我国煤矿冲击地压监测预警技术的现状与展望_鞠文君

我国煤矿冲击地压监测预警技术的现状与展望

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）

［摘要］总结分析了我国冲击地压监测预警的主要方法和技术特点，提出了冲击地压矿井的

4种主要监测预警模式，指出了目前我国冲击地压矿井的监测预警模式在监测理论、方案设计、监测目标、设备搭配等方面存在的问题，提出了我国冲击地压监测预警技术的发展趋势：预警模式设计分源、空间层次化；监测点布置信息动态反馈调整；监测设计实施精细化、精度化；预警结果综合权重分析。

［关键词］

冲击地压；监测预警；冲击启动理论；分源；权重；信息动态反馈

［中图分类号］TD324

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225（2012）06-0001-05Status and Prospect of Rock-burst Monitoring and Alarm Technology in Chinese Coal Mine

JU Wen-jun ，PAN Jun-feng

（Coal Mining ＆Designing Department ，Tiandi Science ＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China ）

Abstract ：By concluding main methods and technical characteristics of rock-burst monitoring and alarm in China ，this paper put for-ward 4main monitoring and alarm modes ，and indicated current problems in monitoring theory ，projection design ，monitoring goal and equipment collocation ，etc.Development tendency of rock －burst monitoring and alarm technology was present including different-source and space-layering alarm ，monitoring layout information dynamic feedback and adjustment ，précised alarm and comprehensive weight analysis of alarm result.

Key words ：rock-burst ；monitoring and alarm ；rock-burst start theory ；different-source ；weight ；information dynamic

［收稿日期］2012－11－01

［基金项目］国家自然科学基金项目（51204097）；国家重点基础研究发展计划（973）项目（2010CB226806）

［作者简介］鞠文君(1965－)，男，内蒙古赤峰人，博士，研究员，博士生导师，天地科技股份有限公司开采设计事业部副总经理，主要

从事巷道支护技术及工程监测技术的研究。

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

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第17卷第6期（总第109期）

2012年12月煤矿开采Coal mining Technology Vo1.17No.6（Series No.109）

December 2012

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

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总第109期煤矿开采2012年第6期