冲击地压的监测方法

第八章
• 8.1 对比法
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冲击地压的监测方法
对比法就是基于相似条件下对冲击前兆进行归类，一般考虑下 列因素：
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本矿和邻矿的冲击地压现状和发展趋势； 本煤层或邻层、邻区已发生过的冲击地压；顶板为单轴抗压强 度大于70MPa的坚硬岩层；
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岛形或半岛形煤柱；
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支承压力影响区；
上部或下部遗留煤柱或回采边界； 煤层厚度或倾角突然变化；
图8.6为煤体典型应力-时间、电磁辐射（EME）脉冲数-时间、电 磁辐射幅值一时间曲线图。
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（a）不同类型的煤体在载荷作用下的变形及破裂过程中都有声发 射和电磁辐射信号发生。
在煤体的受载荷变形破裂过程中，电磁辐射基本上随着载荷的增 大而增强，随着加载及变形速率的增加而增强。 （b）从煤的变形破坏试验结果 煤试样在发生冲击性破坏以前，电磁辐射强度较稳定，而在扩容 突变阶段，电磁辐射强度出现突变。 （c）煤岩体电磁辐射的脉冲数随着扩容突变过程的增大而增大。 进入扩容突变后，即煤体的变形破裂强烈，电磁辐射信号也越强。
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为了及时客观地评价采掘地点的冲击危险程度，必须适时确定支 承压力带峰值大小和位置。峰值愈大、距煤壁距离愈近，冲击危险程 度就愈大。但直接测定煤层应力相当困难，一般采用相对评价的方法。
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钻屑法的原理
就是通过测量钻孔煤粉量的大小以确定相应的煤体应力状态，因 此，研究煤粉量与煤体应力之间的定量关系是实施这种方法的理论基 础，也是近代岩体力学的一个新课题——煤体钻孔力学的主要内容。 因内外不少学者进行了理论分析、室内模拟和实测试验。
• • 地球物理方法是利用岩体自然或人为激发的物理场监测岩体的动 态变化，冲击地压的监测可以采用地球物理方法。 目前采用的主要方法有：微震法、AE法、电磁辐射法等。
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（1）微震法
采矿微震主要是记录矿山震动，对其进行有目的的解释、分析记 录的信息，达到对冲击地压进行预测和预报的目的。 ①微震法监测冲击地压的机理 冲击地压是应力高度集中的结果。由于巷道和工作面煤体的受力 由表面到煤体深部应力不断增大，利用微震信息，包括微震的类型、 次数、震级等，揭示这些信息的显现规律，就可以对未来冲击地压的 强度、发生地点进行预测。
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通常采用位移计在超前顺槽内布置测点，监测顶板的运动规律及
支承压力的分布规律。在运输巷与回风巷安装，间隔距离为5.0m，监 测区域为超前顺槽50.0m范围。
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③前兆信息识别
依据顶底板移近量和移近速度的变化（包括反弹现象），判断顶 底板断裂的位置，反弹或顶底板移近速度加速之时，正是冲击地压发 生的前兆。
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此外，若将煤粉钻孔视为在冲击危险区开掘了一个微型巷道，则
制造煤粉钻孔，就犹如规模缩小了的冲击地压模拟试验。打钻时钻孔
冲击、粒度、推进时间和推进力的变化以及钻杆被夹持等有关动力效
应，亦有可能成为鉴别冲击危险的依据。
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在煤体中打钻至一定深度后，钻孔周围煤体将逐渐达到极限应力
状态，如图8.1所示。 孔壁部分煤体可能突然挤入孔内，并伴有不同程度的响声和微冲
图8.3 MA0104E AE监测系统示意图
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②AE监测系统的布置
AE探头的布置应注意待测范围不能超过其有效接受半径，根据不 同生产、地质条件及监测目的布置探头。
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图8.4为工作面与巷道进行AE监测的典型布置形式。
a—工作面的布置形式； b—巷道的布置形式；
1—已布置探头； 2—待布置探头
图8.4
生的冲击和压出煤的强度愈高；下位基本顶岩梁相对稳定的步距愈大，
发生冲击地压的强度愈高。因此，采用顶板动态法监测冲击地压是比 较有效的。
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①监测区域
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（a）从工作面推进到煤壁上应力达到煤体破坏强度（开始形成内
应力场）的部位起，到随工作面推进，煤层上支承压力继续增加，内
应力场形成足够的缓冲带。该地段是监测的重点区域。
击；打钻过程中钻具的推进情况也会发生变化，或钻进容易，或出现
卡钻甚至将钻卡死。出现这些变化的原因是钻孔周围煤体变形和脆性 破碎所致。
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煤层中的应力愈大，煤的脆性破碎愈占优势。在钻孔的B段，孔
周煤体处于极限应力状态，打钻过程中钻屑量异常增多，钻屑粒度增 大，响声和微冲击强度升高，孔径扩大，这就是所谓的钻孔效应。
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（2）开采参数
开采参数包括：相邻煤层中的残留煤柱和开采边界影响的范围及 强度；
回采工作面推进到巷道、采空区、断层、褶曲带的时间； 采煤方法、顶板控制方法、冲击岩层、相邻煤层中的回采工作面 相互位置； 回采速度及工作面长度等。
• 8.2 钻屑法
• 钻屑法是通过在煤层中钻小直径钻孔（直径42mm～50mm），根据 钻孔在不同深度排出的煤粉量及其变化规律以及有关动力现象判断冲 击危险的一种方法。
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随着开采深度的延深，当煤岩体应力满足强度条件时就可能发生
冲击地压。不同的地质构造区域，冲击地压的始发深度不一样，自始 发深度起，冲击地压就有可能在煤柱、煤层凸出的部位和邻近煤柱的
上下煤层区段发生。随着开采水平的延深，冲击地压发生的地点和范
围也随之扩大。因此，根据相同地质条件的浅部冲击地压的前兆信息， 对相似条件的深部冲击地压的前兆信息进行识别。
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（4）顶板动态法
顶板动态的前兆主要是通过监测顶板的运动状态、支承压力显 现范围及峰值位置来预测冲击危险。 冲击地压一般发生在坚硬的顶板条件下，坚硬顶板运动往往是诱 发冲击地压的主要因素之一。顶板的急速下深或突然断裂，会引起震
动，都有可能诱发冲地地压。因此，坚硬顶板悬露的面积、断裂运动
的时间是冲击地压预测的关键。 • 一般情况下，岩层沉降速度愈小，推进的面积愈大，断裂运动产
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图8.6
煤体典型应力-时间、电磁辐射（EME）脉冲数-时间、电磁辐射幅值一时间曲线图
②电磁辐射预测冲击地压的原理
煤体是典型的非均质材料，在外力作用下，其内部颗粒之间的强度与变形有 着显著的差异，煤体内部的应力与应变的分布是不均匀的。当煤体发生不均匀应 变时，会在内部发生极化现象，压缩区域的电荷密度升高，而低应力区的电荷密 度降低，导致电荷由高密度区向低密度区运动。
生冲击地压。这主要是由于随工作面的推进，悬露面积的 增大，煤体上应力不断增大，如上位基本顶岩梁内弹性能增加。一旦 基本顶岩梁断裂沉降，应力产生转移，在相关部位产生冲击地压，主
要发生在超前工作面前方80m范围内。
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②监测过程 顶板动态法监测冲击地压的过程如下：坚硬顶板运动→造成应力 转移（与顶板运动有关）→采用动态法预测顶板断裂的规律→预测冲 击地压危险。
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②微震监测系统
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我国目前有WJD-1和从波兰引进的SYLOK微震监测系统。微震系统
由三个部分组成，如图8.2。
图8.2 微震监测装置
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（a）信号传输系统
该系统包括拾震仪、传输电缆和接收箱，可接收传播8路微震信号。微震 仪频带宽0.1Hz～50Hz，最大传输距离10km。 （b）信号处理系统 在可编程序支持下，由计算机完成全部处理工作，并对全部信息进行存 储，并可以调出多次震动参数进行计算、机制测定和频谱分析等。 （c）模拟记录系统
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实时记录8路模拟震相，可以粗略定位和确定震源性质。
③冲击地压发生次数与震级的关系
lg N a bM
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a，b—常数。
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（2）AE法
利用煤体的声发射（Acoustic Emission，简称AE）特征进行冲 击地压的预报是主要预报方法之一。AE监测方法是在监测区内布置AE 探头，由监测装置连续自动采集AE信号，经实时处理加工成报告、图 表。通过对数据进行整理分析，判断监测区域的冲击危险程度。
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粒度增大和钻进容易，是因为在高应力作用下打钻几乎不需要钻
头参与煤体就自动破碎，勿需推力，研磨也小，造成钻屑块度变大。 只要出现这种钻孔效应，就意味着应力集中带的出现。在应力集中带
钻孔，钻屑量异常多，钻孔冲击更强烈，钻孔周围破碎带不断扩大。
这也是钻孔卸压的根据所在。
图8.1 钻孔效应示意图
• 8.3 地球物理法
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褶曲或断裂构造带等。
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在了解上述因素后，根据已发生的冲击地压的开采条件、地质构
造特点，以及对煤层的区域了解程度，可对煤层冲击地压前兆信息进
行识别，又称为相似性识别。 • 用对比法进行冲击前兆信息的识别，必须了解以下内容：
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（1）煤岩层赋存特点
煤岩层赋存特点包括：煤层埋深、顶底板坚硬岩层、煤岩力学性 质、断层、褶曲区域的开采冲击地压显现特征。
典型的地音探头布置形式
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③AE监测系统的应用 图8.5为门头沟煤矿AE监测能率变化曲线，在临近冲击前，能率 出现明显上升。
图8.5 典型地音能率变化曲线 另外，还有流动AE监测法，属于非连续的监测方法，一般与煤粉钻孔 法结合使用，能提高冲击地压预测的准确性。
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（3）电磁辐射法
①煤体破坏时将产生电磁辐射现象。
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①AE监测系统 图8.3为AE监测系统示意图，系统硬件由通用微机系统和信号采 集传输系统组成。通用微机系统由计算机、打印机、模数转换装置组
成；信号采集与传输由AE探头、发送器、信号传输电缆、接收器等组
成。系统采用积木式结构，可配1～4个接受仪，每个接受仪可接4路 AE探头，每个探头有效接受范围为20m～100m。