压。

(4)巷道变形测量法对巷道围岩变形情况的测量，综合反映了围岩强度和外载的耦合矿压效应，冲击地压发生必然伴随巷道的剧烈变形，因此可以通过观测巷道变形量和变形速度间接警示冲击地压的发生。目前对两帮移近和底鼓的观测基本采用手工量测，对于顶板下沉和离层的观测目前已实现在线连续观测。该方法的优点是:方便直观，简单易行，成本低，观测结果可同时用于矿压分析和校核支护设计。缺点是:方法粗略，监测数据准确程度受人工操作影响较大，人工监测数据不连续，并且为表面监测，同载荷法一样巷道变形受多因素影响，预警的特征性不是很明显，难以用此单指标预测冲击地压的发生。

1.2 地球物理方法

实际上，煤岩体在采动影响下，其产生裂隙，发生破坏时向外发射出振动波、电磁辐射等信号，通过对这些地球物理信号的远程响应分析，可以间接地辨识到冲击地压危险源及其发展趋势。地球物理方法主要根据煤岩破坏时会释放出弹性波、地音、电磁波等信号，通过捕捉这些信号来预警冲击地压，属于非接触式、远程监测方法。地球物理方法主要有:微震法、地音法、电磁辐射法等。

(1)微震法井下煤岩体是一种应力介质，当其受力变形破坏时，将伴随着能量的释放过程，微震是这种释放过程的物理效应之一，即煤岩体在受力破坏过程中以较低频率 (f＜100Hz)震动波的形式释放变形能所产生的震动效应。微震监测系统通过对煤岩破坏启动发射的震动波的响应，实现约10km范围的危险源探测。

微震法优点是:监测范围广，比地震台定位精度高出上千倍，能对煤岩破裂事件作出较准确的定位，并计算出释放能量;在线实时监测，节省人力，并及时通报信息，软件数据后处理功能强大;设备传感器布置在开拓巷道，受井下设备影响小，可重复使用，波兰的第五代产品ARAMIS M/E使用期一般15～20a。缺点是:初期投资较大，价格较高;井下传感器布置受开采范围影响，开采水平越多，形成包围网络时精度越高，目前水平、垂直定位误差仍然在两位数;传感器优化布置需要人为爆破，不能自动化自我调整。

(2)地音法地音是煤岩体破裂释放的能量以弹性波形式向外传递过程中所产生的声学效应。地音是由于井下开采活动诱发的，其震动频率高，大约150～3000Hz;震动能量一般为0～103J。与微震相比，地音为一种高频率、低能量的震动。研究表明地音是煤岩体内应力释放的前兆，地音信号的多少、大小等指标反映了岩体受力的情况。地音监测系统是通过对近场煤岩破坏启动发生的地音信号的响应，实现约200m范围的危险源探测［8－10］。

煤岩层的破坏、裂隙扩展总是经历一个量变到质变的过程。因此对微震活动频繁的重点区域，采用地音监测技术，是对微震监测技术的补充。

地音监测区域一般集中在主采工作面和掘进工作面。通过提供统计单位时间监测区域内地音事件的频度、能率、频率、延时等一系列地音参量，找出地音活动规律，以此来判断监测区域的煤岩体受力状态和破坏程度。

2008年10月，煤炭科学研究总院开采分院冲击地压研究室人员将地音监测技术从波兰引进国内。图1为华亭矿区砚北煤矿井下地音探测器布置方案示意图。可见工作面每条巷道布置2个探测器，随着工作面的推进，探测器迈步迁移。通过对一段时间内接收到的煤岩破坏地音信息的分析，可以分别按分、小时、工作班对当时危险状态作出评价。

图1 砚北煤矿井下ARES 5地音传感器布置

地音监测方法的优点是:依据量变到质变的原理，填补了微震所监测不到的盲区;设备井下安装简单、方便;传感器可重复性使用，使用周期较长;软件数据后处理功能强;在线实时监测，节省人力，监测范围较大。

(3)电磁辐射法俄罗斯在前苏联时期就研究应用电磁辐射法，近年来，该方法在我国的应用也较广泛，它通过接收煤岩破坏产生的电磁辐射来测量煤岩体内应力集中程度。电磁辐射是一种非接触式探测方法，其优点是:不需要安装，直接挂靠在巷道煤帮;为便携式设备，单个工人就能携带;可实现在线监测。缺点在于不能实现定位，而且监测范围也只有数十米，受井下变频设备干扰较大。

2 冲击地压主要监测预警模式分析

以上分析表明，冲击地压预警方法众多，对于不同矿区，可能采用一种方法，也可能采用几种方法进行综合监测，因此形成了不同的预警模式。

2.1 单一人工探测

单一人工探测主要在一些以前未出现过，目前有冲击地压迹象的省份或矿区应用。采用钻屑法、钻孔应力监测、巷道变形观测中的一种方法。这种模式由于人员工作量较大，单一的监测结果缺乏验证、比较，因此预警可靠度最低，甚至不能警示灾害的发生。

2.2 综合矿压观测

综合矿压观测主要是将岩石力学方法中的几种方法组合起来使用，例如钻屑法、巷道变形观测、钻孔应力监测，甚至将采场、巷道支架的工作阻力监测组合进来。这种模式主要在一些已经出现，但是冲击地压显现较轻的省份或矿区应用，虽然能将监测结果进行横向比较，相互验证，但都是近距离监测，监测结果往往难以满足指导冲击地压防治的要求。究其原因有三:一是采用岩石力学方法监测到的围岩变形等特征，很难判断出是常规矿压显现还是冲击地压前兆;二是冲击地压发生经历3个阶段［11］，上述岩石力学方法监测半径相对较小，一旦监测到围岩骤变特征，冲击地压本身已经即将进入第3阶段，即冲击地压显现阶段，预警的作用降低;三是采掘活动空间采动围岩的应力调整导致围岩变形本身是一种能量释放，因此，这种近表面监测模式预警冲击地压可靠性仍然很低。

2.3 单一物探监测

单一物探监测主要是采用电磁辐射仪、微震监测系统、地音 (声发射)监测系统中的一种监测预警冲击地压。这种模式以监测煤岩中的集中动载荷源为目标，忽视了围岩近场集中静载荷是冲击启动的内因［11］，主要应用在冲击地压事件较多，已经出现过破坏性冲击地压的矿井，虽然考虑到了采掘活动空间远场围岩的破坏对冲击启动的促进作用，但是由于各自监测原理及有效监测半径的不同，使用效果差异较大，并且单一方法缺乏验证。

2.4 多参量综合监测

多参量综合监测是将岩石力学方法与地球物理方法相组合的一种监测预警模式。这种模式投入的人力、物力相对较大，是我国典型的冲击地压矿井主要应用模式，例如新汶华丰矿、抚顺老虎台矿、临沂古城矿、徐州三河尖矿、义马千秋、跃进矿、甘肃华亭矿等。该模式考虑到了各种手段的局限性，采用综合的指导思想，同时采用所有监测手段，实践证明冲击地压监测预警仍然是重大难题。

3 冲击地压监测预警存在的问题及发展趋势

3.1 我国煤矿冲击地压监测预警存在的问题

因地质条件和投入的不同，冲击地压灾害防治效果也不同。冲击地压防治的最薄弱环节是不能够准确预测，除了监测预警设备存在各自缺陷外，在设备应用方面也存在很多技术方面的问题。

(1)冲击地压监测预警模式设计与冲击地压发生机理相脱节目前我国存在多种冲击地压监测预警模式的原因，不仅是因为管理或经济，更主要是对冲击地压发生机理和建立在机理基础上的冲击地压发生类型没有掌握，而在选择冲击地压监测预警方法时，全凭经验或参照其他矿，与本矿自身发生机理相脱节，导致监测模式存在缺陷或滥用。

(2)监测预警传感器布置区域缺乏指导在进行冲击地压监测预警传感器井下布置前，由于没有预先进行冲击危险区划分，以及传感器数量有限，导致井下布置区域选择时缺乏针对性，存在盲区或重复的情况，因此监测模式一开始就存在很大误差，再加设备本身的误差，往往顾此失彼。

(3)对监测目标 (冲击地压危险源)缺乏针对性多种监测手段共用时，由于对冲击地压危险源构成，及其在时间、空间上的分布特征缺乏研究，因此布置传感器时缺乏空间概念，导致原理不同的设备交错使用，或相同原理的设备平行使用。

(4)综合监测，多种手段结果矛盾由于在冲击地压监测预警模式应用技术上存在众多问题，后期又缺乏信息的动态反馈，导致监测预警效果不佳，因而采取综合监测，造成人力、物力成本大增。不同监测系统的监测原理不同，监测对象、有效精度、监测范围也不同，最终得出的预警结果横向相比经常相互矛盾，没有进行深入分析验证难以指导冲击地压防治工作。

3.2 冲击地压监测预警的发展方向

(1)冲击地压监测预警模式设计分源化、空间层次化冲击地压监测预警模式设计分源化主要依据冲击地压启动理论［11］，对冲击地压启动的内因——集中静载荷，采用岩石力学方法监测预警;外因——集中动载荷，采用地球物理方法进行监测预警。

空间层次化主要针对地球物理方法，因为此类方法是非接触式、远程监测，因此监测尺度因载荷源的空间分布特征和各自有效范围开展层次化辨识。例如从监测范围来说，ARAMIS M/E微震监测系统能获得区域大范围内岩层活动的相关信息，属于区域大范围内 (矿井或采区)的监测手段;ESG地音监测系统能获得煤岩体微破裂信息，但监测范围小，属于局部小范围内 (回采工作面、掘进面)的监测手段，如图2所示。从监测事件类型来看，ARAMIS M/E微震监测的对象主要是震动比较强烈、震动频率通常小于150Hz的事件，属于微震(简称MS)范畴，一般为大范围裂隙贯通并产生破坏的现象;ESG地音监测的对象主要是能量比较弱的，一般为0～103J，震动频率较高，为大于150Hz而小于3000Hz的事件，属于地音 (简称AE)范畴，通常为煤岩裂隙扩张或产生局部破坏的现象，相比于微震现象，地音为一种高频率、低能量的震动［12］。一般来说，ESG地音覆盖了部分微震信号和几乎全部的地音信号，见图3。

图2 微震和地音监测区域范围

图3 ARAMIS M/E系统和ESG系统监测频率范围分布

ARAMIS M/E微震监测系统和ESG地音监测系统的这种区别使得它们在冲击地压监测预警中体现出了其各自的长处和局限性。以千秋煤矿为例，对于冲击动载荷源位于该矿21141工作面低位岩层的高能事件，ESG评价效果更好，反之，则ARAMIS M/E更佳。2010年5月15日－11月25日，ARAMIS M/E监测范围内共发生的31次能量大于107J的高能事件中，ARAMIS M/E作出提前预报的有24次，ESG则为17次。其中位于ESG监测范围的事件有17次，ARAMIS M/E作出提前预报的有12次，ESG则为15次［12］。

(2)信息动态反馈调整 (局部监测点随着区域指导快速调整) 目前冲击地压监测预警模式设计，以及传感器一旦在井下安装完毕，几乎不再调整，但井下开采环境每天都随着煤炭采出而不断变化，采掘空间的应力环境也在不断地改变，所以监测模式也应对这些变化信息作出动态反馈，尤其是对于“集中动载荷”型冲击地压的监测预警，由于其发生需要2种载荷源同时作用，地球物理方法，特别是微震监测系统能够对井区岩层宏观运动作出监测，通过其监测到的事件密集区要及时视为局部监测的目标。

(3)精细化研究冲击地压的监测预警是制约防治效果的核心环节，冲击地压监测预警精细化研究是冲击地压防治工作的复杂性和重要性所必须的。冲击地压监测预警精细化研究主要体现在对每种设备的性能、优缺点的准确了解，尤其是地球物理方法在不同传播介质中的特征、发生冲击事件前后监测数据的变化特征，以及对同类监测设备的性能、精度、先进性、监测数据可靠度等的比较;同时对设备的布置要精细设计，精准安装。

(4)预警结果综合权重分析法总结和分析多年来的经验与教训，多参量综合监测模式正逐渐成为冲击地压主要监测预警模式，但即使采用了分源、层次化布置设计，在各种监测方法的结果得出来后，通过横向比对，仍可能存在差异性结论。因此各种预警手段和指标对最终综合结果的影响的程度存在权重，权重较小的结果仅为参考值。笔者认为采掘空间“集中静载荷”的预警结果所占权重要大得多，因为从冲击地压启动理论来看，“集中静载荷”是内因，“集中动载荷”是外因。

(5)监测设备的改进虽然冲击地压监测预警的方法不断地推陈出新，但实际上现有方法研究还没有结束，由于技术攻关难度的加大导致新产品的不断推出，而忽视了对现有监测设备精度的提高。例如微震监测系统虽说能对事件作出定位，但该设备说明书中纵向误差达50m，横向误差也达20m左右，虽然在实际应用中可通过爆破效验降低至个位数，但其误差精度有很大的提升空间。目前的地球物理方法是以被动接受为主，因此开发主动性的发射性的物探设备，或者通过岩层破断前的温度等其他信息来主动探测也是发展方向。