冲击地压多源信息监测预警体系构建

崔新峰

大屯煤电公司徐庄煤矿 江苏省 徐州市

摘要：论文在获取工作面开采期间矿震频次、能量变化及震源时空演化等冲击地压危险前兆信息基础上，针对性的提出将震动波CT中长期动态预警与冲击变形能短临时空预警相结合的冲击地压监测预警方法：通过震动波CT波速异常系数指标工作面冲击危险做出周期性动态评价，预测下一时段的强矿震及动力显现位置；冲击变形能指数在时序上实时反映监测区冲击危险状态，并实时预测工作面动力显现与强矿震发生时间，提供及时的冲击危险预警信息，为冲击地压矿井开采冲击地压多源信息监测预警体系构建、指导现场采取相应防治对策和最大限度确保工作面人员安全及降低财产损失提供重要依据。

关键词：冲击地压；震动波CT波速反演；冲击变形能时序监测 ；冲击危险预警信息

1.引言

CT层析成像技术就是地震层析成像技术，是采矿地球物理方法之一。其工作原理是利用地震波射线对工作面的煤岩体进行透视，通过观测地震波走时和能量衰减参数，对工作面的煤岩体进行成像。地震波传播通过工作面煤岩体时，煤岩体上所受的应力越高，震动传播的速度就越快。通过震动波速的反演，可以确定工作面范围内的震动波速度场的分布规律；根据速度长的大小，可以确定工作面范围内应力场的大小，从而划分出高应力场和冲击地压高危险区域，为其防范治理提供依据。

实现工作面区域的震动波CT成像的方法为：在回采工作面的附近设置一系列检波器，当矿震发生后，这些检波器接收到震源发出的震动波，根据不同震源产生震动波信号的初始到达检波器的时间数据，重构和反演煤层速度场的分布规律。

根据大量实验研究表明，煤岩体受载变形过程中，主要经历四个变形区如图1所示，分别为非线性弹性变形（OA阶段）、线性弹性变形（AB阶段）、应变硬化（BC阶段）及应变软化（CE）。加载至BC阶段，伴随着微裂纹的稳态扩展和扩容，试件内部产生新的裂隙并稳定发展，应力应变表现出非线性关系。由于能量释放与岩体体积扩张紧密相关，在B点附近，煤岩试件产生明显的非弹性变形，试件体积增加，并伴随低能量震动（102-104 J）。接近C点前，微观裂纹明显增加，并沿着试件中央部分平面相互搭接。在应力最大点C处，试件中央部分发展成宏观破裂平面，并出现高能量的震动（105-107 J）。其对应于矿井尺度下的采场（巷道）围岩状态分布如图2所示。

图1 煤岩体受载变形过程曲线

（a） （b）

（c） （d）

图2 矿井采场（巷道）围岩状态分布

根据以上分析，提出了冲击变形能预警指标值 ：

，

其中， 为上一次宏观破裂之后矿震事件总数， 为上一次宏观破裂之后第 次矿震事件所释放的能量， 为冲击变形能当前值， 为冲击变形能临界值， 为冲击变形能初始值。

根据冲击变形能预警指标值 确定危险等级和对应危险等级的防治对策，具体方案为：

表1 冲击地压危险状态分级表

危险等级	危险状态	危险指数	采取对策
A	无危险	＜0.25	所有的采矿工作可按作业规程进行。
B	弱危险	0.25～0.5	（1）所有的采矿工作可按作业规程进行。 （2）作业中加强冲击地压危害危险状态的观察。
C	中等危险	0.5～0.75	下一步的采矿工作应与该危险状态下的冲击地压危害防治措施一起进行，且通过预测预报确定危险程度不再上升。
D	强危险	＞0.75	（1）应当停止采矿作业，不必要的人员撤离危险地点。 （2）矿主管领导确定控制冲击地压危害的方法及措施，以及控制措施的检查方法，确定参加防治措施的人员。

2.震动波CT层析成像中长期动态预警

本次实践以徐庄煤矿7313工作面为例，7313工作面2020年6月共监测到有效震动事件560个，反演震动数124，射线总数616条，每个波形的射线个数均大于4，符合反演要求。具体反演结果如下：

-650水平波速场vp分布图（7313材料道标高）

-650水平波速异常系数An分布图（7313材料道标高）

-
750水平波速场vp分布图（7313溜子道标高）

-750

水平波速异常系数An分布图（7313溜子道标高）

图3 7313工作面6月11日至6月23日震动波CT反演结果

根据反演结果切片图可知，随着7313工作面持续开采：

平面上，高波速区、波速正异常指数An主要分布在7313工作面前方材料道以及溜子道附近、7311采空区、7311和7332采空区以及遗留煤柱区附近、7313工作面超前区域、7313切眼及采空区附近、Ⅱ（3）采区皮带上山保护煤柱区、Ⅱ（3）采区轨道下山和回风下山以及皮带下山保护煤柱区。

空间上，高波速区主要分布在7313材料道顶板、工作面中部超前区域顶板、底板，7332工作面采空区、7311工作面采空区顶板附近，层位为-650m~-750m水平，区域内应力集中程度较高。

回采面危险性分析：

7313工作面回采主要受采动影响、老顶断裂、断层活化、相邻采空区遗留煤柱以及覆岩协调运动影响；7332和7313采空区遗留煤柱及断层活化是冲击动载的主要力源。

3.冲击变形能时空短临监测预警

本次实践以徐庄煤矿7313工作面为例，选取2020年1月-2月份的监测数据作为反演研究数据。

图
4 01.01~02.01间7313工作面冲击变形能聚集速率图

图
5 01.29~02.29间7313工作面冲击变形能聚集速率图

图4、图5分别反映了工作面自2020年1月至2月微震监测事件能量聚集速率图，从上述图中可以看出：

（1）图中能量聚集速率较高区域主要分布在工作面材料道超前与不规则煤柱区，持续发生在工作面超前约230m区域、滞后工作面采空区内及不规则煤柱区；

（2）应力水平较高区域主要分布在7313工作面上部，推进位置后方0-150m附近区域。

4.主要结论

（1）煤岩破裂方式不同，其产生的震动波波场和能量辐射方式也会因破断方式的不同而各有差异，通过震动波CT波速异常系数指标可对工作面的冲击危险做出周期性动态评价和冲击变形能指数的时序实时反映，能够准确预测了工作面下一时段的强矿震及动力显现位置和工作面动力显现与强矿震发生时间，及时提供了冲击危险预警信息；

（2）为进一步研究该煤层赋存特征条件下的矿震主导破裂机制及其演化过程提供重要依据。基于对矿震时空规律的分析研究，提高预测分析能力，为进一步完善多源信息监测预警体系构建奠定基础，而且为后期煤矿针对不同类型矿震的防治措施提供了依据。

参考文献

[ 1] 窦林名, 何学秋. 冲击矿压防治理论与技术 [ M ] . 徐州:中国矿业大学出版社, 2001.

[ 2] 陈炎光, 钱鸣高. 中国煤矿采场围岩控制 [ M ] . 北京:煤炭工业出版社, 1994.

[ 3] 钱鸣高, 刘听成. 矿山压力及其控制 [ M ] . 徐州:中国矿业大学出版社, 1998.

[ 4] 陆菜平，窦林名，王耀峰，等． 坚硬顶板诱发煤体冲击破坏的微震效应［J］． 地球物理学报，2010，53( 2) : 450 － 456

作者简介：

崔新峰，男，1986年12月15日出生，2009年6月25日毕业于湖南科技大学，现任徐庄煤矿冲击地压防治科科长，从事煤矿冲击地压防治技术管理工作，通讯地址：大屯煤电公司徐庄煤矿冲击地压防治科。

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