沖擊地壓預測方法

沖擊地壓預測方法第一節(jié)概述沖擊地壓預測是防治工作的重要部分。準確的預測對及時采取區(qū)域性防范措施和局部性解危措施十分重要。沖擊地壓的預測包括時間、地點和規(guī)模。它包括在實驗室對煤層的力學性質和沖擊傾向鑒別及在采掘過程中對沖擊危險程度的鑒別。所謂沖擊危險是指發(fā)生沖擊地壓的可能性。沖擊危險程度是指發(fā)生沖擊地壓的規(guī)模。預先查明礦區(qū)各礦井有沖擊危險的煤層就可以制定合理的礦區(qū)規(guī)劃和礦井設計，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。在有沖擊地壓危險的礦井進行采掘過程中的預測，可以指導人們在危險區(qū)及時采取治理措施，避免沖擊地壓危害。因此，沖擊地壓預測工作可以分階段進行，在煤田地質勘探階段，利用鉆孔巖芯進行力學試驗，測定煤巖的沖擊傾向性。利用詳查和精查勘探中的資料評價影響沖擊地壓的主要地質因素，包括埋藏深度、地質構造、頂?shù)装?，尤其是老頂?shù)膸r性及厚度、煤巖強度及變形特性等；在礦井建設階段，利用井巷揭露出的煤層和巖層進行進一步的力學試驗，評價煤巖層的沖擊傾向和分析新獲得地質資料，選擇合理的開采方法和相應的防范措施；對于生產礦井，開采到一定深度（始發(fā)深度）后，應按照《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》進行管理。由于沖擊地壓一般發(fā)生在采掘工作面及其附近地段，因此要在生產過程中進行經常性的沖擊危險預測工作，以便及時地采取解危措施，保證安全生產。沖擊地壓的預測是基于對沖擊地壓發(fā)生機理的認識。目前沖擊地壓的預測都是圍繞沖擊地壓發(fā)生的強度條件和能量條件進行的。通過對煤巖體的應力水平和分布狀態(tài)以及能量積蓄和釋放等變化進行監(jiān)測，在時空上判斷煤巖體破壞形式、規(guī)模和釋放能量的大小，并以此來進行沖擊地壓的預測。一般情況下，沖擊地壓發(fā)生在采掘工作面的應力集中區(qū)。應力集中產生于開采深度大（自重應力），巖體中存在地質構造應力，采掘空間周圍應力集中，殘留煤柱邊緣區(qū)，斷層和相鄰采掘空間的附加應力等。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)装逡苿铀俣茸兙?，煤由工作面壓出（煤層側向變形）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?，并積存大量變形能。通過監(jiān)測變形能變化引起的聲發(fā)射和微震活動，就可推斷沖擊危險程度。積存能量多，沖擊危險性就大。如果是經多次釋放，則釋放的規(guī)模小。如果是一次集中釋放，則沖擊強烈。這種煤層（礦層）及其圍巖的應力、應變和變形能的變化與沖擊地壓的關系，就是預測沖擊危險的基礎。煤巖力學性質的測定工作及沖擊傾向性鑒別應遵照煤炭部頒發(fā)的《煤和巖石物理力學性質測定方法》和煤炭行業(yè)標準《煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》及《巖石沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》進行。如同沖擊傾向鑒別一樣，判別沖擊危險程度也需一些具體的判別條件。各種預測方法的沖擊危險判據的建立，必須針對具體、生產地質條件，采取理論聯(lián)系實際，實驗室試驗與現(xiàn)場試驗相結合的方法具體確定。沖擊地壓的預測方法，除了以往的經驗類比法外，大致可以分為兩類。一類是以鉆屑法為主的局部探測法，包括煤巖體變形觀測法a頁板動態(tài)、圍巖變形）、煤巖體應力測量法（相40對應力測量，絕對應力測量）、流動地音檢測法、巖餅法等，主要用于探測采掘局部區(qū)段的沖擊危險程度。這類方法簡便易行，直觀可靠，已經得到廣泛應用。其缺點是預測工作在時間和空間上不連續(xù)，費工費時；第二類是系統(tǒng)監(jiān)測法，包括地音系統(tǒng)監(jiān)測法和微震系統(tǒng)監(jiān)測法，以及其它地球物理方法（電磁輻射、地溫、地磁等）。根據連續(xù)記錄煤巖體內出現(xiàn)的動力現(xiàn)象預測沖擊地壓危險狀態(tài)。所依據的基本條件是巖體結構的危險破壞過程，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)被視為動力破壞的前兆。通常是在井上下設置測點，建立沖擊危險區(qū)的監(jiān)測網，把連續(xù)收集記錄的地音和微震信號傳輸?shù)奖O(jiān)測站，利用計算機自動進行數(shù)據整理和加工分析，預測監(jiān)測區(qū)的沖擊危險。這類方法可以實現(xiàn)在空間上和時間上的連續(xù)監(jiān)測。但維護管理較困難，分析數(shù)據和判定煤巖體的力學狀態(tài)難度較大，需要經過長期試驗，積累大量經驗數(shù)據，方可準確預測。第二節(jié)經驗類比法發(fā)生過沖擊地壓的礦井都積累了一些經驗教訓，對以往經驗教訓做出規(guī)律性的總結，并用于指導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驗類比法。在總結和使用經驗類比法時，應著重考慮下列因素：本礦和鄰礦的沖擊地壓現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；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、單軸抗壓強度大于70MPa的堅硬巖層；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)；褶曲或斷裂構造帶等。就整個礦井而言，通過地質條件和開采技術條件的分析，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，當煤巖體應力滿足強度條件時就可能發(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)生地點和范圍也隨之擴大。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，以及地質構造帶都可能成為發(fā)生沖擊地壓的危險區(qū)域。根據地質條件和生產技術條件的分析，按照第三章論述的沖擊地壓發(fā)生條件和影響因素，首先應該圈定以下區(qū)域為沖擊地壓特別危險區(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。在掘進巷道和進行回采時，沖擊危險的客觀標志是生產過程（打眼放炮、風鎬落煤、采煤機割煤等）中伴隨有彈射、微沖擊現(xiàn)象。這些現(xiàn)象通常不是個別出現(xiàn)的，而是伴隨一定采掘過程而出現(xiàn)的性質相同的一系列現(xiàn)象。例如掘進工作面中的彈射，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內出現(xiàn)相當強烈的彈射。如果是在有沖擊危險的煤層中打眼和割煤就會頻繁地發(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方面的因素（如開采深度、煤層的物理力學特性、頂板巖層的結構特征、地質構造等），也有開采技術方面的因素（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條件的每個因素對沖擊地壓的影響程度，以及確定各個因素對沖擊地壓41危險狀態(tài)影響的指數(shù)，將其綜合起來，就可以形成沖擊地壓危險狀態(tài)等級評定的綜合指數(shù)法，從而為沖擊地壓的治理打下基礎。一、影響沖擊地壓危險狀態(tài)的地質因素及指數(shù)影響沖擊地壓的主要因素有開采深度、頂板堅硬巖層、構造應力集中、煤層沖擊傾向性等。表4-1為采掘工作面周圍地質條件影響沖擊地壓危險狀態(tài)的因素及指數(shù)。這樣，就可以根據表4-1，用公式（4-1）來確定采掘工作面周圍采礦地質條件對沖擊地壓危險狀態(tài)的影響程度以及確定沖擊地壓危險狀態(tài)等級評定的指數(shù)W1。表4-1地質條件影響沖擊地壓危險狀態(tài)的因素及指數(shù)序號因素危險狀態(tài)的影響因素影響因素的定義沖擊地壓危險指數(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頂板中堅硬（0c三60Mpa）厚巖層距煤層的距離>100m0100~50m1<50m34W4開采區(qū)域內的構造應力集中>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——采礦地質因素確定的沖擊地壓危險指數(shù)。W.max——表4-1中第i個地質因素的中的最大指數(shù)值。W："——采掘工作面周圍第i個地質因素的實際指數(shù)。%一一地質因素的數(shù)目。二、影響沖擊地壓危險狀態(tài)的開采技術因素及指數(shù)同樣，根據開采技術條件、開采歷史，煤柱、停采線等這些開采歷史和開采技術因素，確定響應的影響沖擊地壓危險狀態(tài)的指數(shù)，從而為沖擊地壓的預測預報和危險性評價，沖擊42

地壓的治理提供依據。表4-2為我們研究的采掘工作面周圍的開采技術因素對沖擊地壓的影響程度及指數(shù)。（（4-2）表4-2開采技術條件影響沖擊地壓危險狀態(tài)的因素及指數(shù)-序〕因素危險狀態(tài)的影響因素影響因素的定義沖擊地壓危險指數(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>34W4兩側采空，工作面斜長為>300m0300?150m2<150m45W5沿采空區(qū)掘進巷道無煤柱或小于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掘進面2回采面3接近煤柱的距離小于50m掘進面1回采面37W7掘進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，可以根據表4-2,用下式來確定采掘工作面周圍開采技術條件對沖擊地壓危險狀態(tài)的影響程度及沖擊地壓危險狀態(tài)等級評定的指數(shù)叱2。i^1 2wimaxi=1式中:wt2——開采技術因素確定的沖擊地壓危險指數(shù)；式中:W.max——表4-2中第i個開采技術因素的危險指數(shù)最大值；w：——采掘工作面周圍第i個開采技術因素的實際危險指數(shù);々一一開采技術因素數(shù)目。43三、沖擊地壓危險程度的預測預報以上給出了采掘工作面周圍地質因素和采礦技術因素對沖擊地壓的影響程度及沖擊地壓危險狀態(tài)等級評定的指數(shù)卬〃和叱2的具體表表達式，根據這兩個指數(shù)，用下式就可以確定出采掘工作面周圍沖擊地壓危險狀態(tài)等級評定的綜合指數(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狀態(tài)等級評定綜合指數(shù)，以此可以圈定沖擊地壓危險程度。叱，為無沖擊危險。叱=0.3?，為弱沖擊危險。叱=0.5?0.75,為中等沖擊危險。叱=0.75?0.95,為強沖擊危險。叱＞0.95,為不安全。應該指出，利用上述調查分析的數(shù)據，對大范圍的沖擊地壓危險進行預測十分必要?？梢酝ㄟ^數(shù)值分析的方法，包括有限元法，邊界元法等，在開采計劃制定階段，或在開采過程中，對相應的區(qū)域進行巖體應力分布計算。這對預測大范圍的沖擊危險是有一定作用的。便于在開采設計中提前采取必要的防范措施。第三節(jié)鉆屑法預測沖擊地壓的常規(guī)方法主要根據兩個條件，一是煤的沖擊傾向，二是支承應力帶特征，即支承壓力峰值大小及其距煤壁的遠近。如果支承壓力參數(shù)達到臨界值，并且煤層又具有沖擊傾向，那么沖擊地壓就可能發(fā)生。對于煤的沖擊傾向可以先通過經驗類比法估測，進而進行實驗室試驗確定。而支承壓力帶參數(shù)的測定，一般多采用鉆屑法探測。鉆屑法是通過在煤層中打直徑為42?50mm的鉆孔，根據排出的煤粉量及其變化規(guī)律和有關動力效應，鑒別沖擊危險的一種方法。由于這種方法能同時檢測多項與沖擊地壓有關的因素，而且簡便易行，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，沖擊危險程度和采取措施后的實際效果，可采用鉆粉率指標、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)定了采用鉆屑法預測沖擊危險程度，而且制定了鉆屑法試行技術規(guī)范。因此鉆屑法的實施應該按照技術規(guī)范進行。鉆屑法的基本理論和最初試驗是20世紀60年代由德國和蘇聯(lián)的學者實現(xiàn)的。該方法基于受壓煤層中鉆小直徑鉆孔，當鉆孔進入煤體高應力區(qū)域時，鉆進過程呈現(xiàn)動態(tài)特征，孔壁煤體部分可能突然擠入孔內，并伴有振動、聲響或微沖擊等鉆孔效應，單位長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。當單位長度的排粉率增大到標定值時，表示高應力和沖擊危險狀態(tài)。我國從20世紀70年代開始了鉆屑法的試驗研究。不僅在發(fā)生沖擊地壓的采掘工作面試驗應用，而且在試驗室條件下進行了模擬研究。目前已在沖擊地壓礦井全面推廣使用。一、實施方法鉆屑法的實施必須嚴格執(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度變化根據經驗，結合采掘工作面的具體地質條件和生產技術條件，圈定沖擊危險區(qū)作為鉆屑法的探測區(qū)。對于壁式采煤工作面，應沿工作面煤壁和距工作面60m的順槽范圍內布置檢測帶；對于掘進工作面，應在掘進頭及其后部60m范圍內的巷道兩幫布置檢測帶。檢測帶內鉆孔布置（孔數(shù)、孔深、孔距）、檢測制度按《規(guī)定》執(zhí)行。一般測試鉆孔用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1.0?1.8m,e42mm鉆頭，鉆孔深度6?8m。圖4-1鉆孔效應示意圖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度變化二、基本原理為了及時客觀地評價采掘地點的沖擊危險程度，必須適時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，沖擊危險程度就愈大。但是直接測定煤層應力相當困難，尚沒有可靠方法。一般多采用相對評價的方法。我們首先研究在沖擊危險煤層中，對處于極限應力狀態(tài)的邊緣區(qū)打鉆過程中的動態(tài)效應。1注里帕圖4-2煤試塊鉆孔模擬試驗的孔直花】庵Jit對煤體打鉆至一定深度后，鉆孔周圍將逐漸過渡到極限應力狀態(tài)，如圖1注里帕圖4-2煤試塊鉆孔模擬試驗的孔直花】庵Jit三、鉆孔沖擊模擬實驗真正的沖擊地壓在試驗室里是模擬不出來的，但鉆孔效應可在試驗室條件下加以模擬，只不過其規(guī)模要比實際的小些而已。根據已發(fā)表了有關的試驗結果，此間這種試驗又得到了進一步改進，可精確地模擬現(xiàn)場實際發(fā)生的鉆孔效應。圖4-2為試驗原理圖。試驗裝置由圍壓盒、加壓裝置及傳力柱組成。45

圍壓盒是一個四周封閉的鋼盒，在一個側壁上有一個孔，通過它向試件鉆孔，加壓裝置為壓力機。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。每個試件加載兩次，第一次加載并鉆孔后，再重復加載到原始初壓，再鉆孔一次。鉆頭采用三種直徑：5mm、10mm、15mm。共對20個試件進行40次試驗，其中保壓式8件16次，非保壓式12件24次。德國、波蘭的學者進行過類似的試驗。只是試樣尺寸一般較小，為5cm（高）X8cmX8cm的長方體和10X10X10cm或者15X15X15cm的正方體。鉆孔直徑3?11mm,在進行特大塊試驗時，鉆孔直徑為42?50mm。試驗時垂直壓力比煤塊單軸抗壓強度大的多，以便模擬出井下的鉆孔效應。取自波鴻肥煤試樣（尺寸8X8X5cm）,在156MPa下鉆孔（直徑11mm）試驗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個幅度不等的壓力下跌臺階，并伴有響聲。當壓力下降至60MPa時，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兇飆即必關系，對波鴻和埃森系地層的煤樣進行了大量的 粘如揖」,桂試驗。煤樣的單軸抗壓強度介于4?12MPa之間。圖4-3鉆孔沖擊實驗時壓力沖擊式試驗結果表明，只有壓力相當高時，才出現(xiàn)卸載 下跌聲和鉆屑量突然增多。在非保壓方式下，壓力達到100MPa時才出現(xiàn)上述現(xiàn)象。若保持壓力不變，則壓力達60MPa時就會產生卸載聲和鉆屑量突然增多。而井下的實際情況介于保壓和不保壓兩種特殊加載方式之間。所以認為，在井下只有壓力達到80MPa時，才有可能產生鉆孔效應。另外，所有試驗的各種煤樣都出現(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。鉆孔效應在井下煤體中不可能經常出現(xiàn)，只有在很高的三向壓力作用下才可能產生。試驗（肥煤）表明，產生鉆孔沖擊的下限壓力為80MPa。波蘭試驗用10X10X10cm的煤塊，在三向受壓狀態(tài)下，逐步增加各應力分量，從試塊一角向煤內鉆一個9mm直徑的孔。用4種煤樣進行了試驗。從試驗結果看出，臨界應力值與煤的單軸抗壓強度密切相關。高的抗壓強度對應高的臨界應力。在臨界應力狀態(tài)下鉆孔，鉆屑量迅速增多。四、鉆屑量與應力之間的關系研究鉆屑法的模擬試驗和理論研究的目的，在于建立鉆屑量與煤體應力之間的定量關系。不少學者在這方面進行了研究。一般都假設鉆孔前煤體為均質、各向同性的彈性體，視為具有圓孔的無限大平面應變問題進行處理。并采用庫侖一摩爾準則為鉆孔后出現(xiàn)非彈性變形的屈服準則，把載荷視為靜水壓力狀態(tài)下的軸對稱問題。但都沒有考慮煤在非彈性變形區(qū)所出現(xiàn)的應變軟化性質（即強度隨應變增加而降低的性質）。為了更符合實際，我們則考慮煤的應變軟化性質和非彈性變形區(qū)的擴容，來建立煤體應力和鉆屑量之間的函數(shù)關系。46

考慮煤應變軟化的本構方程為AV8)C8>8C(4-4)式中：0c、￡C(4-4)。、￡——非彈性變形區(qū)的應力和應變；m——塑性介質系數(shù)。塑性性質系數(shù)m值反映煤巖層屈服后的硬化和軟化程度。m值應通過實驗室試驗，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，就在于應力達到極限強度后呈應變軟化性質。具有沖擊傾向煤層的應變軟化特性更明顯。當處于理想塑性時m=0,呈應變硬化時m三0；呈應變軟化時m<0。仍用庫侖一摩爾準則為屈服條件進行彈塑性分析(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r=a時，0r=0；在r=R時，即在彈性區(qū)和非彈性區(qū)交界處應力應該連續(xù)，并以此為邊界條件，得出考慮應變軟化的非彈性區(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m=0時，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——鉆孔前煤體應力；R——鉆孔半徑。目前還未能根據擴容現(xiàn)象建立松散系數(shù)的解析式。采用平均擴容系數(shù)”進行擴容效應的計算比較簡便，按煤體質量不變條件，可求得擴容在內的孔內壁徑位移Ua為：47Rn—1(4-9)U=—U+ (R2—a2)(4-9)aaR2a式中第二項為考慮擴容而產生的影響，建議取n為?。從而考慮應變軟化的擴容影響的鉆屑量G與煤體應力p之間的關系式為：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。由于彈性變形相對于非彈性變形小得多，可忽略不計。僅考慮非彈性變形產生的附加鉆屑量，以建立煤體應力與鉆屑量之間的函數(shù)關系。煤壁在采動影響下，將依次出現(xiàn)殘余強度區(qū)、非彈性變形區(qū)和彈性變形區(qū)。因而在用式（4-10）時，應按鉆孔的不同深度，根據煤在剛性試驗機上的試驗結果，取相應的彈性系數(shù)和泊松比。應當注意，式中a為成孔后的半徑，不是鉆頭的半徑。理論和實踐表明，采用相同鉆頭鉆孔，成孔后的孔徑隨煤體應力的增加而增大。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。關于這種情況，庫克曾在作過闡述，并提出其發(fā)生條件為(4-11)式中：B——煤體非彈性區(qū)的應力一應變曲線的斜率，近似為常數(shù)。采用“44mm鉆頭鉆孔，孔徑一般為48?60mm。但如前述，煤體應力大，孔徑增大，鉆屑量增多。如果能在實驗室測得煤的力學參數(shù)，在現(xiàn)場測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的應力。把它和實驗室測得的煤的強度值進行比較，就可用以判定沖擊地壓危險程度，或與鉆屑法實驗室試驗結果相驗證，確定鉆屑指標。一般情況下，煤體處于非對稱載荷下，而式4-10）是在對稱載荷下求得的煤體應力和鉆屑量間的關系式。采用有限元法對非對稱載荷下圓孔非彈性變形位移求解，按所求值計算由于非彈性變形引起的相應鉆屑量，再把它與對稱載荷下（入=1）由非彈性變形引起的鉆屑量進行比較，當入=0.25時，其誤差不到5%,所以式（4-10）在不同側壓比情況下均可適用，并且精度能夠滿足工程上的要求。試驗研究結果表明，鉆屑量和粒度組成隨壓力增加而增大，在趨勢上實驗室和現(xiàn)場測試情況一致，在數(shù)量上試驗結果相近。鉆屑量的變化反映了煤壁前方應力的變化。應力大，鉆屑量就多。煤體過渡到極限應力狀態(tài)時，鉆屑量急速增多，此時鉆屑量稱極限鉆屑量或危險鉆屑量。五、沖擊危險指標沖擊危險指標的確定，是應用鉆屑法預測沖擊地壓的關鍵。鉆屑法作為預測手段，首要任務是建立鉆屑量和煤體應力之間的關系，通過鉆屑量了解煤體應力狀態(tài)，確定可能發(fā)生沖擊地壓時的最大鉆屑量；其次是了解最大集中應力的位置，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、鉆進的難易程度、卡鉆、震動和微沖擊等動力現(xiàn)象與沖48擊地壓發(fā)生的可能聯(lián)系。按照上述三個條件建立沖擊危險檢測指標，判定沖擊地壓危險等級。.鉆屑量指標指預示有沖擊危險的鉆屑量。通過現(xiàn)場試驗、實驗室試驗和理論計算方法確定。.距離指標如前所述，為了客觀地評價沖擊危險程度，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。煤巖的三軸強度試驗表明，當圍壓達到一定程度后，煤樣“塑化”，幾乎失去沖擊傾向?，F(xiàn)場實測和理論計算也表明，隨著距離的增加，煤層壓力劇增，使煤體產生的沖擊能量也相應增大。當達到一定深度后，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。這種深部沖擊的動力效應只是產生震動和響聲，危害有限。.動力效應指鉆進過程中伴隨出現(xiàn)的沖擊響聲、鉆桿跳動、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，伴有沖擊響聲，并造成鉆桿跳動。嚴重時能造成鉆桿卡住，甚至把鉆桿卡死。鉆桿卡持是鉆孔周圍煤體應力高度集中或突然變化的標志。因此把鉆桿被卡死作為鑒別沖擊危險的一個指標。但是必須注意，鉆桿被卡死除與煤體壓力有關外，還受施工鉆具、施工方法和施工經驗的影響，因此要由專職人員采取正確的施工方法和憑借經驗確認和鑒別沖擊危險。其它動力效應，如推進力變化、純鉆進時間變化、鉆孔沖擊等，也可作為鑒別沖擊危險的參考指標。.鉆屑粒度指標在高應力區(qū)段鉆孔時，由于孔周圍煤體已進入極限應力狀態(tài)，幾乎不需鉆頭參與就發(fā)生脆性破壞，所以對煤的研磨較小，排出的鉆屑粒度就大。據龍鳳礦實測，被保護層的鉆屑粒度大于3mm的百分含量平均為26.7%,危險層平均為34%。實驗室試驗表明，鉆屑粒度隨壓力機壓力增大而增加，在200t(21MPa)以下壓力下試驗時，粒度大于3mm的百分含量變化在20%?30%之間。在250t(26MPa)以上壓力下試驗時，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%時為無直接沖擊危險狀態(tài)，大于30%時為危險狀態(tài)。根據上述確定的沖擊危險指標和檢測深度范圍內，在各段檢測深度處給出對應各段沖擊危險指標的分段值，以便鑒別沖擊危險程度。由于各礦區(qū)煤層地質條件和物理力學性質的差異有時很大。因此，為了提高檢測結果的可靠性，必須針對具體礦井煤層條件，取得幾項符合實際的檢測指標。六、鉆屑法的實際應用.估測支承壓力由于鉆屑法能夠估測煤巖體應力大小和分布，因而能夠用于估測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。實測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力之間的關系式，可以得到鉆屑量G與煤層壓力P的關系曲線。實際應用時可直接根據實測鉆屑量計算或在G—P曲線上估計煤層應力，得到支承壓力帶的特征參數(shù)。49

.鑒別沖擊危險防治沖擊地壓危害的基本原則是及時檢測沖擊危險及其危險程度。只有鑒別出有沖擊危險，才能采取相應的解危措施，并盡早實施解危措施，以防在實施過程中發(fā)生沖擊地壓。顯然，采取措施的前提是要判定沖擊危險確實存在。因此要求檢測方法在時間上和空間上連續(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。它能相當可靠地檢測出煤層內存在的高應力區(qū)。按照各礦確定的沖擊危險檢測指標，遵照《規(guī)定》的技術規(guī)范進行鉆屑法施工，根據實測結果就可以鑒別沖擊危險。只要在相當?shù)臋z測深度上出現(xiàn)沖擊危險指標規(guī)定的數(shù)值，則被認為具有沖擊危險，應采取解危措施。但是，用鉆屑法鑒別沖擊危險是帶有經驗性的，而且不能依據個別鉆孔提供的數(shù)據，應通過多個鉆孔的測試結果，鑒別沖擊危險的變化。所以需要施工較多的鉆孔。根據這些鉆孔提供的數(shù)據綜合判定沖擊危險程度。.檢查解危措施的效果經檢測確認的有發(fā)生沖擊地壓危險的區(qū)段，必須采取解危措施。實施解危措施后，還必須檢查解危效果。目前評價卸載效果主要依據卸載后的直接效應，如鉆屑量的變化、聲響效應等。從理論上講，檢測煤巖體內儲存能量的多少，是評價卸載效果的最佳指標。但目前還沒有可靠的檢測煤巖體內儲存能量方法，鉆屑法仍是較可靠的方法。通常在實施解危措施時，伴隨的卸載現(xiàn)象相當明顯，再進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。即使實施卸壓鉆孔時排粉量相當多，實施卸壓爆破效果相當好，但效果檢查仍是必不可少的。原因是卸載過程中，煤體應力又要重新分布，應力集中帶既向煤壁深部轉移，也要向兩側鄰區(qū)轉移，仍可能集中在巷道或工作面附近。實施卸載措施后，應特別注意這種應力轉移現(xiàn)象。卸壓鉆孔、卸壓爆破和高壓注水等卸裁措施實施后，都存在應力轉移問題。因此井下安全措施不僅包括沖擊危險的預測和采取解危措施，而且還應進行卸載效果的檢查。研究和實踐表明，實施解危措施后，支承壓力峰值降低，峰值位置向煤體深部轉移，打鉆過程中一般比較平靜，無動力現(xiàn)象。這些都表明煤體已經卸載。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）峰值向煤體深部轉移2?3m,峰值下降約20%。5

-4圖I一同裝市前煒11面起斤由戌?二$ & 5

-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)測法一、電磁輻射監(jiān)測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。電磁輻射信息綜合反映了煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災害現(xiàn)象的主要影響因素，電磁輻射強度主要反映了煤巖體的受載程度及變形破裂強度，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產生。電磁輻射與含瓦斯煤巖流變破壞之間具有很好的相關性：電磁輻射強度和脈沖數(shù)隨著載荷的增大而增強，隨著加載及變形速率的增加而增強;用同步的聲發(fā)射實驗驗證表明，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)件事對相圖4-7煤巖破壞過程中原始信號 圖4-8聲發(fā)射與電磁輻射相互關系電磁輻射的強度和脈沖數(shù)可作為預測預報含氣煤巖材料變形及破裂過程的動態(tài)監(jiān)測指標，二者缺一不可。根據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)測煤巖流變破壞過程及非接觸式預測煤與瓦斯突出、沖擊地壓（巖爆）等煤巖動力災害危險性的技術方法。掘進或回采空間形成后，工作面煤體失去應力平衡，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，以向新的應力平衡狀態(tài)過渡；煤體中的瓦斯也失去動態(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，這兩種過程均會引起電磁輻射。由松弛區(qū)域到應力集中區(qū)，應力及瓦斯壓力越來越高，因此電磁輻射信號也越來越強。在應力集中區(qū)，應力和瓦斯壓力達最大值，因此煤體的變形破裂過程也較強烈，電磁輻射信號最強。進入原始應力區(qū)，電磁輻射強度將有所下降，且趨于平衡。采用非接觸方式接收的信號主要是松弛區(qū)和應力集中區(qū)中產生的電磁輻射信號的總體反映（疊加場）。電磁輻射和煤的應力狀態(tài)及瓦斯狀態(tài)有關，應力高、瓦斯壓力大時電磁輻射信號就強，電磁輻射頻率就高，應力和瓦斯壓力越高，則突出危險越大。電磁輻射強度和脈沖數(shù)兩個參數(shù)綜合反映了煤體前方應力的集中程度和瓦斯壓力的大小，因此可用電磁輻射法進行突出預測。二、電磁輻射技術的應用有動力災害危險時，工作面煤體電磁輻射信號強度（E）較強，超過設定的臨界值，脈沖數(shù)（N）較高，超過設定的臨界值且有向上增長的趨勢。沒有突出危險工作面煤體電磁輻射51信號較弱，脈沖數(shù)較低，均低于臨界值。對于沒有動力災害危險的煤層，工作面煤體的電磁輻射信號非常弱，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煤與瓦斯突出、沖擊地壓進行預測。有發(fā)生動力災害危險時，電磁輻射強度和脈沖數(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為某工作面測試結果，17日夜班測試超過臨界值，工作面停采，早班測試也超過臨界值且有增大趨勢，此時已達到相當危險的狀態(tài)。早班工作面采取了卸壓爆破措施。采取措施后，中班進行測試，結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Ml03月6Ml03月6日7日8日 9日10日11日t/d12日圖4-9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夜時間/班次ooooooO4208642vm值幅圖4-10有災害危險采取防治措施前后電磁輻射幅值變化情況52三、功能特點及使用范圍1.功能特點1）電磁輻射技術及監(jiān)測儀實現(xiàn)了非接觸、定向、區(qū)域及連續(xù)預測。2）信號的采集、轉換、處理、存儲和報警由監(jiān)測儀自動完成。3）監(jiān)測儀具有人機對話、遠程PC機（上位機）控制（或本地鍵盤控制）、定向接收、數(shù)據處理、數(shù)據存儲、數(shù)據查詢和報警等功能。2.使用范圍1）礦山沖擊地壓的預測預報2）煤與瓦斯突出的預測預報3）其它煤巖動力災害現(xiàn)象的預測預報4）礦井采掘工作面前方應力狀態(tài)的監(jiān)測四、監(jiān)測方法采用監(jiān)測儀對煤巖體可進行定點長時實時監(jiān)測和多點動態(tài)踉蹤監(jiān)測。定點長時監(jiān)測就是在巷道中選定某一測點，監(jiān)測選定區(qū)域內煤巖體在采掘過程中電磁輻射的變化。多點動態(tài)是艮蹤監(jiān)測就是隨著工作面的進尺，在工作面不同位置布置測點，監(jiān)測進尺后工作面前方煤巖體的電磁輻射及其變化規(guī)律，以預測工作面前方煤巖體的動力災害危險程度。對于回采工作面，也需對上、下順槽進行監(jiān)測。對于現(xiàn)場工作面預測，以多點動態(tài)踉蹤監(jiān)測為主，每點監(jiān)測時間為2~30分鐘即可，如條件允許，最好進行長時定點監(jiān)測。KBD5礦用本安型煤與瓦斯突出（沖擊地壓）電磁輻射監(jiān)測儀是通過電磁輻射強度值和脈沖數(shù)兩個參數(shù)指標三個值（電磁輻射強度極大值Emax、電磁輻射強度平均值Eavg和電磁輻射脈沖數(shù)N）來監(jiān)測工作面突出或沖擊危險程度的。屬于下列情況之一的區(qū)域就具有發(fā)生動力災害的危險性：1）當電磁輻射強度極大值或脈沖數(shù)值超過某一臨界值時，儀器自動報警；2）電磁輻射脈沖數(shù)或強度（極大值和平均值）指標具有明顯的增強趨勢，則表明有動力災害危險，應采取措施；3）電磁輻射強度或脈沖數(shù)值明顯由大變小，但一段時間后又突然增大。此種方式最為危險，特別是對于沖擊地壓，應立刻采取措施。對一般礦區(qū)，電磁輻射強度平均值報警臨界值為150,電磁輻射極大值的報警臨界值為200,電磁輻射脈沖數(shù)臨界值為1000。但對于某一特定礦區(qū)，可根據其電磁輻射水平比較確定，初期可簡單按無突出危險煤層工作面的電磁輻射值的1.5倍作為臨界值。第四節(jié)地音流動監(jiān)測法20世紀60年代前蘇聯(lián)、波蘭等國把地音監(jiān)測用于煤礦井下預測沖擊地壓，并相繼研制出可進行流動監(jiān)測的便攜式地音儀。我國20世紀70年代開始這方面的研究，北京、大同、撫順等礦務局曾采用BD4-1型巖體聲發(fā)射儀，井下進行流動檢測試驗和應用，作為輔助手53

段配合鉆屑法進行沖擊地壓的預測工作。某些材料在外力作用下，會發(fā)射出音頻和超音頻范圍內的彈性波，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。對多晶材料或含有裂隙的材料其內部的應力場和強度是不同的。在外力作用下，整體變得不穩(wěn)定之前，局部就會呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。隨著載荷增加，裂隙貫通、擴展并釋放能量。聲發(fā)射正是這種擴展過程中的聲學效應。聲發(fā)射的強弱反映了煤巖體破壞的能量釋放過程，是評價煤巖體破壞的信息。研究結果表明，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)象超前破斷時間的長短，它取決于破裂尺度。實驗室中試件的試驗時間是很短的，而在大斷裂情況下則是很長的。圖4-11為試驗證明的出現(xiàn)前兆現(xiàn)象與后來發(fā)生斷裂帶長度的關系?？梢钥闯?，在礦井中發(fā)生的冒頂和沖擊地壓，前兆超前時間由7min至1d變化不等。這就足以預測預報，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（地音）是隨機瞬態(tài)過程，包含有很寬的頻率成分。相鄰兩次聲發(fā)射現(xiàn)象不具有重復性，其時間間隔等參量帶有很大的隨機性。而且每次聲信號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)計和模糊數(shù)學的方法，藉助某些地音參量來描述。常用的基本參量有事件數(shù)、能率和振時等。接收到的一次獨立的波動過程，例如一次脈沖，稱為一個事件。一個事件是由一組強弱不等的脈沖組成，如果人為規(guī)定一些條件，例如按實測噪音背景設定閾值和信噪比，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，例如大事件、小事件等。一定時間內事件之和稱事件累計值。單位時間內的事件數(shù)稱事件頻度，相應的單位時間內所有事件的累計振動延續(xù)時間稱振時。根據地音儀接收到的地音信號振幅和振時延續(xù)時間可求得地音能率（能率為一個無量綱值）。國產便攜式地音儀由探頭和主機兩部分組成。圖4-11預兆現(xiàn)象的時間超前探頭安設于待測地點的煤巖體的檢測孔中，用于接收地音，并把它轉換成電訊號。主機用于處理并放大電訊號，然后以數(shù)字顯示檢測結果。檢測參量包括每分鐘的大事件數(shù)、小事件數(shù)、振時和能率。檢測孔要求距監(jiān)測目標為15m左右。檢測制度根據需要而定，每次單孔監(jiān)測可按10min圖4-11預兆現(xiàn)象的時間超前探頭安設于待測地點的煤巖體的檢測孔采用地音儀預測沖擊危險的關鍵是制定評價沖擊危險的確切準則或前兆信息。北京礦務局等單位通過試驗，根據地音基本參量及其派生參量的變化，來評價煤巖體應力集中情況和沖擊危險程度。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-變形觀測法采掘活動在煤層和頂?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果。在發(fā)生沖擊地壓過程中，支承壓力特別是動壓顯現(xiàn)起著重要作用。因此利用它的顯現(xiàn)規(guī)律可以預測沖擊地壓。一般情況下， ：支承壓力的動壓顯現(xiàn)與工作面煤壁邊緣區(qū)的穩(wěn)定性有關。當邊緣區(qū)未被壓壞時，隨著采煤工作面的推進，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態(tài)變化造成支承壓力的動壓顯現(xiàn)具有復雜的特征。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，以及爆破落煤時發(fā)生沖擊性加載情況等。當邊緣區(qū)被壓壞時，邊緣區(qū)煤體和頂?shù)装宓淖冃螌㈦S時間增加而增大，峰值向煤壁深部轉移（圖4-12中的曲線2）。當邊緣區(qū)只被壓實而尚未被壓壞前，支承壓力分布曲線如曲線3所示。特別是存在厚層高強度頂板的情況下，頂板的破斷狀態(tài)往往對沖擊地壓起決定性影響。這是由于懸頂斷裂引起震動，誘發(fā)煤層沖擊。另外在頂板在下沉過程中，由于重力和水平應力（例如地質構造應力）導致頂板巖塊的動力破碎，突然大量釋放變形能而造成頂板沖擊。顯然，煤層內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生有重要關系。當出現(xiàn)下列情況之一，即：1）煤層的支承壓力強度升高，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，幾個班、甚至更長時間的頂板下沉滯后；4）老頂周期性斷裂時（包括斷裂位置和時間），都預示著存在沖擊地壓危險。通過觀測，掌握上述規(guī)律和檢測指標，能達到預測的目的。對于存在厚層高強度砂巖頂板的情況，觀測變形和周期性斷裂規(guī)律，對預測沖擊危險有重要意義。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，都可能誘發(fā)沖擊地壓。棗莊礦務局陶莊礦在2#煤層272水采區(qū)開采過程中進行了圍巖動態(tài)觀測。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。觀測結果認為，采場推進過程中，由于煤體支承能力的改變和上覆巖層運動狀態(tài)的不斷變化，造成支承壓力的動態(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,采場老頂存在兩個巖梁，其來壓前后都有可能導致沖擊地壓，但大部分是在老頂明顯運動之后發(fā)生。觀測中多次沖擊地壓就發(fā)生在采場來壓前后，僅在該區(qū)4、5號水道發(fā)生的38次沖擊地壓中，有一半發(fā)生在采場來壓前后。通過頂板顯著運動和煤體承載能力的顯著超載可用于預報沖擊地壓可能發(fā)生的地點和時間。圖4-13為掘進槍眼時發(fā)生沖擊地壓的觀測實例，從11月29日起，3#和4#號測點移近速度明顯增大，至12月2日達峰值。表明老頂巖梁達極限垮度。在斷裂前夕，壓力向斷裂線兩側集中，斷裂線位于兩測點之間，12月2日巖梁斷裂，兩測點間支承壓力高度集中，于是在該部位掘進的13號槍眼中發(fā)生沖擊地壓。沖擊地壓發(fā)生后，應力釋放，移近速度下降。4日兩測點的移近速度又回升，表明55

壓力轉移，其中3#測點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移的結果，而擴測點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移所致。顯然，高應力區(qū)轉移到4#測點以遠。am-24OQ-22D0-ZO&O.3800-1WD-HCti-t2M-JOQO-80C--5W圖4-13掘進槍眼時形成沖擊地壓時礦壓觀測a—觀測結果；b—觀測地點利用鉆孔油壓枕觀測煤巖壓力變化認為，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小時出現(xiàn)，下降幅度0.03?0.1kN。反映了煤層長時間壓縮之后，一旦減壓，則側向變形增強，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)測系統(tǒng)在煤巖介質中，出于采掘活動引起的高應力集中，造成采掘空間周圍巖的震動、破裂和突然卸壓出現(xiàn)一系列具有動力特征的聲發(fā)射現(xiàn)象，可以認為上述動力現(xiàn)象是煤巖結構破壞和裂隙擴展或災害性事故的前兆信號。觀測和記錄這些現(xiàn)象（例如地音和微震強度的增加）就可以預測沖擊危險。地音和微震監(jiān)測系統(tǒng)與其它礦區(qū)監(jiān)測法則比，在時間可以不間斷地進行實時監(jiān)測，在空間上不再局限于“點”或“線”的測量，其監(jiān)測范圍是采礦活動的一定空間并可借助計算機運用數(shù)理統(tǒng)計等方法進行預測。兩種系統(tǒng)都采用了自動遙測方法記錄和傳輸信號。當前我國和世界各主要采礦國家都在試驗和應用這類方法。地音監(jiān)測系統(tǒng)是一種連續(xù)動態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測方法通常是在監(jiān)測區(qū)內布置地音探頭，根據生產地質條件配置事件有效性檢測條件和統(tǒng)計控制等工作參數(shù)，由監(jiān)測裝置自動采集地音信號，經微機實時處理和加工，完成統(tǒng)計報表和圖表，由工作人員結合采掘工程進度判斷監(jiān)測區(qū)域內的地音活動程度和危害程度。地音監(jiān)測系統(tǒng)通常有16?32A道，最多可同時監(jiān)測4?8個采煤工作面。例如MA0104E地音監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法如圖4-14所示。地音監(jiān)測系統(tǒng)的特點是：56

1）能自動、連續(xù)和遠距離監(jiān)測工作地的地音信號。由于采用計算機作為系統(tǒng)主機，所以其信號采集、數(shù)據整理和貯存、監(jiān)測結果的分析、圖表打印等能自動完成，而且系統(tǒng)在時間上是連續(xù)工作的，在空間上可以在10km范圍內布置監(jiān)測區(qū)，每個探頭的有效測監(jiān)范圍對煤礦為半徑100m。升下部分井上部分圖4-14地音監(jiān)測系統(tǒng)升下部分井上部分圖4-14地音監(jiān)測系統(tǒng)3）可以監(jiān)聽任意一個或幾個通道所接收的振動聲響。監(jiān)聽采掘工作面多種信號，例如輸送機是否開動、采煤機聲響等。實踐證明，采掘工作面地音活動受采動應力控制，地音變化與煤體應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。地音活動是三階段時間過程，即相對平靜、急劇增加、顯著減弱等一個階段。伴隨地音動態(tài)的時間過程，地音活動逐漸向采動附加應力高值區(qū)及脆性地質帶集中。這些部位是潛在發(fā)生沖擊地壓的震源位置。地音監(jiān)測的關鍵是對危險地音信號的識別。當?shù)匾艋顒蛹性诓蓞^(qū)某一部位，并且地音事件的強度逐漸增加時預示著沖擊地壓危險，正是利用地音的時間變化來判斷應力狀態(tài)和預測沖擊地壓危險。圖4-15為門頭溝礦某刀柱作面平均地音能量曲線、在地音活動經歷了相對平靜、急速增加、顯著減弱階段后發(fā)生了ML=2.6級沖擊地壓。圖4-15工作面地音能量和微震頻度圖微震系統(tǒng)的主功能是對全礦范圍進行微震監(jiān)測。自動記錄微震活動，實時進行震源定位和微震能量計算。為評價全礦范田內的沖擊地壓危險提供依據。其原理是利用井下拾震儀站57

接收的直達P波起始點的時間差，在特定的波速場條件下二維或三維定位，以判定破壞地點，同時利用震相持續(xù)時間計算所釋放能量和震級，并標入采掘工程平面圖和速報顯示給生產指揮系統(tǒng)，以便采取措施。微震系統(tǒng)一般由三部分組成，見圖4-16。信號處理系統(tǒng)拾賽器2信號采集單元計算信號處理系統(tǒng)拾賽器2信號采集單元計算機打印機一發(fā)現(xiàn)與延時井下部分圖4-16微震監(jiān)測系統(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，微震信號頻帶寬?50Hz，最大傳輸距離10km。2）信號處理系統(tǒng)：在可編程序支持下微機完成全部處理工作，并對全部信息量進行存貯，可以調出各次震動進行參數(shù)計算，機制測定和波譜分析等。3）模擬記錄裝置：實時記錄通道模擬震相，可以粗略定位和確定震源性質。微震監(jiān)測已成為礦山地震預報的重要手段，但用于沖擊地壓預測尚不夠成熟。門頭溝礦對記錄的6321次微震的分析。歸納出以下沖擊地壓前兆的微震活動規(guī)律。①微震活動的頻度急劇增加；②微震總能量急劇增加；③爆破后，微震活動恢復到爆破前微震活動水平所需時間增加。該礦大量的監(jiān)測實踐表明，根據微震活動的變化、震源方位和活動趨勢可以評價沖擊地壓危險。1）無沖擊危險的微震活動趨勢是：微震活動一直比較平靜，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）有沖擊危險的微震活動趨勢是①微震活動的頻度和能級出現(xiàn)急劇增加，持續(xù)2?3d后，會出現(xiàn)大的震動；②微震活動保持一定水平（＜104J=，突然出現(xiàn)平衡期，持續(xù)后，會出現(xiàn)大的震動和沖擊；③微震活動與采掘活動有密切關系，每當出現(xiàn)較大微震活動時都應從時間序列分析與采掘線的關系，逐次遠離采掘線時危險較?。恢鸫蜗虿删蚓€靠近時，應加強防范，并配地音和鉆屑法監(jiān)測防止事故發(fā)生。58第八節(jié)其它沖擊地壓預測方法一、煤層含水量變化觀測法試驗研究表明，采用壓力注水，增加煤巖層含水量對減緩沖擊地壓起著重要作用。實驗室力學實驗證明，對于龍鳳礦煤樣，浸水15天以后含水量均達到4%以上，煤的力學性質發(fā)生變化，變成無沖擊傾向煤層。鉆屑法實驗室試驗證明，浸水試塊的含水量達到3.9%后，在300t（軸向應力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。有限元計算進一步證明，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%。天池煤礦對井下現(xiàn)場注水區(qū)和未注水區(qū)，分別進行圍巖變形觀測和化驗水分，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。實測的煤層堅固性系數(shù)（普氏系數(shù)），未注水區(qū)為，注水區(qū)降至。根據上述研究結果和現(xiàn)場試驗應用情況，采用觀測煤層含水量的變化來預測沖擊地壓危險是可行的，可以作為輔助手段配合使用。觀測是通過打眼取樣，化驗水分的方法進行的。每推進兩個循環(huán)取一次樣，每次取樣3份，經化驗取平均水分，填入專用表格，作為綜合判定沖擊危險的依據之一。評判沖擊危險的指標，應根據實驗室試驗和現(xiàn)場實測結果進行確定。對于龍鳳礦，煤層含水量達至%以上為無直接沖擊危險，低于％為在沖擊危險。二、巖芯“餅化”觀測法在高地應力區(qū)巖體中鉆孔，巖芯會破壞成凹凸狀的圓片（餅化）。如同對煤層鉆孔一樣，在高應力下鉆孔，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力狀態(tài)的標志之一。在巖體力學中有人以發(fā)生“巖爆”和“巖芯餅化”的臨界應力為界，區(qū)分高地應力和一般地應力。把地應力超過該區(qū)巖石單向抗壓強度的三倍以上稱為高地應力。武漢巖土所于1981年在二灘核電站測得了巖芯“餅化”處的地應力。用三維程序計算了五種不同水平地應力組合情況下巖芯中殘留的地應力，找出了最容易使巖芯餅化的地應力組合情況。分析了各種地應力組合狀態(tài)下巖芯破裂始點應力。由此認為由地應力作用使巖芯破裂成餅狀的主要原因是主拉應力所致，破裂形式主要是拉斷，但也不能忽視剪應力的作用。在巖芯外邊緣處，拉應力和剪應力都相當大。所以說，巖芯是拉一剪破壞更符合實際.試驗研究認為，巖芯破壞成凹凸狀的圓片，是有沖擊傾向巖石應力狀態(tài)和物理力學性質的綜合特征，是沖擊危險區(qū)巖石的固有性質。該法的實質是在鉆孔取巖芯時，根據巖芯分裂成凹凸狀圓片的特征來判定巖石的沖擊危險。它不但可以確定有無沖擊（突出）危險，而且可以判定沖擊危險程度。具體作法是，沿巷道掘進方向打直徑59?76mm的鉆孔，根據1m長鉆孔巖芯分裂成圖片的數(shù)量進行判定。其沖擊危險指標是：1m巖芯有30?40個以上凹凸狀圓片，屬強烈沖擊危險程度，突出的巖石量可能大于500t。1m巖芯有20?30個圖片，并摻雜有帶環(huán)狀裂縫的長50?100mm的巖石圓柱體時，屬中等沖擊危險程度，突出的巖石量可能為300?400t。3）鉆出150?200mm以致更長的巖芯，其上有裂縫圍繞，并摻雜著個別圓片，屬弱沖擊危險程度，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層又有非危險層，則在危險層中沿推進方向打鉆；若不知道各分層的沖擊危險性，則沿每個分層都打鉆取芯。巖芯“餅化”觀測法，在前蘇聯(lián)頓巴斯的一些礦井掘進巖巷中用于預測沖擊地壓危險，在南非金屬礦的采掘過程中也在應用。但根據一些文獻介紹，此法用于評價沖擊地壓危險程度并沒有取得好的結果。所以在具有沖擊危險巖層中掘進巷道時，此法只能作為預測沖擊危險的輔助手段。三、沖擊地壓前兆現(xiàn)象觀測法根據沖擊地壓發(fā)生前的一般規(guī)律，可以觀察到某些宏觀前兆，并用于預測沖擊危險。.巖體聲響前兆現(xiàn)象沖擊地壓發(fā)生前，巖體應力和變形將發(fā)生變化。特別是頂板巖層活動加劇，下沉量增加，支柱受壓變形加大。在頂板活動方面，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，當響聲逐漸增大加密，由清脆到沉悶時，可能預示著沖擊危險。在煤體方面，表現(xiàn)為煤壁有片幫、炸幫現(xiàn)象。煤壁內有受壓咕咕叫聲，鉆孔時，鉆桿跳動劇烈，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。.放炮時前兆現(xiàn)象采用爆破法掘進或采煤時，在通過或遇到沖擊危險地帶，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，崩落的單個巖塊失去整體結構；（3）爆破后的巖壁上出現(xiàn)鱗片狀痕跡，產生巖石分化或薄片。四、旋轉管法鉆屑法可以從煤層鉆孔引起的破裂效應，得出瞬時應力狀態(tài)和可能的沖擊危險。但受時間和空間限制，難以進行應力狀態(tài)的長期監(jiān)測。波蘭、德國等國家采用旋管法可以對靜止煤壁進行長期監(jiān)測（鉆孔的穩(wěn)定性）。旋轉管包括一個低壓聚合物管子（蔡司管），外徑為25mm（或按煤層情況具體確定）。測試時將旋轉管放入鉆好的測試孔內，并在孔底錨定，但可以旋轉。該方法的原理是，在形成高應力的超前支承壓力區(qū)內，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。由于鉆孔變形擠壓，使旋轉管卡緊。出現(xiàn)這種情況就預示有沖擊危險。然后進行孔內探測，用探測桿測量卡緊的旋轉管的剩余斷面，根據不同孔徑和不同壁厚的旋轉管確定的剩余斷面標準值，進行沖擊危險預測。該法如同鉆屑法一樣，簡單易行。五、熱力法熱力法的基礎是單軸和多軸壓縮試驗中，應力與溫度的變化關系。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。溫度的測量可采用接觸式（加熱地電阻）和非接觸式（如紅外線溫度計，熱掃描等）的方法。因此，在煤巖體中溫度明顯增加是高應力狀態(tài)的反映，這可被利用作為沖擊危60

險性預測的依據。前蘇聯(lián)沃爾古茨基煤田的沖擊地壓礦井，在具有沖擊危險厚煤層中使用鉆屑法的同時，在同一鉆孔中借助溫度傳感器測定煤體溫度，或用手持式紅外線溫度計測定煤體溫度。他們對煤柱中的溫度變化進行了長期觀測，并用來評價沖擊危險程度。實測結果表明，煤體溫度變化反映了應力一變形狀態(tài)變化，因此，可用于估計沖擊危險程度。六、電阻率探測法煤巖體電阻率探測法是一種人工電場的方法。它以煤巖體導電能力的差異為基礎，通過研究穩(wěn)定電流場在巖體半無限空間的分布規(guī)律來探測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)，評價其穩(wěn)定性及沖擊危險性。煤巖體的電阻率主要與濕度、水溶液濃度與溫度、煤巖體的結構及層理面分布等因素有關。在水文地質條件不變的情況下，巖體受力作用后，其節(jié)理、層理、孔隙等必然發(fā)生變化，相應電阻率也將發(fā)生變化。當煤巖體處于水飽和狀態(tài)時，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增加；若煤巖體發(fā)生張性變形或受張裂時，裂隙將增多擴大，含水量增加，濕度增加，則煤巖體電阻率相應減少；在煤巖體處于非飽和水狀態(tài)時，其電阻率變化情況恰恰與上述情況相反。因此，在進行煤巖體電阻率測量時，一定要調查清楚水文地質情況。由此可見，應力高的地方水分低，電阻率也低；應力小的地方水分和電阻率均較高。七、錘擊波速法ttJttm白）介質受到動載荷的瞬間沖擊，產生動應力，引起動應變，便以波動的形式向震源外傳播。介質中彈性波的傳播速度與介質的密度和力學參數(shù)密切相關。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，再通過波速與應力的關系推斷煤體中的應力集中情況，進而對沖擊危險進行評價。因此，波速與應力的關系是錘擊波速法的技術基礎。ttJt