贾红丹

1 国外冲击地压监测发展状况

煤矿冲击地压发生的原因极其复杂，影响因素较多，灾害严重[2]，无疑是一个困扰绝大多数国家并且没有有效的解决办法的共同问题。1738年，英国首次报道了冲击地压的影响，并且在此后许多国家相继遭受了冲击地压给煤矿产业及人们带来的不同程度的危害，全世界包含中国在内的30多个多家的矿区均发生过不同程度的冲击地压，其中，遭受灾害的企业在德国和波兰发生的频率最高，破坏程度最严重。

截止2017年，波兰冲击地压的监测系统主要有如下几种，矿井采用微震监测系统，矿监控系统的使用原则是[35]，只要能正常工作，就要使用该设备。地面声发射监测系统是近年来由EMAG研究中心开发的一种新的监测系统。它用于监测工作面周围岩石层的断裂。目前，该系统正处于试验阶段，通过二十五年来不断的坚持研究，最终确定了一系列监测系统，同时也模拟起草了多部有关规定及防范监测措施，并在大量的实践中取得了优越的防治效果，从根本上成功的预防并减少了冲击地压给矿产业带来的危害。

1951年以来，苏联地质力学和岩体测量机构与其他矿业相关研究单位联手解决有冲击地压带来的灾害问题，通过二十五年来不断的坚持研究，最终确定了一系列监测系统，同时也模拟起草了多部有关规定及防范监测措施，并在大量的实践中取得了优越的防治效果，从根本上成功的预防并减少了冲击地压给矿产业带来的危害。1955到1977年间危险矿山的数量从八增加到36，而年度冲击的数量从83下降到7，然后下降到1980以后的5和6倍。在前苏联，岩爆的频率比煤矿小得多。主要形式是岩石喷射、振动和微冲击。

在德国，煤层顶板的冲击压力主要是550m的岩层表面，所以，顶部岩石层将是冲击地压受影响最为严重的一部分，德国研制的煤粉钻屑法等方法具有较高的国际威望。

2 研究目的和意义

随着我国矿山开采速度的迅速增加，灾害呈现程度越来越严重、范围越来越大的趋势，近几年来因岩爆造成的伤亡人数剧增，有些矿井一次冲击摧毁巷道长度达到500米以上，因此冲击地压监测已经成为很多煤矿生产安全的最薄弱环节，冲击何时来、发生冲突后导致什么后果，是目前矿井面临的主要问题，促进了人们对冲击地压状态监测的研究。

在冲击地压发生时，将破碎煤岩体向采掘空间拋出，造成支架移动破坏的同时还伴随着周围岩体的剧烈震动，直接威胁着煤矿的生产及施工人员的安全，甚至会引起瓦斯爆炸与火灾事故，导致生产中断，毁坏矿井建设。由于冲击地压震源浅，造成震中烈度远大于同级天然地震烈度，严重时整个采场被摧毁，造成井毁人亡的悲剧，甚至波及地面，造成地震灾害，因而冲击地压问题已引起各国的重视。但是到目前为止，国际上仍不能有效解决控制冲击地压灾害。可以说冲击地压已成为世界范围内采矿工程和岩石力学界迫切需要解决的科学难题。

3 冲击地压简介及检测方法

3.1 冲击地压的简介

煤矿冲击地压即岩爆的意思，当岩石中聚集的高弹性应变能大于岩石破坏所损耗的能量时，破坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出[8]。其产生的原因主要有以下几点：开采深度。在理论界有这样一个认定标准：当采深低于350米时，发生冲击地压的可能性较小；采深在350～500米时，可能性逐渐增大；采深超过500米时，这种增大的幅度和力度空前加大。通过这个标准不难发现，开采深度越大，煤体的应力越高，发生冲击地压的概率也会越大；开采技术因素。开采技术对冲击地压的影响主要有两种表现形式：一是因开采导致煤岩体的应力迅速增加，在一定区域、一定范围内形成高应力集中；二是原本具有高应力的煤岩层，在采动条件作用下，诱发冲击地压[9]。不管是哪种形式，不合理的开采技术都会间接地加大冲击地压发生的概率。

影响冲击地压发生的主要地质因素为断层和褶曲等地质构造。对于断层的诱冲机理，可从两方面说明：一方面，由于断层的隔断作用，开采引起的超前采动应力不能继续向前传递，因此当开采方向朝向断层时，将造成采动应力在断层前不断积聚，由此而引发冲击地压；另一方面，断层在受到采动影响时可能活化，产生滑动，从而形成动载诱发冲击。褶曲本身是在水平应力作用下挤压而成，因此褶曲区域具有较高的水平应力，在采动影响下也容易形成应力集中。其他地质影响因素还有煤层倾角和煤厚变化等，如新汶华丰煤矿、甘肃华亭煤矿和北京木城涧矿均为大倾角煤层开采，兖州济三矿和新汶协庄矿都存在煤厚变化条件。除了上述因素，在地震活动频繁区的煤矿也容易受到地震活动的影响而发生冲击地压。

3.2 冲击地压的监测方法

3.2.1 钻屑法检测技术

钻屑法是通过在煤层中钻小直径钻孔（直徑42mm～50mm），根据钻孔在不同深度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。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，当向煤体打钻孔时，其排粉量由两部分组成：一是钻孔过程中与孔径相同的煤体破碎后形成的煤粉，二是成孔后，煤体中的应力使孔径发生变化而产生的煤粉。前者仅与孔径有关，后者则与围岩应力状态及力学性质有关，这就是钻屑法的依据所在。

图1 钻孔效应示意图

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击；打钻过程中钻具的推进情况也会发生变化，或出现卡钻甚至将钻卡死，在钻孔的B段，孔周煤体处于极限应力状态，打钻过程中钻粉量异常增多，钻屑粒度增大，这就是所谓的钻孔效应[10]。钻屑监测法操作方便、直接，便于现场施工人员掌握，但工作量大，占用人员多，进度慢，生产活动影响较大。

3.2.2 电磁辐射技术

电磁辐射法是一种地球物理法，其发现和研究首先是由前苏联的科学家在研究岩石的形变时发现的，主要应用于桥梁隧道等工程方面，后来经过发展才应用于煤矿和其它有电磁辐射现象的地方。

煤、岩等其它一些固体中都含有束缚态的带电离子和自由态的带电电子，当其受到外部应力压迫时，因受载不均匀，煤体或岩体的各部分发生不规则的变形及其破裂，导致固体内部电荷发生迁移，而裂缝的发展也会带动带电粒子的变速运动，这样就会产生电磁辐射的现象[11]。在实际中发现，应力越集中，变形破坏过程越强烈，得到的电磁辐射信号越强，集中量化指标体现在电磁辐射强度和脉冲。

3.2.3 微震检测技术

震动场监测采用微地震监测技术，其基本原理是岩石在应力作用下发生破坏并产生微震和声波，在采动区顶板或底板内布置多组检波器并实时采集微震数据，经过数据处理后，运用震动定位原理，可确定破裂发生的位置，并在三维空间上显示出来。一般情况下，如果微震事件随着工作面的推进发生次数不断增加、释放的能量不断上升，微震事件朝着工作面的方向不断发展，这在一定程度上说明煤矿冲击地压的发生前兆[13]。

参考文献

[1] 庞丹丹.新型光纤光栅传感技术研究[D].山东大学，2014.

[2] 齐庆新，王永秀，毛德兵，等.非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压机理初探岩石力学与工程学报，2005.

[3] 姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等.煤岩冲击失稳的机理和实验研究[M].北京：科学出版社，2009.

[4] 潘俊锋，宁宇.煤矿开采冲击地压启动理论[J].岩石力学与工程学报，2012.

[5] 王恩元，何学秋，李忠辉，等.煤岩电磁辐射技术及其应用[M].北京：科学出版社，2009.

[6] 宋刚，张舒.电磁辐射法在冲击地压预测中的应用[J].山西煤炭，2010（9）：72-73.

（作者单位：黑龙江科技大学）