沖擊地壓預(yù)測(cè)方法

沖擊地壓預(yù)測(cè)方法第一節(jié)概述沖擊地壓預(yù)測(cè)是防治工作的重要部分。準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)對(duì)及時(shí)采取區(qū)域性防范措施和局部性解危措施十分重要。沖擊地壓的預(yù)測(cè)包括時(shí)間、地點(diǎn)和規(guī)模。它包括在實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤層的力學(xué)性質(zhì)和沖擊傾向鑒別及在采掘過程中對(duì)沖擊危險(xiǎn)程度的鑒別。所謂沖擊危險(xiǎn)是指發(fā)生沖擊地壓的可能性。沖擊危險(xiǎn)程度是指發(fā)生沖擊地壓的規(guī)模。預(yù)先查明礦區(qū)各礦井有沖擊危險(xiǎn)的煤層就可以制定合理的礦區(qū)規(guī)劃和礦井設(shè)計(jì)，采用正確的開拓開采方式，從根本上消除或減緩沖擊地壓危害。在有沖擊地壓危險(xiǎn)的礦井進(jìn)行采掘過程中的預(yù)測(cè)，可以指導(dǎo)人們?cè)谖ｋU(xiǎn)區(qū)及時(shí)采取治理措施，避免沖擊地壓危害。因此，沖擊地壓預(yù)測(cè)工作可以分階段進(jìn)行，在煤田地質(zhì)勘探階段，利用鉆孔巖芯進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)定煤巖的沖擊傾向性。利用詳查和精查勘探中的資料評(píng)價(jià)影響沖擊地壓的主要地質(zhì)因素，包括埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装澹绕涫抢享數(shù)膸r性及厚度、煤巖強(qiáng)度及變形特性等；在礦井建設(shè)階段，利用井巷揭露出的煤層和巖層進(jìn)行進(jìn)一步的力學(xué)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)煤巖層的沖擊傾向和分析新獲得地質(zhì)資料，選擇合理的開采方法和相應(yīng)的防范措施；對(duì)于生產(chǎn)礦井，開采到一定深度（始發(fā)深度）后，應(yīng)按照《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》進(jìn)行管理。由于沖擊地壓一般發(fā)生在采掘工作面及其附近地段，因此要在生產(chǎn)過程中進(jìn)行經(jīng)常性的沖擊危險(xiǎn)預(yù)測(cè)工作，以便及時(shí)地采取解危措施，保證安全生產(chǎn)。沖擊地壓的預(yù)測(cè)是基于對(duì)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)。目前沖擊地壓的預(yù)測(cè)都是圍繞沖擊地壓發(fā)生的強(qiáng)度條件和能量條件進(jìn)行的。通過對(duì)煤巖體的應(yīng)力水平和分布狀態(tài)以及能量積蓄和釋放等變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在時(shí)空上判斷煤巖體破壞形式、規(guī)模和釋放能量的大小，并以此來進(jìn)行沖擊地壓的預(yù)測(cè)。一般情況下，沖擊地壓發(fā)生在采掘工作面的應(yīng)力集中區(qū)。應(yīng)力集中產(chǎn)生于開采深度大（自重應(yīng)力），巖體中存在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，采掘空間周圍應(yīng)力集中，殘留煤柱邊緣區(qū)，斷層和相鄰采掘空間的附加應(yīng)力等。它的峰值越大，峰值位置距離煤壁越近，發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)性越大。支承壓力使煤層受到壓縮，頂?shù)装灏l(fā)生閉合變形。沖擊地壓發(fā)生前煤巖變形停滯，頂?shù)装逡苿?dòng)速度變緩，煤由工作面壓出（煤層側(cè)向變形）也變緩。受到壓縮的煤層和發(fā)生變形的頂?shù)装逡詮椥宰冃蔚姆绞匠惺芨邏海⒎e存大量變形能。通過監(jiān)測(cè)變形能變化引起的聲發(fā)射和微震活動(dòng)，就可推斷沖擊危險(xiǎn)程度。積存能量多，沖擊危險(xiǎn)性就大。如果是經(jīng)多次釋放，則釋放的規(guī)模小。如果是一次集中釋放，則沖擊強(qiáng)烈。這種煤層（礦層）及其圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變和變形能的變化與沖擊地壓的關(guān)系，就是預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)的基礎(chǔ)。煤巖力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定工作及沖擊傾向性鑒別應(yīng)遵照煤炭部頒發(fā)的《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》和煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測(cè)定方法》及《巖石沖擊傾向性分類及指數(shù)的測(cè)定方法》進(jìn)行。如同沖擊傾向鑒別一樣，判別沖擊危險(xiǎn)程度也需一些具體的判別條件。各種預(yù)測(cè)方法的沖擊危險(xiǎn)判據(jù)的建立，必須針對(duì)具體、生產(chǎn)地質(zhì)條件，采取理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法具體確定。沖擊地壓的預(yù)測(cè)方法，除了以往的經(jīng)驗(yàn)類比法外，大致可以分為兩類。一類是以鉆屑法為主的局部探測(cè)法，包括煤巖體變形觀測(cè)法a頁(yè)板動(dòng)態(tài)、圍巖變形）、煤巖體應(yīng)力測(cè)量法（相40對(duì)應(yīng)力測(cè)量，絕對(duì)應(yīng)力測(cè)量）、流動(dòng)地音檢測(cè)法、巖餅法等，主要用于探測(cè)采掘局部區(qū)段的沖擊危險(xiǎn)程度。這類方法簡(jiǎn)便易行，直觀可靠，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)是預(yù)測(cè)工作在時(shí)間和空間上不連續(xù)，費(fèi)工費(fèi)時(shí)；第二類是系統(tǒng)監(jiān)測(cè)法，包括地音系統(tǒng)監(jiān)測(cè)法和微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)法，以及其它地球物理方法（電磁輻射、地溫、地磁等）。根據(jù)連續(xù)記錄煤巖體內(nèi)出現(xiàn)的動(dòng)力現(xiàn)象預(yù)測(cè)沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)。所依據(jù)的基本條件是巖體結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)破壞過程，是以超前出現(xiàn)的一系列物理現(xiàn)象為信息的。這些物理現(xiàn)象的出現(xiàn)被視為動(dòng)力破壞的前兆。通常是在井上下設(shè)置測(cè)點(diǎn)，建立沖擊危險(xiǎn)區(qū)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，把連續(xù)收集記錄的地音和微震信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和加工分析，預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)區(qū)的沖擊危險(xiǎn)。這類方法可以實(shí)現(xiàn)在空間上和時(shí)間上的連續(xù)監(jiān)測(cè)。但維護(hù)管理較困難，分析數(shù)據(jù)和判定煤巖體的力學(xué)狀態(tài)難度較大，需要經(jīng)過長(zhǎng)期試驗(yàn)，積累大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。第二節(jié)經(jīng)驗(yàn)類比法發(fā)生過沖擊地壓的礦井都積累了一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)做出規(guī)律性的總結(jié)，并用于指導(dǎo)本礦或相似條件的其它礦井沖擊地壓煤層安全開采的方法稱為經(jīng)驗(yàn)類比法。在總結(jié)和使用經(jīng)驗(yàn)類比法時(shí)，應(yīng)著重考慮下列因素：本礦和鄰礦的沖擊地壓現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)；本煤層或鄰層、鄰區(qū)已發(fā)生過沖擊地壓；煤層老頂為厚5m以上、單軸抗壓強(qiáng)度大于70MPa的堅(jiān)硬巖層；島形或半島形煤柱；支承壓力影響區(qū)；上部或下部遺留煤柱或回采邊界，煤層厚度或傾角突然變化區(qū)；褶曲或斷裂構(gòu)造帶等。就整個(gè)礦井而言，通過地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件的分析，可以圈定沖擊地壓可能發(fā)生的區(qū)域。隨著開采深度的延深，當(dāng)煤巖體應(yīng)力滿足強(qiáng)度條件時(shí)就可能發(fā)生沖擊地壓。始發(fā)沖擊的深度通常稱臨界深度。從始發(fā)深度起，沖擊地壓就可能在煤柱、煤層凸出部位和鄰近煤柱的上下煤層區(qū)段發(fā)生，并隨著開采水平的延深，沖擊地壓發(fā)生地點(diǎn)和范圍也隨之?dāng)U大。所有靠近采掘工作面的區(qū)域，煤層厚度和傾角突然變化的區(qū)域，以及地質(zhì)構(gòu)造帶都可能成為發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)域。根據(jù)地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件的分析，按照第三章論述的沖擊地壓發(fā)生條件和影響因素，首先應(yīng)該圈定以下區(qū)域?yàn)闆_擊地壓特別危險(xiǎn)區(qū)：1）斷層、褶曲、煤層突然變化區(qū)域。2）采空區(qū)周圍。3）本層或鄰層的開采邊界或遺留煤柱影響區(qū)。4）工作面前方回采巷道或其它巷道。在掘進(jìn)巷道和進(jìn)行回采時(shí)，沖擊危險(xiǎn)的客觀標(biāo)志是生產(chǎn)過程（打眼放炮、風(fēng)鎬落煤、采煤機(jī)割煤等）中伴隨有彈射、微沖擊現(xiàn)象。這些現(xiàn)象通常不是個(gè)別出現(xiàn)的，而是伴隨一定采掘過程而出現(xiàn)的性質(zhì)相同的一系列現(xiàn)象。例如掘進(jìn)工作面中的彈射，通常是在每次掏槽爆破之后立即發(fā)生。在采煤工作面，每次放炮以后半小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)相當(dāng)強(qiáng)烈的彈射。如果是在有沖擊危險(xiǎn)的煤層中打眼和割煤就會(huì)頻繁地發(fā)生彈射和微沖擊現(xiàn)象。影響沖擊地壓的主要因素有地質(zhì)方面的因素（如開采深度、煤層的物理力學(xué)特性、頂板巖層的結(jié)構(gòu)特征、地質(zhì)構(gòu)造等），也有開采技術(shù)方面的因素（如上覆煤層的停采線、殘采區(qū)、采空區(qū)、煤柱、老巷、開采區(qū)域的大小等）。根據(jù)這些沖擊地壓影響因素的分析，確定采掘工作面周圍采礦地質(zhì)條件的每個(gè)因素對(duì)沖擊地壓的影響程度，以及確定各個(gè)因素對(duì)沖擊地壓41危險(xiǎn)狀態(tài)影響的指數(shù)，將其綜合起來，就可以形成沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定的綜合指數(shù)法，從而為沖擊地壓的治理打下基礎(chǔ)。一、影響沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的地質(zhì)因素及指數(shù)影響沖擊地壓的主要因素有開采深度、頂板堅(jiān)硬巖層、構(gòu)造應(yīng)力集中、煤層沖擊傾向性等。表4-1為采掘工作面周圍地質(zhì)條件影響沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的因素及指數(shù)。這樣，就可以根據(jù)表4-1，用公式（4-1）來確定采掘工作面周圍采礦地質(zhì)條件對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的影響程度以及確定沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定的指數(shù)W1。表4-1地質(zhì)條件影響沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的因素及指數(shù)序號(hào)因素危險(xiǎn)狀態(tài)的影響因素影響因素的定義沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)1W1發(fā)生過沖擊地壓該煤層未發(fā)生過沖擊地壓-2該層發(fā)生過沖擊地壓0采用同種作業(yè)方式在該層和煤柱中多次發(fā)生過沖擊地壓32W2開采深度小于500m0500~700m1大于700m23W3頂板中堅(jiān)硬（0c三60Mpa）厚巖層距煤層的距離>100m0100~50m1<50m34W4開采區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力集中>10%正常1>20%正常2>30%正常35W5頂板巖層厚度特征參數(shù)L<500三5026W6煤的抗壓強(qiáng)度。cW16Mpa0c L。416Mpa27W7煤的沖擊能量指數(shù)WETWET<202WWet<52WET三54EW.W=-1 （4-1）"SWimaxi=1式中：Wt1——采礦地質(zhì)因素確定的沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)。W.max——表4-1中第i個(gè)地質(zhì)因素的中的最大指數(shù)值。W："——采掘工作面周圍第i個(gè)地質(zhì)因素的實(shí)際指數(shù)。%一一地質(zhì)因素的數(shù)目。二、影響沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的開采技術(shù)因素及指數(shù)同樣，根據(jù)開采技術(shù)條件、開采歷史，煤柱、停采線等這些開采歷史和開采技術(shù)因素，確定響應(yīng)的影響沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的指數(shù)，從而為沖擊地壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，沖擊42

地壓的治理提供依據(jù)。表4-2為我們研究的采掘工作面周圍的開采技術(shù)因素對(duì)沖擊地壓的影響程度及指數(shù)。（（4-2）表4-2開采技術(shù)條件影響沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的因素及指數(shù)-序〕因素危險(xiǎn)狀態(tài)的影響因素影響因素的定義沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)1W1工作面距殘留區(qū)或停采線的垂直距離>60m060~30m2<30m32W2未卸壓的厚煤層留頂煤或底煤厚度大于1.0m33W3未卸壓一次采全高的煤厚<0?1>34W4兩側(cè)采空，工作面斜長(zhǎng)為>300m0300?150m2<150m45W5沿采空區(qū)掘進(jìn)巷道無煤柱或小于3m小煤柱03?10m的煤柱210?15m的煤柱46W6接近采空區(qū)的距離小于50m掘進(jìn)面2回采面3接近煤柱的距離小于50m掘進(jìn)面1回采面37W7掘進(jìn)巷道接近老巷的距離小于50m老巷已充填1老巷未充填2回采工作面接近老巷的距離小于30m老巷已充填1老巷未充填2面接近分叉的距離小于50m掘進(jìn)面或回采面38W8面接近落差大于3m斷層的距離小于50m接近上盤1接近下盤29W9面接近煤層傾角劇烈變化的皺曲距離小于50m>15°210W10面接近煤層侵蝕或合層部分掘進(jìn)面或回采面211W11開采過上或下解放層，卸壓程度弱-2中等-4好-812W12采空區(qū)處理方式充填法2垮落法0這樣，可以根據(jù)表4-2,用下式來確定采掘工作面周圍開采技術(shù)條件對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的影響程度及沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定的指數(shù)叱2。i^1 2wimaxi=1式中:wt2——開采技術(shù)因素確定的沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)；式中:W.max——表4-2中第i個(gè)開采技術(shù)因素的危險(xiǎn)指數(shù)最大值；w：——采掘工作面周圍第i個(gè)開采技術(shù)因素的實(shí)際危險(xiǎn)指數(shù);々一一開采技術(shù)因素?cái)?shù)目。43三、沖擊地壓危險(xiǎn)程度的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以上給出了采掘工作面周圍地質(zhì)因素和采礦技術(shù)因素對(duì)沖擊地壓的影響程度及沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定的指數(shù)卬〃和叱2的具體表表達(dá)式，根據(jù)這兩個(gè)指數(shù)，用下式就可以確定出采掘工作面周圍沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定的綜合指數(shù)叱。W=max{w1,W2} (4-3)式中，W為某采掘工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定綜合指數(shù)，以此可以圈定沖擊地壓危險(xiǎn)程度。叱，為無沖擊危險(xiǎn)。叱=0.3?，為弱沖擊危險(xiǎn)。叱=0.5?0.75,為中等沖擊危險(xiǎn)。叱=0.75?0.95,為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。叱＞0.95,為不安全。應(yīng)該指出，利用上述調(diào)查分析的數(shù)據(jù)，對(duì)大范圍的沖擊地壓危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)十分必要?？梢酝ㄟ^數(shù)值分析的方法，包括有限元法，邊界元法等，在開采計(jì)劃制定階段，或在開采過程中，對(duì)相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行巖體應(yīng)力分布計(jì)算。這對(duì)預(yù)測(cè)大范圍的沖擊危險(xiǎn)是有一定作用的。便于在開采設(shè)計(jì)中提前采取必要的防范措施。第三節(jié)鉆屑法預(yù)測(cè)沖擊地壓的常規(guī)方法主要根據(jù)兩個(gè)條件，一是煤的沖擊傾向，二是支承應(yīng)力帶特征，即支承壓力峰值大小及其距煤壁的遠(yuǎn)近。如果支承壓力參數(shù)達(dá)到臨界值，并且煤層又具有沖擊傾向，那么沖擊地壓就可能發(fā)生。對(duì)于煤的沖擊傾向可以先通過經(jīng)驗(yàn)類比法估測(cè)，進(jìn)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定。而支承壓力帶參數(shù)的測(cè)定，一般多采用鉆屑法探測(cè)。鉆屑法是通過在煤層中打直徑為42?50mm的鉆孔，根據(jù)排出的煤粉量及其變化規(guī)律和有關(guān)動(dòng)力效應(yīng)，鑒別沖擊危險(xiǎn)的一種方法。由于這種方法能同時(shí)檢測(cè)多項(xiàng)與沖擊地壓有關(guān)的因素，而且簡(jiǎn)便易行，所以成為普遍采用的一種方法?！睹旱V安全規(guī)程》中規(guī)定“開采有沖擊地壓的煤層時(shí)，沖擊危險(xiǎn)程度和采取措施后的實(shí)際效果，可采用鉆粉率指標(biāo)、地音法、微震法等方法確定”，在《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》中不僅規(guī)定了采用鉆屑法預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)程度，而且制定了鉆屑法試行技術(shù)規(guī)范。因此鉆屑法的實(shí)施應(yīng)該按照技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。鉆屑法的基本理論和最初試驗(yàn)是20世紀(jì)60年代由德國(guó)和蘇聯(lián)的學(xué)者實(shí)現(xiàn)的。該方法基于受壓煤層中鉆小直徑鉆孔，當(dāng)鉆孔進(jìn)入煤體高應(yīng)力區(qū)域時(shí)，鉆進(jìn)過程呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)特征，孔壁煤體部分可能突然擠入孔內(nèi)，并伴有振動(dòng)、聲響或微沖擊等鉆孔效應(yīng)，單位長(zhǎng)度上排出的煤粉量大于正常排粉量，鉆屑粒度增大，以及隨之出現(xiàn)的卡鉆現(xiàn)象。當(dāng)單位長(zhǎng)度的排粉率增大到標(biāo)定值時(shí)，表示高應(yīng)力和沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)。我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始了鉆屑法的試驗(yàn)研究。不僅在發(fā)生沖擊地壓的采掘工作面試驗(yàn)應(yīng)用，而且在試驗(yàn)室條件下進(jìn)行了模擬研究。目前已在沖擊地壓礦井全面推廣使用。一、實(shí)施方法鉆屑法的實(shí)施必須嚴(yán)格執(zhí)行煤炭部制定的《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》。一般先44

圖4-1鉆孔效應(yīng)示意圖1—鉆屑排出題量；2—鉆屑粒度變化;3一打鉆過程中的聲響強(qiáng)度變化根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合采掘工作面的具體地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件，圈定沖擊危險(xiǎn)區(qū)作為鉆屑法的探測(cè)區(qū)。對(duì)于壁式采煤工作面，應(yīng)沿工作面煤壁和距工作面60m的順槽范圍內(nèi)布置檢測(cè)帶；對(duì)于掘進(jìn)工作面，應(yīng)在掘進(jìn)頭及其后部60m范圍內(nèi)的巷道兩幫布置檢測(cè)帶。檢測(cè)帶內(nèi)鉆孔布置（孔數(shù)、孔深、孔距）、檢測(cè)制度按《規(guī)定》執(zhí)行。一般測(cè)試鉆孔用1.2kw手持電鉆或2.0kw巖石電鉆打眼。插接式麻花鉆桿，每節(jié)長(zhǎng)1.0?1.8m,e42mm鉆頭，鉆孔深度6?8m。圖4-1鉆孔效應(yīng)示意圖1—鉆屑排出題量；2—鉆屑粒度變化;3一打鉆過程中的聲響強(qiáng)度變化二、基本原理為了及時(shí)客觀地評(píng)價(jià)采掘地點(diǎn)的沖擊危險(xiǎn)程度，必須適時(shí)確定支承壓力帶峰值大小和位置。峰值愈大，距煤壁距離愈近，沖擊危險(xiǎn)程度就愈大。但是直接測(cè)定煤層應(yīng)力相當(dāng)困難，尚沒有可靠方法。一般多采用相對(duì)評(píng)價(jià)的方法。我們首先研究在沖擊危險(xiǎn)煤層中，對(duì)處于極限應(yīng)力狀態(tài)的邊緣區(qū)打鉆過程中的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。1注里帕圖4-2煤試塊鉆孔模擬試驗(yàn)的孔直花】庵Jit對(duì)煤體打鉆至一定深度后，鉆孔周圍將逐漸過渡到極限應(yīng)力狀態(tài)，如圖1注里帕圖4-2煤試塊鉆孔模擬試驗(yàn)的孔直花】庵Jit三、鉆孔沖擊模擬實(shí)驗(yàn)真正的沖擊地壓在試驗(yàn)室里是模擬不出來的，但鉆孔效應(yīng)可在試驗(yàn)室條件下加以模擬，只不過其規(guī)模要比實(shí)際的小些而已。根據(jù)已發(fā)表了有關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果，此間這種試驗(yàn)又得到了進(jìn)一步改進(jìn)，可精確地模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)生的鉆孔效應(yīng)。圖4-2為試驗(yàn)原理圖。試驗(yàn)裝置由圍壓盒、加壓裝置及傳力柱組成。45

圍壓盒是一個(gè)四周封閉的鋼盒，在一個(gè)側(cè)壁上有一個(gè)孔，通過它向試件鉆孔，加壓裝置為壓力機(jī)。采用兩種加載方式，一種是在鉆孔過程中通過油泵后續(xù)加壓的方式，保持壓力不變，即保壓加載法；另一種是壓力變化非控制式，即非保壓加載法。每個(gè)試件加載兩次，第一次加載并鉆孔后，再重復(fù)加載到原始初壓，再鉆孔一次。鉆頭采用三種直徑：5mm、10mm、15mm。共對(duì)20個(gè)試件進(jìn)行40次試驗(yàn)，其中保壓式8件16次，非保壓式12件24次。德國(guó)、波蘭的學(xué)者進(jìn)行過類似的試驗(yàn)。只是試樣尺寸一般較小，為5cm（高）X8cmX8cm的長(zhǎng)方體和10X10X10cm或者15X15X15cm的正方體。鉆孔直徑3?11mm,在進(jìn)行特大塊試驗(yàn)時(shí)，鉆孔直徑為42?50mm。試驗(yàn)時(shí)垂直壓力比煤塊單軸抗壓強(qiáng)度大的多，以便模擬出井下的鉆孔效應(yīng)。取自波鴻肥煤試樣（尺寸8X8X5cm）,在156MPa下鉆孔（直徑11mm）試驗(yàn)過程中的壓力變化情況，見圖4-3。鉆8cm深孔共用40s。鉆孔過程中出現(xiàn)4個(gè)幅度不等的壓力下跌臺(tái)階，并伴有響聲。當(dāng)壓力下降至60MPa時(shí)，鉆孔趨于穩(wěn)定?？偣层@出煤粉量44g,約為正常煤粉量的4倍。為了尋求鉆屑量和沖擊聲以及壓力間的 Q兇飆即必關(guān)系，對(duì)波鴻和埃森系地層的煤樣進(jìn)行了大量的 粘如揖」,桂試驗(yàn)。煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度介于4?12MPa之間。圖4-3鉆孔沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)壓力沖擊式試驗(yàn)結(jié)果表明，只有壓力相當(dāng)高時(shí)，才出現(xiàn)卸載 下跌聲和鉆屑量突然增多。在非保壓方式下，壓力達(dá)到100MPa時(shí)才出現(xiàn)上述現(xiàn)象。若保持壓力不變，則壓力達(dá)60MPa時(shí)就會(huì)產(chǎn)生卸載聲和鉆屑量突然增多。而井下的實(shí)際情況介于保壓和不保壓兩種特殊加載方式之間。所以認(rèn)為，在井下只有壓力達(dá)到80MPa時(shí)，才有可能產(chǎn)生鉆孔效應(yīng)。另外，所有試驗(yàn)的各種煤樣都出現(xiàn)了鉆孔沖擊現(xiàn)象。僅有兩塊例外，在80MPa下盡管鉆屑量增多，但未出現(xiàn)過沖擊現(xiàn)象。至此，可以把鉆孔效應(yīng)視為煤層沖擊的一種縮小了的表現(xiàn)形式，高壓力是其前提條件。鉆孔效應(yīng)在井下煤體中不可能經(jīng)常出現(xiàn)，只有在很高的三向壓力作用下才可能產(chǎn)生。試驗(yàn)（肥煤）表明，產(chǎn)生鉆孔沖擊的下限壓力為80MPa。波蘭試驗(yàn)用10X10X10cm的煤塊，在三向受壓狀態(tài)下，逐步增加各應(yīng)力分量，從試塊一角向煤內(nèi)鉆一個(gè)9mm直徑的孔。用4種煤樣進(jìn)行了試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果看出，臨界應(yīng)力值與煤的單軸抗壓強(qiáng)度密切相關(guān)。高的抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)高的臨界應(yīng)力。在臨界應(yīng)力狀態(tài)下鉆孔，鉆屑量迅速增多。四、鉆屑量與應(yīng)力之間的關(guān)系研究鉆屑法的模擬試驗(yàn)和理論研究的目的，在于建立鉆屑量與煤體應(yīng)力之間的定量關(guān)系。不少學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究。一般都假設(shè)鉆孔前煤體為均質(zhì)、各向同性的彈性體，視為具有圓孔的無限大平面應(yīng)變問題進(jìn)行處理。并采用庫(kù)侖一摩爾準(zhǔn)則為鉆孔后出現(xiàn)非彈性變形的屈服準(zhǔn)則，把載荷視為靜水壓力狀態(tài)下的軸對(duì)稱問題。但都沒有考慮煤在非彈性變形區(qū)所出現(xiàn)的應(yīng)變軟化性質(zhì)（即強(qiáng)度隨應(yīng)變?cè)黾佣档偷男再|(zhì)）。為了更符合實(shí)際，我們則考慮煤的應(yīng)變軟化性質(zhì)和非彈性變形區(qū)的擴(kuò)容，來建立煤體應(yīng)力和鉆屑量之間的函數(shù)關(guān)系。46

考慮煤應(yīng)變軟化的本構(gòu)方程為AV8)C8>8C(4-4)式中：0c、￡C(4-4)。、￡——非彈性變形區(qū)的應(yīng)力和應(yīng)變；m——塑性介質(zhì)系數(shù)。塑性性質(zhì)系數(shù)m值反映煤巖層屈服后的硬化和軟化程度。m值應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，利用反求參數(shù)的辦法選取，一般在1?0.4之間。m值小，表明煤體的不穩(wěn)定程度。煤巖體不同于金屬材料，就在于應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度后呈應(yīng)變軟化性質(zhì)。具有沖擊傾向煤層的應(yīng)變軟化特性更明顯。當(dāng)處于理想塑性時(shí)m=0,呈應(yīng)變硬化時(shí)m三0；呈應(yīng)變軟化時(shí)m<0。仍用庫(kù)侖一摩爾準(zhǔn)則為屈服條件進(jìn)行彈塑性分析(圖4-4),其平衡方程為:do o-0八八――^+—r ?-=0 (4-5)drr屈服條件為：oe=qor+oC (4-6)…， 1+sin①q——系數(shù),q=“一一磨擦角。圖4-4鉆孔周圍彈塑性分析…， 1+sin①q——系數(shù),q=“一一磨擦角。圖4-4鉆孔周圍彈塑性分析當(dāng)r=a時(shí)，0r=0；在r=R時(shí)，即在彈性區(qū)和非彈性區(qū)交界處應(yīng)力應(yīng)該連續(xù)，并以此為邊界條件，得出考慮應(yīng)變軟化的非彈性區(qū)半徑R的解析式為：[ (2m+q-1)6p-o)]2m+q-1o-1-mIo+(q-1)p]n(C+1)JCC當(dāng)m=0時(shí)，上式即為卡斯特那公式。鉆孔的非彈性區(qū)和彈性區(qū)交界處的徑向位移UR為(4-7)整+J巖尸-OP(4-8)式中：E——煤的彈性系數(shù)；口——泊松比；p——鉆孔前煤體應(yīng)力；R——鉆孔半徑。目前還未能根據(jù)擴(kuò)容現(xiàn)象建立松散系數(shù)的解析式。采用平均擴(kuò)容系數(shù)”進(jìn)行擴(kuò)容效應(yīng)的計(jì)算比較簡(jiǎn)便，按煤體質(zhì)量不變條件，可求得擴(kuò)容在內(nèi)的孔內(nèi)壁徑位移Ua為：47Rn—1(4-9)U=—U+ (R2—a2)(4-9)aaR2a式中第二項(xiàng)為考慮擴(kuò)容而產(chǎn)生的影響，建議取n為?。從而考慮應(yīng)變軟化的擴(kuò)容影響的鉆屑量G與煤體應(yīng)力p之間的關(guān)系式為：G=yIa2+2兀aU)(4-10)(了n-1L)(4-10)=y4a2+2兀RU7+ yR22—a2/R2式中：Y——煤的容重；a——成孔后半徑。由于彈性變形相對(duì)于非彈性變形小得多，可忽略不計(jì)。僅考慮非彈性變形產(chǎn)生的附加鉆屑量，以建立煤體應(yīng)力與鉆屑量之間的函數(shù)關(guān)系。煤壁在采動(dòng)影響下，將依次出現(xiàn)殘余強(qiáng)度區(qū)、非彈性變形區(qū)和彈性變形區(qū)。因而在用式（4-10）時(shí)，應(yīng)按鉆孔的不同深度，根據(jù)煤在剛性試驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果，取相應(yīng)的彈性系數(shù)和泊松比。應(yīng)當(dāng)注意，式中a為成孔后的半徑，不是鉆頭的半徑。理論和實(shí)踐表明，采用相同鉆頭鉆孔，成孔后的孔徑隨煤體應(yīng)力的增加而增大。在特殊情況下，還能出現(xiàn)孔壁破損失穩(wěn)現(xiàn)象，鉆屑量將數(shù)十倍地增加。關(guān)于這種情況，庫(kù)克曾在作過闡述，并提出其發(fā)生條件為(4-11)式中：B——煤體非彈性區(qū)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線的斜率，近似為常數(shù)。采用“44mm鉆頭鉆孔，孔徑一般為48?60mm。但如前述，煤體應(yīng)力大，孔徑增大，鉆屑量增多。如果能在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得煤的力學(xué)參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得鉆屑量和平均孔徑，那么就可按式（4-10）,采用逐步逼近法求出相應(yīng)的應(yīng)力。把它和實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的煤的強(qiáng)度值進(jìn)行比較，就可用以判定沖擊地壓危險(xiǎn)程度，或與鉆屑法實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果相驗(yàn)證，確定鉆屑指標(biāo)。一般情況下，煤體處于非對(duì)稱載荷下，而式4-10）是在對(duì)稱載荷下求得的煤體應(yīng)力和鉆屑量間的關(guān)系式。采用有限元法對(duì)非對(duì)稱載荷下圓孔非彈性變形位移求解，按所求值計(jì)算由于非彈性變形引起的相應(yīng)鉆屑量，再把它與對(duì)稱載荷下（入=1）由非彈性變形引起的鉆屑量進(jìn)行比較，當(dāng)入=0.25時(shí)，其誤差不到5%,所以式（4-10）在不同側(cè)壓比情況下均可適用，并且精度能夠滿足工程上的要求。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，鉆屑量和粒度組成隨壓力增加而增大，在趨勢(shì)上實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況一致，在數(shù)量上試驗(yàn)結(jié)果相近。鉆屑量的變化反映了煤壁前方應(yīng)力的變化。應(yīng)力大，鉆屑量就多。煤體過渡到極限應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，鉆屑量急速增多，此時(shí)鉆屑量稱極限鉆屑量或危險(xiǎn)鉆屑量。五、沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)的確定，是應(yīng)用鉆屑法預(yù)測(cè)沖擊地壓的關(guān)鍵。鉆屑法作為預(yù)測(cè)手段，首要任務(wù)是建立鉆屑量和煤體應(yīng)力之間的關(guān)系，通過鉆屑量了解煤體應(yīng)力狀態(tài)，確定可能發(fā)生沖擊地壓時(shí)的最大鉆屑量；其次是了解最大集中應(yīng)力的位置，即出現(xiàn)最大鉆屑量的位置到煤壁距離；第三是分析鉆屑的粒度組成、鉆進(jìn)的難易程度、卡鉆、震動(dòng)和微沖擊等動(dòng)力現(xiàn)象與沖48擊地壓發(fā)生的可能聯(lián)系。按照上述三個(gè)條件建立沖擊危險(xiǎn)檢測(cè)指標(biāo)，判定沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)。.鉆屑量指標(biāo)指預(yù)示有沖擊危險(xiǎn)的鉆屑量。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和理論計(jì)算方法確定。.距離指標(biāo)如前所述，為了客觀地評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)程度，必須確定最大支承壓力區(qū)中的峰值大小，以及峰值位置至煤壁的距離。煤巖的三軸強(qiáng)度試驗(yàn)表明，當(dāng)圍壓達(dá)到一定程度后，煤樣“塑化”，幾乎失去沖擊傾向?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論計(jì)算也表明，隨著距離的增加，煤層壓力劇增，使煤體產(chǎn)生的沖擊能量也相應(yīng)增大。當(dāng)達(dá)到一定深度后，即使在該處形成沖擊，由于該區(qū)至煤壁之間煤體構(gòu)成的阻力大，沖擊部分的煤體也不能拋向采掘空間。這種深部沖擊的動(dòng)力效應(yīng)只是產(chǎn)生震動(dòng)和響聲，危害有限。.動(dòng)力效應(yīng)指鉆進(jìn)過程中伴隨出現(xiàn)的沖擊響聲、鉆桿跳動(dòng)、卡鉆甚至鉆桿卡死等現(xiàn)象。由于鉆孔過程中孔壁周圍煤體突然破裂，擠入孔內(nèi)，伴有沖擊響聲，并造成鉆桿跳動(dòng)。嚴(yán)重時(shí)能造成鉆桿卡住，甚至把鉆桿卡死。鉆桿卡持是鉆孔周圍煤體應(yīng)力高度集中或突然變化的標(biāo)志。因此把鉆桿被卡死作為鑒別沖擊危險(xiǎn)的一個(gè)指標(biāo)。但是必須注意，鉆桿被卡死除與煤體壓力有關(guān)外，還受施工鉆具、施工方法和施工經(jīng)驗(yàn)的影響，因此要由專職人員采取正確的施工方法和憑借經(jīng)驗(yàn)確認(rèn)和鑒別沖擊危險(xiǎn)。其它動(dòng)力效應(yīng)，如推進(jìn)力變化、純鉆進(jìn)時(shí)間變化、鉆孔沖擊等，也可作為鑒別沖擊危險(xiǎn)的參考指標(biāo)。.鉆屑粒度指標(biāo)在高應(yīng)力區(qū)段鉆孔時(shí)，由于孔周圍煤體已進(jìn)入極限應(yīng)力狀態(tài)，幾乎不需鉆頭參與就發(fā)生脆性破壞，所以對(duì)煤的研磨較小，排出的鉆屑粒度就大。據(jù)龍鳳礦實(shí)測(cè)，被保護(hù)層的鉆屑粒度大于3mm的百分含量平均為26.7%,危險(xiǎn)層平均為34%。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，鉆屑粒度隨壓力機(jī)壓力增大而增加，在200t(21MPa)以下壓力下試驗(yàn)時(shí)，粒度大于3mm的百分含量變化在20%?30%之間。在250t(26MPa)以上壓力下試驗(yàn)時(shí)，變化在22%?43%之間。因此擬定鉆屑粒度大于3mm的百分含量小于30%時(shí)為無直接沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)，大于30%時(shí)為危險(xiǎn)狀態(tài)。根據(jù)上述確定的沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)和檢測(cè)深度范圍內(nèi)，在各段檢測(cè)深度處給出對(duì)應(yīng)各段沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)的分段值，以便鑒別沖擊危險(xiǎn)程度。由于各礦區(qū)煤層地質(zhì)條件和物理力學(xué)性質(zhì)的差異有時(shí)很大。因此，為了提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性，必須針對(duì)具體礦井煤層條件，取得幾項(xiàng)符合實(shí)際的檢測(cè)指標(biāo)。六、鉆屑法的實(shí)際應(yīng)用.估測(cè)支承壓力由于鉆屑法能夠估測(cè)煤巖體應(yīng)力大小和分布，因而能夠用于估測(cè)采掘工作面的支承壓力大小和分布規(guī)律。支承壓力的峰值大小，峰值位置至煤壁的距離，以及支承壓力顯著作用范圍，是支承壓力的主要特征參數(shù)。如前所述，鉆屑量的多少與煤體壓力有關(guān)。實(shí)測(cè)鉆屑量的分布曲線反映了支承壓力帶的特征。利用上述鉆屑量和煤體應(yīng)力之間的關(guān)系式，可以得到鉆屑量G與煤層壓力P的關(guān)系曲線。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可直接根據(jù)實(shí)測(cè)鉆屑量計(jì)算或在G—P曲線上估計(jì)煤層應(yīng)力，得到支承壓力帶的特征參數(shù)。49

.鑒別沖擊危險(xiǎn)防治沖擊地壓危害的基本原則是及時(shí)檢測(cè)沖擊危險(xiǎn)及其危險(xiǎn)程度。只有鑒別出有沖擊危險(xiǎn)，才能采取相應(yīng)的解危措施，并盡早實(shí)施解危措施，以防在實(shí)施過程中發(fā)生沖擊地壓。顯然，采取措施的前提是要判定沖擊危險(xiǎn)確實(shí)存在。因此要求檢測(cè)方法在時(shí)間上和空間上連續(xù)，并能便于就地采取措施。鉆屑法是目前滿足這一要求的理想方法。它能相當(dāng)可靠地檢測(cè)出煤層內(nèi)存在的高應(yīng)力區(qū)。按照各礦確定的沖擊危險(xiǎn)檢測(cè)指標(biāo)，遵照《規(guī)定》的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行鉆屑法施工，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果就可以鑒別沖擊危險(xiǎn)。只要在相當(dāng)?shù)臋z測(cè)深度上出現(xiàn)沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)規(guī)定的數(shù)值，則被認(rèn)為具有沖擊危險(xiǎn)，應(yīng)采取解危措施。但是，用鉆屑法鑒別沖擊危險(xiǎn)是帶有經(jīng)驗(yàn)性的，而且不能依據(jù)個(gè)別鉆孔提供的數(shù)據(jù)，應(yīng)通過多個(gè)鉆孔的測(cè)試結(jié)果，鑒別沖擊危險(xiǎn)的變化。所以需要施工較多的鉆孔。根據(jù)這些鉆孔提供的數(shù)據(jù)綜合判定沖擊危險(xiǎn)程度。.檢查解危措施的效果經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)的有發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)的區(qū)段，必須采取解危措施。實(shí)施解危措施后，還必須檢查解危效果。目前評(píng)價(jià)卸載效果主要依據(jù)卸載后的直接效應(yīng)，如鉆屑量的變化、聲響效應(yīng)等。從理論上講，檢測(cè)煤巖體內(nèi)儲(chǔ)存能量的多少，是評(píng)價(jià)卸載效果的最佳指標(biāo)。但目前還沒有可靠的檢測(cè)煤巖體內(nèi)儲(chǔ)存能量方法，鉆屑法仍是較可靠的方法。通常在實(shí)施解危措施時(shí)，伴隨的卸載現(xiàn)象相當(dāng)明顯，再進(jìn)行效果檢查似乎多余，因此往往造成不被重視，這是不正確的。即使實(shí)施卸壓鉆孔時(shí)排粉量相當(dāng)多，實(shí)施卸壓爆破效果相當(dāng)好，但效果檢查仍是必不可少的。原因是卸載過程中，煤體應(yīng)力又要重新分布，應(yīng)力集中帶既向煤壁深部轉(zhuǎn)移，也要向兩側(cè)鄰區(qū)轉(zhuǎn)移，仍可能集中在巷道或工作面附近。實(shí)施卸載措施后，應(yīng)特別注意這種應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。卸壓鉆孔、卸壓爆破和高壓注水等卸裁措施實(shí)施后，都存在應(yīng)力轉(zhuǎn)移問題。因此井下安全措施不僅包括沖擊危險(xiǎn)的預(yù)測(cè)和采取解危措施，而且還應(yīng)進(jìn)行卸載效果的檢查。研究和實(shí)踐表明，實(shí)施解危措施后，支承壓力峰值降低，峰值位置向煤體深部轉(zhuǎn)移，打鉆過程中一般比較平靜，無動(dòng)力現(xiàn)象。這些都表明煤體已經(jīng)卸載。龍鳳礦和門頭溝礦采煤工作面煤層解危前后的典型鉆屑量曲線如圖4-5、4-6所示。表明鉆屑量（支承壓力）峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移2?3m,峰值下降約20%。5

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-4圖I一同裝市前煒11面起斤由戌?二$ & ￡e『a至煤犍離w'龍鳳礦卸載前后G—P曲線501一卸載后曲戰(zhàn)I..5Z：l.? ，f-九”至謔在JE工.￡品"軾？圖4-6門頭溝礦卸載前后G-P曲線第四節(jié)電磁輻射監(jiān)測(cè)法一、電磁輻射監(jiān)測(cè)的原理煤巖電磁輻射是煤巖體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的一種現(xiàn)象，與煤巖體的變形破裂過程密切相關(guān)。電磁輻射信息綜合反映了煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象的主要影響因素，電磁輻射強(qiáng)度主要反映了煤巖體的受載程度及變形破裂強(qiáng)度，脈沖數(shù)主要反映了煤巖體變形及微破裂的頻次。研究表明，不同類型的煤、巖石和混凝土在載荷作用下變形及破裂過程中都有電磁輻射信號(hào)產(chǎn)生。電磁輻射與含瓦斯煤巖流變破壞之間具有很好的相關(guān)性：電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)隨著載荷的增大而增強(qiáng)，隨著加載及變形速率的增加而增強(qiáng);用同步的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，電磁輻射與聲發(fā)射具有很好的一致性，電磁輻射比聲發(fā)射對(duì)破壞過程更為敏感，見圖4-7、圖4-8。二町2■必￡叫<100二町2■必￡叫<100MT0勺b工口?!HTU■?鬻Le-l:F3,0'?l!rEI'1nbHD'田rl.!n甘nlg-立廿、.1-弓窗意士-Z11&.?-Jr數(shù)件事對(duì)相圖4-7煤巖破壞過程中原始信號(hào) 圖4-8聲發(fā)射與電磁輻射相互關(guān)系電磁輻射的強(qiáng)度和脈沖數(shù)可作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖材料變形及破裂過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，二者缺一不可。根據(jù)煤巖流變破壞電磁輻射特性及規(guī)律，提出了利用煤巖流變破壞電磁輻射特性監(jiān)測(cè)煤巖流變破壞過程及非接觸式預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出、沖擊地壓（巖爆）等煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性的技術(shù)方法。掘進(jìn)或回采空間形成后，工作面煤體失去應(yīng)力平衡，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，煤壁中的煤體必然要發(fā)生變形或破裂，以向新的應(yīng)力平衡狀態(tài)過渡；煤體中的瓦斯也失去動(dòng)態(tài)平衡，在瓦斯壓力梯度的作用下，沿煤體中的裂隙向工作面空間涌出，這兩種過程均會(huì)引起電磁輻射。由松弛區(qū)域到應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力及瓦斯壓力越來越高，因此電磁輻射信號(hào)也越來越強(qiáng)。在應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力和瓦斯壓力達(dá)最大值，因此煤體的變形破裂過程也較強(qiáng)烈，電磁輻射信號(hào)最強(qiáng)。進(jìn)入原始應(yīng)力區(qū)，電磁輻射強(qiáng)度將有所下降，且趨于平衡。采用非接觸方式接收的信號(hào)主要是松弛區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)的總體反映（疊加場(chǎng)）。電磁輻射和煤的應(yīng)力狀態(tài)及瓦斯?fàn)顟B(tài)有關(guān)，應(yīng)力高、瓦斯壓力大時(shí)電磁輻射信號(hào)就強(qiáng)，電磁輻射頻率就高，應(yīng)力和瓦斯壓力越高，則突出危險(xiǎn)越大。電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)兩個(gè)參數(shù)綜合反映了煤體前方應(yīng)力的集中程度和瓦斯壓力的大小，因此可用電磁輻射法進(jìn)行突出預(yù)測(cè)。二、電磁輻射技術(shù)的應(yīng)用有動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)時(shí)，工作面煤體電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度（E）較強(qiáng)，超過設(shè)定的臨界值，脈沖數(shù)（N）較高，超過設(shè)定的臨界值且有向上增長(zhǎng)的趨勢(shì)。沒有突出危險(xiǎn)工作面煤體電磁輻射51信號(hào)較弱，脈沖數(shù)較低，均低于臨界值。對(duì)于沒有動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)的煤層，工作面煤體的電磁輻射信號(hào)非常弱，脈沖數(shù)幾乎為零。圖4-9為某工作面發(fā)生沖擊地壓前后電磁輻射變化情況。因此可用電磁輻射法對(duì)煤與瓦斯突出、沖擊地壓進(jìn)行預(yù)測(cè)。有發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)時(shí)，電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)超過臨界值，采取卸壓爆破措施后，電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)大幅度降低，低于臨界值。圖4-10為某工作面測(cè)試結(jié)果，17日夜班測(cè)試超過臨界值，工作面停采，早班測(cè)試也超過臨界值且有增大趨勢(shì)，此時(shí)已達(dá)到相當(dāng)危險(xiǎn)的狀態(tài)。早班工作面采取了卸壓爆破措施。采取措施后，中班進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明電磁輻射幅值大幅度下降，低于臨界值，說明防治效果明顯。因此，可以用電磁輻射方法檢驗(yàn)防治措施的效果。5003月6日 7日 8日 9日10日11日 12日t/d有危險(xiǎn)Ml03月6Ml03月6日7日8日 9日10日11日t/d12日?qǐng)D4-9華豐礦沖擊地壓前后電磁輻射變化規(guī)律圖4-9華豐礦沖擊地壓前后電磁輻射變化規(guī)律16夜16中 17夜 17早17中 18夜 18早 18中 19夜時(shí)間/班次ooooooO4208642vm值幅圖4-10有災(zāi)害危險(xiǎn)采取防治措施前后電磁輻射幅值變化情況52三、功能特點(diǎn)及使用范圍1.功能特點(diǎn)1）電磁輻射技術(shù)及監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了非接觸、定向、區(qū)域及連續(xù)預(yù)測(cè)。2）信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、處理、存儲(chǔ)和報(bào)警由監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)完成。3）監(jiān)測(cè)儀具有人機(jī)對(duì)話、遠(yuǎn)程PC機(jī)（上位機(jī)）控制（或本地鍵盤控制）、定向接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢和報(bào)警等功能。2.使用范圍1）礦山?jīng)_擊地壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)2）煤與瓦斯突出的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)3）其它煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)4）礦井采掘工作面前方應(yīng)力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)四、監(jiān)測(cè)方法采用監(jiān)測(cè)儀對(duì)煤巖體可進(jìn)行定點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和多點(diǎn)動(dòng)態(tài)踉蹤監(jiān)測(cè)。定點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)就是在巷道中選定某一測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)選定區(qū)域內(nèi)煤巖體在采掘過程中電磁輻射的變化。多點(diǎn)動(dòng)態(tài)是艮蹤監(jiān)測(cè)就是隨著工作面的進(jìn)尺，在工作面不同位置布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)進(jìn)尺后工作面前方煤巖體的電磁輻射及其變化規(guī)律，以預(yù)測(cè)工作面前方煤巖體的動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)程度。對(duì)于回采工作面，也需對(duì)上、下順槽進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工作面預(yù)測(cè)，以多點(diǎn)動(dòng)態(tài)踉蹤監(jiān)測(cè)為主，每點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間為2~30分鐘即可，如條件允許，最好進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。KBD5礦用本安型煤與瓦斯突出（沖擊地壓）電磁輻射監(jiān)測(cè)儀是通過電磁輻射強(qiáng)度值和脈沖數(shù)兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)三個(gè)值（電磁輻射強(qiáng)度極大值Emax、電磁輻射強(qiáng)度平均值Eavg和電磁輻射脈沖數(shù)N）來監(jiān)測(cè)工作面突出或沖擊危險(xiǎn)程度的。屬于下列情況之一的區(qū)域就具有發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性：1）當(dāng)電磁輻射強(qiáng)度極大值或脈沖數(shù)值超過某一臨界值時(shí)，儀器自動(dòng)報(bào)警；2）電磁輻射脈沖數(shù)或強(qiáng)度（極大值和平均值）指標(biāo)具有明顯的增強(qiáng)趨勢(shì)，則表明有動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)，應(yīng)采取措施；3）電磁輻射強(qiáng)度或脈沖數(shù)值明顯由大變小，但一段時(shí)間后又突然增大。此種方式最為危險(xiǎn)，特別是對(duì)于沖擊地壓，應(yīng)立刻采取措施。對(duì)一般礦區(qū)，電磁輻射強(qiáng)度平均值報(bào)警臨界值為150,電磁輻射極大值的報(bào)警臨界值為200,電磁輻射脈沖數(shù)臨界值為1000。但對(duì)于某一特定礦區(qū)，可根據(jù)其電磁輻射水平比較確定，初期可簡(jiǎn)單按無突出危險(xiǎn)煤層工作面的電磁輻射值的1.5倍作為臨界值。第四節(jié)地音流動(dòng)監(jiān)測(cè)法20世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)、波蘭等國(guó)把地音監(jiān)測(cè)用于煤礦井下預(yù)測(cè)沖擊地壓，并相繼研制出可進(jìn)行流動(dòng)監(jiān)測(cè)的便攜式地音儀。我國(guó)20世紀(jì)70年代開始這方面的研究，北京、大同、撫順等礦務(wù)局曾采用BD4-1型巖體聲發(fā)射儀，井下進(jìn)行流動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)和應(yīng)用，作為輔助手53

段配合鉆屑法進(jìn)行沖擊地壓的預(yù)測(cè)工作。某些材料在外力作用下，會(huì)發(fā)射出音頻和超音頻范圍內(nèi)的彈性波，即聲發(fā)射現(xiàn)象。煤巖體也有聲發(fā)射現(xiàn)象常稱地音。聲發(fā)射的原因與煤巖體在變形和破壞過程彈性能的突然釋放有關(guān)。對(duì)多晶材料或含有裂隙的材料其內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)和強(qiáng)度是不同的。在外力作用下，整體變得不穩(wěn)定之前，局部就會(huì)呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。隨著載荷增加，裂隙貫通、擴(kuò)展并釋放能量。聲發(fā)射正是這種擴(kuò)展過程中的聲學(xué)效應(yīng)。聲發(fā)射的強(qiáng)弱反映了煤巖體破壞的能量釋放過程，是評(píng)價(jià)煤巖體破壞的信息。研究結(jié)果表明，煤巖體聲發(fā)射等前兆現(xiàn)象，出現(xiàn)于煤巖體破斷初期。我們感興趣的是前兆現(xiàn)象超前破斷時(shí)間的長(zhǎng)短，它取決于破裂尺度。實(shí)驗(yàn)室中試件的試驗(yàn)時(shí)間是很短的，而在大斷裂情況下則是很長(zhǎng)的。圖4-11為試驗(yàn)證明的出現(xiàn)前兆現(xiàn)象與后來發(fā)生斷裂帶長(zhǎng)度的關(guān)系?？梢钥闯?，在礦井中發(fā)生的冒頂和沖擊地壓，前兆超前時(shí)間由7min至1d變化不等。這就足以預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，以便撤人和采取解危措施。煤巖的聲發(fā)射現(xiàn)象及伴隨的聲信號(hào)（地音）是隨機(jī)瞬態(tài)過程，包含有很寬的頻率成分。相鄰兩次聲發(fā)射現(xiàn)象不具有重復(fù)性，其時(shí)間間隔等參量帶有很大的隨機(jī)性。而且每次聲信號(hào)又都有自己的特殊的頻率譜。止匕外，地音在井下是大量存在的，所以一般用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和模糊數(shù)學(xué)的方法，藉助某些地音參量來描述。常用的基本參量有事件數(shù)、能率和振時(shí)等。接收到的一次獨(dú)立的波動(dòng)過程，例如一次脈沖，稱為一個(gè)事件。一個(gè)事件是由一組強(qiáng)弱不等的脈沖組成，如果人為規(guī)定一些條件，例如按實(shí)測(cè)噪音背景設(shè)定閾值和信噪比，滿足這些條件的事件稱有效事件，否則為無效事件。按照最大振幅的高低可將事件分級(jí)，例如大事件、小事件等。一定時(shí)間內(nèi)事件之和稱事件累計(jì)值。單位時(shí)間內(nèi)的事件數(shù)稱事件頻度，相應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)所有事件的累計(jì)振動(dòng)延續(xù)時(shí)間稱振時(shí)。根據(jù)地音儀接收到的地音信號(hào)振幅和振時(shí)延續(xù)時(shí)間可求得地音能率（能率為一個(gè)無量綱值）。國(guó)產(chǎn)便攜式地音儀由探頭和主機(jī)兩部分組成。圖4-11預(yù)兆現(xiàn)象的時(shí)間超前探頭安設(shè)于待測(cè)地點(diǎn)的煤巖體的檢測(cè)孔中，用于接收地音，并把它轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)。主機(jī)用于處理并放大電訊號(hào)，然后以數(shù)字顯示檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)參量包括每分鐘的大事件數(shù)、小事件數(shù)、振時(shí)和能率。檢測(cè)孔要求距監(jiān)測(cè)目標(biāo)為15m左右。檢測(cè)制度根據(jù)需要而定，每次單孔監(jiān)測(cè)可按10min圖4-11預(yù)兆現(xiàn)象的時(shí)間超前探頭安設(shè)于待測(cè)地點(diǎn)的煤巖體的檢測(cè)孔采用地音儀預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)的關(guān)鍵是制定評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)的確切準(zhǔn)則或前兆信息。北京礦務(wù)局等單位通過試驗(yàn)，根據(jù)地音基本參量及其派生參量的變化，來評(píng)價(jià)煤巖體應(yīng)力集中情況和沖擊危險(xiǎn)程度。其沖擊前兆主要表現(xiàn)為能率E、大事件數(shù)N和事件能率E/N的多次突變和躍升，而后出現(xiàn)聲發(fā)射平靜期。54

第五節(jié)煤層圍巖壓力-變形觀測(cè)法采掘活動(dòng)在煤層和頂?shù)装逯袑⒁鸶鞣N形式的礦山壓力顯現(xiàn)，其中支承壓力有著特殊的意義。支承壓力的大小、分布是多因素影響的結(jié)果。在發(fā)生沖擊地壓過程中，支承壓力特別是動(dòng)壓顯現(xiàn)起著重要作用。因此利用它的顯現(xiàn)規(guī)律可以預(yù)測(cè)沖擊地壓。一般情況下， ：支承壓力的動(dòng)壓顯現(xiàn)與工作面煤壁邊緣區(qū)的穩(wěn)定性有關(guān)。當(dāng)邊緣區(qū)未被壓壞時(shí)，隨著采煤工作面的推進(jìn)，支承壓力的大小和峰值也隨之變化，其峰值愈靠近煤壁（如圖4-12中的曲線1）沖擊危險(xiǎn)性也愈大。由于頂板巖層各分層的不同變形和破壞， 圖4-12工作面前方支承壓力的動(dòng)態(tài)變化造成支承壓力的動(dòng)壓顯現(xiàn)具有復(fù)雜的特征。特別是由于采煤，隨著空頂跨距增大，或頂板垮落造成邊緣區(qū)煤體迅速加載或突然卸載，以及爆破落煤時(shí)發(fā)生沖擊性加載情況等。當(dāng)邊緣區(qū)被壓壞時(shí)，邊緣區(qū)煤體和頂?shù)装宓淖冃螌㈦S時(shí)間增加而增大，峰值向煤壁深部轉(zhuǎn)移（圖4-12中的曲線2）。當(dāng)邊緣區(qū)只被壓實(shí)而尚未被壓壞前，支承壓力分布曲線如曲線3所示。特別是存在厚層高強(qiáng)度頂板的情況下，頂板的破斷狀態(tài)往往對(duì)沖擊地壓起決定性影響。這是由于懸頂斷裂引起震動(dòng)，誘發(fā)煤層沖擊。另外在頂板在下沉過程中，由于重力和水平應(yīng)力（例如地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力）導(dǎo)致頂板巖塊的動(dòng)力破碎，突然大量釋放變形能而造成頂板沖擊。顯然，煤層內(nèi)的壓力分布和破裂特性，以及頂板（特別是老頂）的周期性斷裂與沖擊地壓的產(chǎn)生有重要關(guān)系。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一，即：1）煤層的支承壓力強(qiáng)度升高，峰值位置靠近煤壁；2）頂板下沉速度增大，而煤層的側(cè)向變形（壓出）減小，甚至停滯；3）頂板下沉速度急增，或者相反，幾個(gè)班、甚至更長(zhǎng)時(shí)間的頂板下沉滯后；4）老頂周期性斷裂時(shí)（包括斷裂位置和時(shí)間），都預(yù)示著存在沖擊地壓危險(xiǎn)。通過觀測(cè)，掌握上述規(guī)律和檢測(cè)指標(biāo)，能達(dá)到預(yù)測(cè)的目的。對(duì)于存在厚層高強(qiáng)度砂巖頂板的情況，觀測(cè)變形和周期性斷裂規(guī)律，對(duì)預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)有重要意義。頂板的急速下沉，引起煤層突然加載或頂板突然斷裂，引起震動(dòng)，都可能誘發(fā)沖擊地壓。棗莊礦務(wù)局陶莊礦在2#煤層272水采區(qū)開采過程中進(jìn)行了圍巖動(dòng)態(tài)觀測(cè)。該區(qū)開采深度496?644m,煤層厚度2?5.5m,頂板為厚20?40m的中粒石英砂巖，采用傾斜短壁式水力采煤。觀測(cè)結(jié)果認(rèn)為，采場(chǎng)推進(jìn)過程中，由于煤體支承能力的改變和上覆巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不斷變化，造成支承壓力的動(dòng)態(tài)變化，使水采區(qū)煤體支承能力瞬間超載，范圍一般為10?20m,采場(chǎng)老頂存在兩個(gè)巖梁，其來壓前后都有可能導(dǎo)致沖擊地壓，但大部分是在老頂明顯運(yùn)動(dòng)之后發(fā)生。觀測(cè)中多次沖擊地壓就發(fā)生在采場(chǎng)來壓前后，僅在該區(qū)4、5號(hào)水道發(fā)生的38次沖擊地壓中，有一半發(fā)生在采場(chǎng)來壓前后。通過頂板顯著運(yùn)動(dòng)和煤體承載能力的顯著超載可用于預(yù)報(bào)沖擊地壓可能發(fā)生的地點(diǎn)和時(shí)間。圖4-13為掘進(jìn)槍眼時(shí)發(fā)生沖擊地壓的觀測(cè)實(shí)例，從11月29日起，3#和4#號(hào)測(cè)點(diǎn)移近速度明顯增大，至12月2日達(dá)峰值。表明老頂巖梁達(dá)極限垮度。在斷裂前夕，壓力向斷裂線兩側(cè)集中，斷裂線位于兩測(cè)點(diǎn)之間，12月2日巖梁斷裂，兩測(cè)點(diǎn)間支承壓力高度集中，于是在該部位掘進(jìn)的13號(hào)槍眼中發(fā)生沖擊地壓。沖擊地壓發(fā)生后，應(yīng)力釋放，移近速度下降。4日兩測(cè)點(diǎn)的移近速度又回升，表明55

壓力轉(zhuǎn)移，其中3#測(cè)點(diǎn)移近速度回升是由于第一巖梁斷裂后顯著沉降，壓力向工作面方向轉(zhuǎn)移的結(jié)果，而擴(kuò)測(cè)點(diǎn)的回升是由于第一巖梁上部巖層重力作用引起的支承壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移所致。顯然，高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移到4#測(cè)點(diǎn)以遠(yuǎn)。am-24OQ-22D0-ZO&O.3800-1WD-HCti-t2M-JOQO-80C--5W圖4-13掘進(jìn)槍眼時(shí)形成沖擊地壓時(shí)礦壓觀測(cè)a—觀測(cè)結(jié)果；b—觀測(cè)地點(diǎn)利用鉆孔油壓枕觀測(cè)煤巖壓力變化認(rèn)為，沖擊地壓發(fā)生前后，煤壁附近處于壓力降低過程中，壓力降低可提前十多個(gè)小時(shí)出現(xiàn)，下降幅度0.03?0.1kN。反映了煤層長(zhǎng)時(shí)間壓縮之后，一旦減壓，則側(cè)向變形增強(qiáng)，煤層擠出速度超過頂板下沉速度。第六節(jié)地音和微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在煤巖介質(zhì)中，出于采掘活動(dòng)引起的高應(yīng)力集中，造成采掘空間周圍巖的震動(dòng)、破裂和突然卸壓出現(xiàn)一系列具有動(dòng)力特征的聲發(fā)射現(xiàn)象，可以認(rèn)為上述動(dòng)力現(xiàn)象是煤巖結(jié)構(gòu)破壞和裂隙擴(kuò)展或?yàn)?zāi)害性事故的前兆信號(hào)。觀測(cè)和記錄這些現(xiàn)象（例如地音和微震強(qiáng)度的增加）就可以預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)。地音和微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與其它礦區(qū)監(jiān)測(cè)法則比，在時(shí)間可以不間斷地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在空間上不再局限于“點(diǎn)”或“線”的測(cè)量，其監(jiān)測(cè)范圍是采礦活動(dòng)的一定空間并可借助計(jì)算機(jī)運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。兩種系統(tǒng)都采用了自動(dòng)遙測(cè)方法記錄和傳輸信號(hào)。當(dāng)前我國(guó)和世界各主要采礦國(guó)家都在試驗(yàn)和應(yīng)用這類方法。地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種連續(xù)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)方法通常是在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)布置地音探頭，根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)條件配置事件有效性檢測(cè)條件和統(tǒng)計(jì)控制等工作參數(shù)，由監(jiān)測(cè)裝置自動(dòng)采集地音信號(hào)，經(jīng)微機(jī)實(shí)時(shí)處理和加工，完成統(tǒng)計(jì)報(bào)表和圖表，由工作人員結(jié)合采掘工程進(jìn)度判斷監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的地音活動(dòng)程度和危害程度。地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常有16?32A道，最多可同時(shí)監(jiān)測(cè)4?8個(gè)采煤工作面。例如MA0104E地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法如圖4-14所示。地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：56

1）能自動(dòng)、連續(xù)和遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)工作地的地音信號(hào)。由于采用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)主機(jī)，所以其信號(hào)采集、數(shù)據(jù)整理和貯存、監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析、圖表打印等能自動(dòng)完成，而且系統(tǒng)在時(shí)間上是連續(xù)工作的，在空間上可以在10km范圍內(nèi)布置監(jiān)測(cè)區(qū)，每個(gè)探頭的有效測(cè)監(jiān)范圍對(duì)煤礦為半徑100m。升下部分井上部分圖4-14地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升下部分井上部分圖4-14地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3）可以監(jiān)聽任意一個(gè)或幾個(gè)通道所接收的振動(dòng)聲響。監(jiān)聽采掘工作面多種信號(hào)，例如輸送機(jī)是否開動(dòng)、采煤機(jī)聲響等。實(shí)踐證明，采掘工作面地音活動(dòng)受采動(dòng)應(yīng)力控制，地音變化與煤體應(yīng)力變化有相似的過程形態(tài)，且地音超前于變形和壓力變化。地音活動(dòng)是三階段時(shí)間過程，即相對(duì)平靜、急劇增加、顯著減弱等一個(gè)階段。伴隨地音動(dòng)態(tài)的時(shí)間過程，地音活動(dòng)逐漸向采動(dòng)附加應(yīng)力高值區(qū)及脆性地質(zhì)帶集中。這些部位是潛在發(fā)生沖擊地壓的震源位置。地音監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵是對(duì)危險(xiǎn)地音信號(hào)的識(shí)別。當(dāng)?shù)匾艋顒?dòng)集中在采區(qū)某一部位，并且地音事件的強(qiáng)度逐漸增加時(shí)預(yù)示著沖擊地壓危險(xiǎn)，正是利用地音的時(shí)間變化來判斷應(yīng)力狀態(tài)和預(yù)測(cè)沖擊地壓危險(xiǎn)。圖4-15為門頭溝礦某刀柱作面平均地音能量曲線、在地音活動(dòng)經(jīng)歷了相對(duì)平靜、急速增加、顯著減弱階段后發(fā)生了ML=2.6級(jí)沖擊地壓。圖4-15工作面地音能量和微震頻度圖微震系統(tǒng)的主功能是對(duì)全礦范圍進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)。自動(dòng)記錄微震活動(dòng)，實(shí)時(shí)進(jìn)行震源定位和微震能量計(jì)算。為評(píng)價(jià)全礦范田內(nèi)的沖擊地壓危險(xiǎn)提供依據(jù)。其原理是利用井下拾震儀站57

接收的直達(dá)P波起始點(diǎn)的時(shí)間差，在特定的波速場(chǎng)條件下二維或三維定位，以判定破壞地點(diǎn)，同時(shí)利用震相持續(xù)時(shí)間計(jì)算所釋放能量和震級(jí)，并標(biāo)入采掘工程平面圖和速報(bào)顯示給生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，以便采取措施。微震系統(tǒng)一般由三部分組成，見圖4-16。信號(hào)處理系統(tǒng)拾賽器2信號(hào)采集單元計(jì)算信號(hào)處理系統(tǒng)拾賽器2信號(hào)采集單元計(jì)算機(jī)打印機(jī)一發(fā)現(xiàn)與延時(shí)井下部分圖4-16微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1）拾震傳輸系統(tǒng)：包括拾震儀、傳輸電纜和接收箱?？山邮?路微震信號(hào)，微震信號(hào)頻帶寬?50Hz，最大傳輸距離10km。2）信號(hào)處理系統(tǒng)：在可編程序支持下微機(jī)完成全部處理工作，并對(duì)全部信息量進(jìn)行存貯，可以調(diào)出各次震動(dòng)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，機(jī)制測(cè)定和波譜分析等。3）模擬記錄裝置：實(shí)時(shí)記錄通道模擬震相，可以粗略定位和確定震源性質(zhì)。微震監(jiān)測(cè)已成為礦山地震預(yù)報(bào)的重要手段，但用于沖擊地壓預(yù)測(cè)尚不夠成熟。門頭溝礦對(duì)記錄的6321次微震的分析。歸納出以下沖擊地壓前兆的微震活動(dòng)規(guī)律。①微震活動(dòng)的頻度急劇增加；②微震總能量急劇增加；③爆破后，微震活動(dòng)恢復(fù)到爆破前微震活動(dòng)水平所需時(shí)間增加。該礦大量的監(jiān)測(cè)實(shí)踐表明，根據(jù)微震活動(dòng)的變化、震源方位和活動(dòng)趨勢(shì)可以評(píng)價(jià)沖擊地壓危險(xiǎn)。1）無沖擊危險(xiǎn)的微震活動(dòng)趨勢(shì)是：微震活動(dòng)一直比較平靜，持續(xù)保持在較低的能量水平（＜104J）處，處于能量穩(wěn)定釋放狀態(tài)。2）有沖擊危險(xiǎn)的微震活動(dòng)趨勢(shì)是①微震活動(dòng)的頻度和能級(jí)出現(xiàn)急劇增加，持續(xù)2?3d后，會(huì)出現(xiàn)大的震動(dòng)；②微震活動(dòng)保持一定水平（＜104J=，突然出現(xiàn)平衡期，持續(xù)后，會(huì)出現(xiàn)大的震動(dòng)和沖擊；③微震活動(dòng)與采掘活動(dòng)有密切關(guān)系，每當(dāng)出現(xiàn)較大微震活動(dòng)時(shí)都應(yīng)從時(shí)間序列分析與采掘線的關(guān)系，逐次遠(yuǎn)離采掘線時(shí)危險(xiǎn)較??；逐次向采掘線靠近時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)防范，并配地音和鉆屑法監(jiān)測(cè)防止事故發(fā)生。58第八節(jié)其它沖擊地壓預(yù)測(cè)方法一、煤層含水量變化觀測(cè)法試驗(yàn)研究表明，采用壓力注水，增加煤巖層含水量對(duì)減緩沖擊地壓起著重要作用。實(shí)驗(yàn)室力學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于龍鳳礦煤樣，浸水15天以后含水量均達(dá)到4%以上，煤的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，變成無沖擊傾向煤層。鉆屑法實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)證明，浸水試塊的含水量達(dá)到3.9%后，在300t（軸向應(yīng)力31.2MPa）壓力下，鉆孔過程中沒有發(fā)生沖擊現(xiàn)象，鉆屑量也明顯減少。有限元計(jì)算進(jìn)一步證明，由于含水量增加，降低了煤的彈性，增加了塑性，使煤層聚積彈性能的能力降低20%?60%。天池煤礦對(duì)井下現(xiàn)場(chǎng)注水區(qū)和未注水區(qū)，分別進(jìn)行圍巖變形觀測(cè)和化驗(yàn)水分，未注水區(qū)煤樣平均含水率為3.02%,注水區(qū)煤樣為3.84%。注水區(qū)煤層圍巖變形速度或變形量比未注水區(qū)平均增加10倍左右，說明煤層含水量增加，煤層的變形能力增加，塑性增大。實(shí)測(cè)的煤層堅(jiān)固性系數(shù)（普氏系數(shù)），未注水區(qū)為，注水區(qū)降至。根據(jù)上述研究結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用情況，采用觀測(cè)煤層含水量的變化來預(yù)測(cè)沖擊地壓危險(xiǎn)是可行的，可以作為輔助手段配合使用。觀測(cè)是通過打眼取樣，化驗(yàn)水分的方法進(jìn)行的。每推進(jìn)兩個(gè)循環(huán)取一次樣，每次取樣3份，經(jīng)化驗(yàn)取平均水分，填入專用表格，作為綜合判定沖擊危險(xiǎn)的依據(jù)之一。評(píng)判沖擊危險(xiǎn)的指標(biāo)，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行確定。對(duì)于龍鳳礦，煤層含水量達(dá)至%以上為無直接沖擊危險(xiǎn)，低于％為在沖擊危險(xiǎn)。二、巖芯“餅化”觀測(cè)法在高地應(yīng)力區(qū)巖體中鉆孔，巖芯會(huì)破壞成凹凸?fàn)畹膱A片（餅化）。如同對(duì)煤層鉆孔一樣，在高應(yīng)力下鉆孔，其鉆屑量增多。巖芯“餅化”成圓片的厚薄和多少是表征巖體應(yīng)力狀態(tài)的標(biāo)志之一。在巖體力學(xué)中有人以發(fā)生“巖爆”和“巖芯餅化”的臨界應(yīng)力為界，區(qū)分高地應(yīng)力和一般地應(yīng)力。把地應(yīng)力超過該區(qū)巖石單向抗壓強(qiáng)度的三倍以上稱為高地應(yīng)力。武漢巖土所于1981年在二灘核電站測(cè)得了巖芯“餅化”處的地應(yīng)力。用三維程序計(jì)算了五種不同水平地應(yīng)力組合情況下巖芯中殘留的地應(yīng)力，找出了最容易使巖芯餅化的地應(yīng)力組合情況。分析了各種地應(yīng)力組合狀態(tài)下巖芯破裂始點(diǎn)應(yīng)力。由此認(rèn)為由地應(yīng)力作用使巖芯破裂成餅狀的主要原因是主拉應(yīng)力所致，破裂形式主要是拉斷，但也不能忽視剪應(yīng)力的作用。在巖芯外邊緣處，拉應(yīng)力和剪應(yīng)力都相當(dāng)大。所以說，巖芯是拉一剪破壞更符合實(shí)際.試驗(yàn)研究認(rèn)為，巖芯破壞成凹凸?fàn)畹膱A片，是有沖擊傾向巖石應(yīng)力狀態(tài)和物理力學(xué)性質(zhì)的綜合特征，是沖擊危險(xiǎn)區(qū)巖石的固有性質(zhì)。該法的實(shí)質(zhì)是在鉆孔取巖芯時(shí)，根據(jù)巖芯分裂成凹凸?fàn)顖A片的特征來判定巖石的沖擊危險(xiǎn)。它不但可以確定有無沖擊（突出）危險(xiǎn)，而且可以判定沖擊危險(xiǎn)程度。具體作法是，沿巷道掘進(jìn)方向打直徑59?76mm的鉆孔，根據(jù)1m長(zhǎng)鉆孔巖芯分裂成圖片的數(shù)量進(jìn)行判定。其沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)是：1m巖芯有30?40個(gè)以上凹凸?fàn)顖A片，屬?gòu)?qiáng)烈沖擊危險(xiǎn)程度，突出的巖石量可能大于500t。1m巖芯有20?30個(gè)圖片，并摻雜有帶環(huán)狀裂縫的長(zhǎng)50?100mm的巖石圓柱體時(shí)，屬中等沖擊危險(xiǎn)程度，突出的巖石量可能為300?400t。3）鉆出150?200mm以致更長(zhǎng)的巖芯，其上有裂縫圍繞，并摻雜著個(gè)別圓片，屬弱沖擊危險(xiǎn)程度，突出的巖石量可能為30?50t。59為了取得滿意的巖芯材料，鉆孔按以下方式布置：如果沖擊（突出）危險(xiǎn)巖石位于巷道全斷面，則沿巷道中心打鉆；若在巷道斷面上有危險(xiǎn)層又有非危險(xiǎn)層，則在危險(xiǎn)層中沿推進(jìn)方向打鉆；若不知道各分層的沖擊危險(xiǎn)性，則沿每個(gè)分層都打鉆取芯。巖芯“餅化”觀測(cè)法，在前蘇聯(lián)頓巴斯的一些礦井掘進(jìn)巖巷中用于預(yù)測(cè)沖擊地壓危險(xiǎn)，在南非金屬礦的采掘過程中也在應(yīng)用。但根據(jù)一些文獻(xiàn)介紹，此法用于評(píng)價(jià)沖擊地壓危險(xiǎn)程度并沒有取得好的結(jié)果。所以在具有沖擊危險(xiǎn)巖層中掘進(jìn)巷道時(shí)，此法只能作為預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)的輔助手段。三、沖擊地壓前兆現(xiàn)象觀測(cè)法根據(jù)沖擊地壓發(fā)生前的一般規(guī)律，可以觀察到某些宏觀前兆，并用于預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)。.巖體聲響前兆現(xiàn)象沖擊地壓發(fā)生前，巖體應(yīng)力和變形將發(fā)生變化。特別是頂板巖層活動(dòng)加劇，下沉量增加，支柱受壓變形加大。在頂板活動(dòng)方面，表現(xiàn)為斷裂聲加劇，能聽到清脆的斷裂聲、采空區(qū)里的悶雷聲，當(dāng)響聲逐漸增大加密，由清脆到沉悶時(shí)，可能預(yù)示著沖擊危險(xiǎn)。在煤體方面，表現(xiàn)為煤壁有片幫、炸幫現(xiàn)象。煤壁內(nèi)有受壓咕咕叫聲，鉆孔時(shí)，鉆桿跳動(dòng)劇烈，且易被卡住拔不出來。在支柱方面，表現(xiàn)為支柱折斷劈裂，柱帽和頂梁變形加劇。.放炮時(shí)前兆現(xiàn)象采用爆破法掘進(jìn)或采煤時(shí)，在通過或遇到?jīng)_擊危險(xiǎn)地帶，將發(fā)生某些特殊現(xiàn)象，主要有：1）爆破效率異常提高，炮眼利用率增加，殘眼減少，甚至沒有；2）巖石的破碎程度加劇，崩落的單個(gè)巖塊失去整體結(jié)構(gòu)；（3）爆破后的巖壁上出現(xiàn)鱗片狀痕跡，產(chǎn)生巖石分化或薄片。四、旋轉(zhuǎn)管法鉆屑法可以從煤層鉆孔引起的破裂效應(yīng)，得出瞬時(shí)應(yīng)力狀態(tài)和可能的沖擊危險(xiǎn)。但受時(shí)間和空間限制，難以進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。波蘭、德國(guó)等國(guó)家采用旋管法可以對(duì)靜止煤壁進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)（鉆孔的穩(wěn)定性）。旋轉(zhuǎn)管包括一個(gè)低壓聚合物管子（蔡司管），外徑為25mm（或按煤層情況具體確定）。測(cè)試時(shí)將旋轉(zhuǎn)管放入鉆好的測(cè)試孔內(nèi)，并在孔底錨定，但可以旋轉(zhuǎn)。該方法的原理是，在形成高應(yīng)力的超前支承壓力區(qū)內(nèi)，鉆孔周圍的煤體發(fā)生破裂過程中鉆孔變形收縮或變窄，甚至閉合擠實(shí)。由于鉆孔變形擠壓，使旋轉(zhuǎn)管卡緊。出現(xiàn)這種情況就預(yù)示有沖擊危險(xiǎn)。然后進(jìn)行孔內(nèi)探測(cè)，用探測(cè)桿測(cè)量卡緊的旋轉(zhuǎn)管的剩余斷面，根據(jù)不同孔徑和不同壁厚的旋轉(zhuǎn)管確定的剩余斷面標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)預(yù)測(cè)。該法如同鉆屑法一樣，簡(jiǎn)單易行。五、熱力法熱力法的基礎(chǔ)是單軸和多軸壓縮試驗(yàn)中，應(yīng)力與溫度的變化關(guān)系。隨載荷的增加，巖石的溫度升高，卸載后，溫度以一定的滯后時(shí)間返回到初始狀態(tài)。溫度的增量值取決于巖石的種類和施加載荷的速度。在多數(shù)加載相當(dāng)緩慢的情況下，巖石的溫度升高。一般砂巖升高0.12°C,煙煤升高0.45°C。溫度的測(cè)量可采用接觸式（加熱地電阻）和非接觸式（如紅外線溫度計(jì)，熱掃描等）的方法。因此，在煤巖體中溫度明顯增加是高應(yīng)力狀態(tài)的反映，這可被利用作為沖擊危60

險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的依據(jù)。前蘇聯(lián)沃爾古茨基煤田的沖擊地壓礦井，在具有沖擊危險(xiǎn)厚煤層中使用鉆屑法的同時(shí)，在同一鉆孔中借助溫度傳感器測(cè)定煤體溫度，或用手持式紅外線溫度計(jì)測(cè)定煤體溫度。他們對(duì)煤柱中的溫度變化進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)，并用來評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)程度。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，煤體溫度變化反映了應(yīng)力一變形狀態(tài)變化，因此，可用于估計(jì)沖擊危險(xiǎn)程度。六、電阻率探測(cè)法煤巖體電阻率探測(cè)法是一種人工電場(chǎng)的方法。它以煤巖體導(dǎo)電能力的差異為基礎(chǔ)，通過研究穩(wěn)定電流場(chǎng)在巖體半無限空間的分布規(guī)律來探測(cè)煤巖體電阻率的變化。電阻率的變化反映了巖體的變形情況，并以此分析煤巖體的受力狀態(tài)，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性及沖擊危險(xiǎn)性。煤巖體的電阻率主要與濕度、水溶液濃度與溫度、煤巖體的結(jié)構(gòu)及層理面分布等因素有關(guān)。在水文地質(zhì)條件不變的情況下，巖體受力作用后，其節(jié)理、層理、孔隙等必然發(fā)生變化，相應(yīng)電阻率也將發(fā)生變化。當(dāng)煤巖體處于水飽和狀態(tài)時(shí)，受壓則使裂隙壓密，含水量減少，濕度降低，則煤巖體的電阻率相應(yīng)增加；若煤巖體發(fā)生張性變形或受張裂時(shí)，裂隙將增多擴(kuò)大，含水量增加，濕度增加，則煤巖體電阻率相應(yīng)減少；在煤巖體處于非飽和水狀態(tài)時(shí)，其電阻率變化情況恰恰與上述情況相反。因此，在進(jìn)行煤巖體電阻率測(cè)量時(shí)，一定要調(diào)查清楚水文地質(zhì)情況。由此可見，應(yīng)力高的地方水分低，電阻率也低；應(yīng)力小的地方水分和電阻率均較高。七、錘擊波速法ttJttm白）介質(zhì)受到動(dòng)載荷的瞬間沖擊，產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力，引起動(dòng)應(yīng)變，便以波動(dòng)的形式向震源外傳播。介質(zhì)中彈性波的傳播速度與介質(zhì)的密度和力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)。煤體中彈性波的傳播特征是煤體性態(tài)的綜合反映。用錘擊波速法測(cè)得的直接參數(shù)是彈性波波速沿距離的分布，再通過波速與應(yīng)力的關(guān)系推斷煤體中的應(yīng)力集中情況，進(jìn)而對(duì)沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，波速與應(yīng)力的關(guān)系是錘擊波速法的技術(shù)基礎(chǔ)。ttJt