1、基于微震篮测和应力实时监测系统的冲击地压发生机理和预警方法王存文这次来主要是学习的。我所在的科研团队这些年做了一些现场的冲击地 压监测、评价、预警和治理的工作,对冲击地压发生的机理有了初步的认识。自 2005年开始，我一直从事微震监测系统硬件、软件的研发和现场监测的工作， 下面就从基于微震监测和应力实时监测系统的冲击地压发生机理和预警方法 方面进行一些探讨。1.如何理解冲击地压、岩爆的基本概念学术界关于冲击地压和岩爆这两个概念的定义有了初步的共识，但仍有争 论。实际上，这两个概念既有共性的一面也有个性的一面，只有清晰地认识两 个概念所包含的含义，才更好地进行预测、预警和治理。冲击地压的概念包含
2、了三个方面的特征：(1)通常指矿山开采过程中的动力显现现象。(2)形成巷道破坏、人员伤亡、设备损坏的动力现象。不形成这种破坏不 能称为冲击地压,如井下开挖过程中产生的岩体震动、片帮、底朦、煤粉掉落、冒 顶、围岩的弹射等现象，只要没能形成巷道破坏或人员伤亡或设备损坏，都不应 当称为冲击地压显现。(3)围岩的静载荷态是冲击地压发生的基本因素，但顶板断裂、断层滑移 等外部动载荷往往是诱发冲击地压的主要因素。从能量的角度讲,巷道围岩的静载荷达到其承压极限后弹性能的突然释放 是形成冲击地压的根本原因，但是还有一类冲击地压，开挖后的巷道围岩基本 成塑性状态，很少或基本没有积聚弹性能的能力，而外部因素如巨厚
3、顶板的断 138 11994-2013 China Academic Journal Electronic ruWrming Uouse. All rights reserved. h(tp:/?wwucnki net裂、断层滑移等会诱发震源在远处、显现在巷道的冲击地压，形成巨大破坏。严格意义上，冲击地压也是岩爆，是岩爆的一种特殊的显现形式，是矿山开 采中形成巷道破坏、人员伤亡或设备损坏的剧烈岩爆。岩爆是具有更广泛意义 的概念。认识到冲击地压的三个基本特征,就能够根据矿山压力显现的基本理 论和方法、采取相应的监测技术和手段进行冲击地压的评价、监测、预警和 治理。如图1所示，在煤层开挖巷道后，围
4、岩附近的地应力重新分布，巷道周围形 成塑性破裂区，在此区域内由于煤体达到塑性状态，很难积聚大量的弹性能。 若煤层上方存在厚大且坚硬的岩层（关键层），当煤层开采后，这些坚硬岩层会 发生断裂，断裂产生巨大震动波传到巷道之后,有可能诱发巷道的冲击地压，摧 毁巷道。这种类型的冲击地压是典型的动载荷诱发的冲击地压,即通常所讲的 震源在远处破坏在巷道的煤矿动力现象。图1煤矿顶板断裂诱发冲击地压不意图冲击地压的概念除了考虑围岩静力学特征外,强调了引起巷道破坏、形成 灾害的外在原因，即外部动载荷的作用。因此，应当从围岩静载荷和外部动载 荷两方面人手，找到冲击地压发生的机理，才有可能实现冲击地压的有效监测、 预
5、警和治理。此外,2010年中国煤炭产量超过32亿吨，由于冲击地压诱发和间接诱发的矿难死亡人数达数千人。因此，有必要将煤矿冲击地压作为一个单独问题看 待，区别于金属矿山、隧道等硬岩巷道中发生的岩爆灾害。2.煤矿冲击地压的宏观预测煤矿冲击地压的宏观预测的方法是根据诱发冲击地压的外部条件进行区 域预测，其依据是覆岩空间结构理论、关键层理论和传统矿山压力理论。以山 东华丰煤矿1410工作面开采过程中的冲击地压预测为例进行荀要阐述。1410工作面采深达到1000m,为一侧采空一侧实体煤工作面，煤层厚度 6. 4m,综放开采，开采过程中，根据覆岩空间结构理论将能够影响工作面矿山 压力显现的岩层划分为6组，
6、底板岩梁划分为两组。如表1所示。表1 1410工作面覆岩多层空间结构的划分组别高程范围(m)厚度(m)控制层直接顶-1049.40 -1068. 2816.17第一组岩梁-1023.90 - - 1049.4025.503.8m厚的中砂岩、4.5m厚的细砂岩、4.8m厚的中砂岩、9. 5m厚的细砂岩媒层第二组岩梁-986 00 -1023.9037.90Z05m厚的细砂岩和3. 35m厚的中砂岩上 方第三组岩梁-975.50- -986.0010.506. 6m厚的细砂岩第四组岩梁 965.95 -975.509.559. 55m厚的中砂岩第五组岩梁-944.35 -965.9521.607.
7、65m厚的细砂岩第五组以上岩层-944. 35 -020. 60m厚的中砂岩煤层第一组岩梁-1068. 28 - - 1079.0910.8110.10m厚的中砂岩下方第二组岩梁-1079.09- -1099.35120.269. 36m厚的中砂岩对于华丰煤矿1410工作面,1409已采空，当本工作面推进至见方(130m) 阶段以后,会形成型覆岩空间结构(图2)。形成型覆岩空间结构的过 程，就是产生动压和诱发冲击地压的过程。1401994-201 Hina Academic Journal ElectronicTubtisning House. All rights reserved- htt
8、p:ng House. All rights reserved.h(lp:/ki .net 1994-2013 China Academic Journal Electronic力、根据以上分析分为冲击地压危险区（图3）o我们当时做了一个区域预警 后,后来统计一下发生冲击地压的情况，我们很惊讶地发现，我仅预计和实际推 进步骤非常一致（表2）。1410工作面1409工作面1408工作面ilm、A一本工作面老顶断裂;B一本工作面见方;C一双工作面见身;D三工作面见方;E一两个放顶煤工作面第二次见方图3根据覆岩空间结构理论预测的1410工作面冲击地压发生位置141金缘机理撩才表2基于覆岩空间结构理论
9、的1410工作面冲击地压预测与实际发生对比表岩层运动阶段预计发生冲击地压 的推进步距(m)实际发生冲击 地压步距(m)破坏程度描述老顶来压6058动压明显,无破坏单工作面见方128130.7震级2级，破坏巷道170m双工作面见方268280震级L8级，动压明显,无破坏三工作面见方432402.72次震级L 9级,工作面 震感强烈，预处理及时，无破坏两个放顶煤工作536560最大震级2. 2级,工作面面第二次见方震感强烈，预处理及时，无破坏煤矿冲击地压的宏观预测必须充分考虑诱发冲击地压的外部条件,即关键 层的运动和区域构造应力的影响，才能准确地划定冲击危险区。山东古城煤矿2103工作面采深100
10、0m,工作面两侧均为采空区，工作面推 进过程中.形成图4所示的孤岛区域。采空区上覆岩层的垂直应力转移至该孤 岛，导致两个巷道和工作面应力水平非常高，因此，该区域是强烈的冲击危险 区。在2009年2月28日，该区域发生了强烈的冲击地压，导致1死5伤的严重 后果。图4古城煤矿冲击危险区宏观预测图5是山东朝阳煤矿发生冲击地压的情况,3110工作面采深900m,两侧采 空，且属“刀把型”工作面,在推进过程中扩面。扩面位置处存在一条断层，形成三角形应力集中区。2011年4月1日时发生一次冲击地压,1人死亡,7人受 伤。冲击地压发生位置与预警结果完全一致。3110工作面冲击危险区图5朝阳煤矿3110工作面
11、冲击危险区预测3.基于微震监测的冲击地压预警技术岩层破裂发生在应力差大的区域，因此，如图6所示,岩层破裂区总是与高 应力差区域相重合,并与高应力场区域相接近。由此可见，只要监测到了岩层 破裂区域，即可找到高应力场区域和高应力差区域，冲击地压的发生与这两个 区域密切相关。143山东华丰煤矿1410工作面开采过程中,微震事件出现明显的分区性，如图 7所示。在微震事件包络线附近，由于下方煤柱的作用形成应力集中区，是冲 击地压危险区下方煤柱诱发的冲击地压原理如图8所示，煤柱支撑作用会使 两侧形成强减震区和减压区，强减震区位置会发生应力集中，也就是能导致冲 击地压关键区域（图8中11所示为发生冲击地压的
12、位置）。图7基于微震监测的冲击地压预测实例残留煤柱图8煤柱诱发冲击地压原理示意图图9是我们自己研发,具有完全自主知识产权的微震监测系统结构图。图10是我们课题组研发的应力实时监测系统。压力传感器布置在煤层工 作面内，数据通过信号线传到地面。应力监测系统结果可以通过插值算法用云 图方式显示，使矿上技术人员宜观地判断冲击危险区的位置和危险程度。dg House. All rights reserved-htlp:/? wwwxnki .net 1994-2013 China Academic Journal Electronic地面井下井筒 电源I 井下光纤交换机光纤Internet井F监控主机信
13、号同步战%分站供电线地面监 测主机j数据处 理主机-ft:T 1葭|远程监控主机用爆机理摞米p检波器检波器12检波器 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/图9 KJ551微震监测系统结构井下 监测主机 与交换机地面井下光纤交换机电源.井筒光缆压力信中线 “一接线至感器供电线nii Hiinii图10 KJ550应力实时在线监测系统4 .结论煤矿冲击地压的机理还未完全认知，其预测预报仍是学术界难题。微震监 测技术和应力实时在线监测技术为冲击地压预测预报提供
14、了一条新的途径，但145实现冲击地压的准确预测还需要进一步进行研究。傅冰骏：应力下监测什么？王存文：监测烘层垂直压力，是相对应力，不是绝对应力。通过监测应力变化，步入刚装进去的时候是5MPa,柒层开采过程中快速升到lOMPa,认为它有一定的危 险,通过这种手段，是相对的增加，不是绝对的。汤雷：应力压力传感器是什么形式的？作用在震前还是电阻上？姜福兴：他说的就是电压。420毫安，或者010伏。王存文：所采用的传感器在现在来讲是最先进的，稳定性最好的。张镜剑：各个部位能够可视化吗？王存文：可以，我们用10秒钟采一个数，基本可以完全保证它的实时性，工作面推 采过程中，过程可以实时看到。横轴代裹离开巷
15、道距离，纵轴代表孔的深度。 随着工作面往前推进，应力变化可以看得很清楚。我们每一组打了 23个孔 深应力机，每一个测点打两个，一个8m,一个14m,一个浅，一个深的，这样做差 值计算就有依据，而不是以往就打一个点，比如打5m深、8m深，只能代表一个TuT1994-201Academic Journal Eicuonic rublisning House. All rights reserved- h(tp：/?点位置的应力状况，我们打不同深度可以进行裳值分析。张镜剑：怎么判断没显？王存文：我们有一个判别机制，超过多少认为没显，还有应力变化速率，每个矿情况 不太一样,但是通过这两个指标，一个单值
16、，另外一个是变化速率。张镜剑：变化速率狼重要，如何根据速率来判断可能要发生破坏，有没有数据标准？数据多大就要爆破了？王存文：每个矿情况不太一样，这一个判别机制不可能应用所有，每个矿情况都 不一样。张镜剑：每个炉有每个炉的特点，但是没有一个规定，怎么预报？地点没问题，判断 大小才好采取措施。王存文：两个因素，一是单值某一点应力超过一定值，我们认为比较危险;二是变化 速率超过某一个值,我们认为比较危险。但具体值每个矿不太一样。姜福兴；这套系统原理是基于钻取法，不能老去测，监测到应力反应和钻取量，一开 始装上8MPa,到13MPa时有对应关系，每个厅不一样，用这个标定的值，图旁边147 1994-2
17、013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved- h(lp:Z/有一个标，比如标到13MPa,把它标成黄色，到18MPa变成红色。整个理论依据 是基于大容量钻取量冲击地压在线监测预警。到红的第一反应就是停产，去处 理，处理完了以后再往前走。第二个理论依据，只要保证走的那个地方处于低 应力状态，无论外面怎么震动，外面有矿震传过来，但是这个地方永远是低应 力，就不会冲出来。不是预报什么时候来矿震，而是矿震来的时候是安全的。张镜剑：用红颜色表示危险，只要不到红颜色就可以继续干.尚彦军：有断层，监测
18、的是它多次折射回来，还是直接从一个点出来的，有没有可能 断层是张开的，不传过去了，反射回来，也可能你接收到新的巷道是二次反射, 不知道现在技术上是否能处理？王存文：在开采过程中，对于断层稳定性的监测非常重要。通过微震监测技术，对 于比较危险断层，可以划定断层区域，在断层区域内能量变化，假如在工作面推 采过程中一直在集聚，认为断层比较危险;假如工作而推采过程中没有活动，认 为是稍微安全的。从实用角度来讲，对断层本身能量的释放进行分析，再进行 预警。尚彦军：现在把断层作为一个产生矿震的圆点，比如我们开挖爆破以后，爆破能量 传到断层,然后再返过来，或者有一个滞后，有这个实验吗？王存文：我们没这么做。
19、148 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h(lp:/方祖烈：这次参会人员的组成有一定缺陷，研究煤矿的多，研究金属犷的少。冲击 地压定义为煤犷特有的显现，这是不对的，其实应该包括煤矿，金属犷，如铁亨， 有包金属矿,稀有矿，我们国家最大的冲击地压发生地是江西鸽矿，一片老矿 区，开采年代很久了，而且面积扩大，犷大到一定规模时，突然大规模坍塌，这次 冲击地压造成江西鸨矿大面积停产C冲击地压是所有地下矿山的共同特点。 金属矿没有像煤矿这样如此重视冲击地压的监测、机理研究，
20、屎，是没有办法 了，金属矿到目前为止这个问题还不是十分突出，但江西鹤，这次很突出，因为 年代太久了，空间面积太大了。将来我们如果有机会再探讨冲击地压时，要把 金属犷有冲击地压历史和现状的相关专家请来，他们也有一些独特做法，关于 监测、监控也有一些独特做法，跟我们煤矿有区别，是有特色的。姜耀东：矿山中叫冲击地压，水利水电中叫岩爆。煤矿为什么走在金属矿山前面？ 工程不做这个事就没法采了。齐庆新：工艺里必处得有这个工艺，要不然构成不了一套工艺循环。张镜剑：这次原炭32亿吨量太大，影响特别重要,所以政府尤其重视。鸨矿年产量 无法跟煤炭比，是这个原因。关键是产量决定研究人员多研究煤炭Q尚彦军：前面报告提
21、到一个很有意思的问题，随着深度增加，地应力增益VP增大, 越往下密度越高，我们搞隧道时挖出来不是这么回事，在山根的地方挖出来都 是破碎的。这个现象我还没考虑明白。1994-201 Hina Academic Journal Electrbxuc-Kublishing House. All rights reserved- http:齐庆新：几年前大家提过生物开采,进入生物以后，煤体成流变，浅部可以是完整的 岩体，进入800m、900m、l(XX)m就变成相对不那么完搂，但是没有扰动条件下， 感觉没事儿，非常完整,但是到了采动，马上变成另一个东西。何满潮：到深部发生突变，突变理由非常简单。最后关
22、系归结到力学，力学基本问 题就是荷我和强度。存在一个临界，深部一定要讲临界，今天好多人讲深部，深 部不是像国外说1200m以下就是临界,300m是临界，不是这样的，深部一定要 有深部现象,到某一个深度才有深部现象，不到那个深度就没有那个现象。什 么叫深部？深部就是临界深部出现深部科学现象的深度以下的那个区间，才叫 深部。深部是深区间，要出现科学现象。临界深度怎么出现和物理含义是什 么？在数学上有一个表达，有一本书里面很系统地研究这个东西，在构造应力 场存在情况下，深部存在什么，重力场情况下是什么，扰动情况下是什么。VP 的变化是临界深度，临界深度以下和临界深度以上要变，因为介质的强度天生 是不
23、变的,但是荷栽从上到下一直在交，一直增加到受不了，在此之前基本上接 近于无破坏的状态,之后进入塑性状态。在塑性状态和弹性状态以外的VP状 态不一样。煤炭临界深度不是一个，它的复杂性在于柒矿多种岩层，每一种岩 层都有临界深度，最软的临界深度是属性发生变化，那个岩层叫上临界，就像塑 性力学有一个上临界、下临界，它也有。煤井强度最高的岩层是下临界,是最后 进入状态再转化，这时候就构成上临界和下临界。在这之间整个VP变化还是 比较复杂的。齐庆新：第二人问题，根据勘测怎么能对应上？潘一山：在煤矿当中也发生这个问题，随着向深部开采,其实破坏越来越致密，现在1994-201 Hina Academic Jo
24、urnal Electronic RubuMling House. All rights reserved- http: 从实验结果，做实脸，围压小的时候，可能一道剪切聚纹，或者锥形的，当图压再 大时，就出现两道，围压大到一定程度就非常致密了，网是越来越小，间距越来 越小，所以这可能和你看到的是否有一定对应性。比如往深部去的话,破坏间 距是变小的。尚彦军：同样密度的岩石在不同深度表现不同。潘一山：更破碎了 C齐庆新：你说的这个问题在实验室测进行三轴+声波测试，结果马上能出来。151 1994-201 - Hina Academic Journal Electrdme-Ptfblishing H
25、ouse. All rights reserved- http:/wwu 汤雷1972年生。博士，教授级高级工程师，江苏省“333高 层次人才培养工程”中青年科学技术带头人，南京水利科学 研究院材料结构研究所副所长。长期从事地下工程结构稳 定性研究，提出了适应活动断层错动和围岩后期大变形的 复合衬砌新结构，以及试制成功了平面应变试验台。国家 自然科学基金项目“高地应力区围岩和锚杆支护共同承载 的协调性研究”、“塑性材料充填的复合衬砌的承载性能和 设计方法研究”和“选择性激励红外热像结构性隐性裂纹的KT 负责人。编写专著两部:锚杆锚固力及锚固技术和大变形围岩锚杆加固和 安全监测。在国内外杂志上发
26、表论文40余篇。获得专利4项，煤炭部和江苏 省科技进步奖三等奖各1项0王存文1980年生。博士，北京科技大学讲师。主要从事犷山 动力灾害机理、监测技术及装备、预警方法方面的研究工 作。提出了基于微震事件“分区性”原理的冲击她压预测方 法;继承并发展了 “覆岩空间结构”理论中“S”型覆岩空间 结构的理论体系，得到基于“S”型覆岩空间结构的煤矿冲击 地压区域预警方法和指标；在导师姜福兴教授的指导下，研 发了国内具有完全自主知识产权的“BMS矿山微震监测系 统”，在国内十余座矿山安装使用，并实现了突水灾害、冲击地压灾害、海下采矿 安全预警、瓦斯抽采参数设计和支架选型设计等方面的成功应用，取得了丰硕
27、的科研成果此外，积极开展了微震监测技术在边坡灾害监测预警、爆与瓦斯 突出灾害监测预警、隧道围岩稳定性监测预警、石油工程、军事、桥梁稳定性监 测预警等领域的应用研究。近五年，在微震监测技术及冲击地压预测方面发表 一级期刊论文10余篇；作为主要研究人员，完成了国家“十一区”科技支撑计划 课题1项，自然科学基金面上项目2项，国家重点基础研究发展计划“973”课题 16R 1994201 hina Academic Journal ElEcinmic Pihb惘晶ihn House. All rights reserved- h(lp:4*wwwxnki.nel1项，校企合作项目20余项。获得省部级科
28、技进步奖一等奖1项,二等奖2项, 发明专利1项。王明洋1966年生。博士生导师。解放军理工大学首席教授， 国家杰出青年科学基金获得者,全国优秀科技工作者，全军 科技领军人才培养对象。长期以来紧密结合国家、国防及 人防重大科技问题及重点工程建设，主要在“冲击局部破坏 效应”、“岩土中爆炸地冲击及与结构相互作用”、“结构抗 冲击爆炸整体作用”和“深部岩体非线性力学行为”四个研 究方向上从事科研与教学工作。主持了多项国家及军队重 点项目，积累了大量基础资料，获得了有重要价值的理论与实笆用禾。肛立干，获国家科技进步奖一等奖1项，国家科技进步奖二等奖2项，军队科技进步奖 一等奖4项，与铁七虎院士合作出版
29、专著2部，发表学术论文100余篇，SCI和 EI收录70余篇。王学滨1975年生。博士，教授，博士生导师，辽宁工程技术大 学计算力学研究所所长。主要从事的工作有：岩石（花囱 岩、砂岩等）、混凝土、金属、合金（钛合金、鸨合金等）、复合 材料（纤维、颗粒增强等）的破坏过程及力学行为研究；数字 图像相关方法（大变形、高应变梯度）开发;新型计算力学软 件开发（网格自动生成、新型算法）等。2007年博士论文 应变软化材料变形、破坏、稳定性的理论及数值分析被评 为辽宁省优秀博士论文;2008年博士论文被评为全国百篇优秀博士论文提名 论文（力学学科）o 在 Magzine of Concrete Research 及 Journal of Mechanics of Materials and Structures等杂志上发表论文多篇主持2项国家自然科学基金:基 于梯度塑性本构理论的典型岩石结构稳定性分析”，“基于梯度增强拉格朗日169 1994-2013(. hina Academic Journal Electroiwe-Mjlishing House. All rights reserved, http:/
