第３９卷第８期煤 炭 学 报Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．８ ２０１４年８月ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＩＮＡ ＣＯＡＬ ＳＯＣＩＥＴＹ Ａｕｇ． ２０１４
Ｈｅ Ｘｕｅｑｉｕ，Ｄｏｕ Ｌｉｎｍｉｎｇ，Ｍｕ Ｚｏｎｇｌｏｎｇ，ｅｔ ａｌ．Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｗａｒｎｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｄｙｎａｍｉｃｄｉｓａｓｔｅｒ ｏｆ ｃｏａｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０１４，３９（８）：１４８５－１４９１．ｄｏｉ：１０．１３２２５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｃｃｓ．２０１４．９０３０
煤岩冲击动力灾害连续监测预警理论与技术
何学秋１，窦林名２，牟宗龙２，３，巩思园２，曹安业２，３，何 江２，３
（１．华北科技学院，北京 １０１６０１；２．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 ２２１１１６；３．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 ２２１１１６）
摘 要：为提高煤岩冲击动力灾害的监测预警效果，采用系统的理论研究和集成创新，完善了弹塑
脆性突变模型，揭示了煤岩体损伤及冲击动力破坏特征与声发射、微震、电磁辐射等前兆信息的耦
合关系，提出了煤岩体冲击破坏前兆信息辨识准则与监测原理，建立了煤岩冲击动力灾害的连续监
测预警技术体系，即煤岩冲击动力灾害时间上从早期综合分析预测到实时监测预警，空间上从区域
监测预警到局部监测预警、点验证的时空连续监测预警，并按无、弱、中、强４级对煤岩冲击危险进
行分级预测预报。应用结果表明：该技术体系可较为有效地判别和预警煤岩冲击动力灾害危险，应
用矿井降低煤岩冲击动力灾害显现７１％。
关键词：冲击动力灾害；监测技术；连续监测；监测预警
中图分类号：ＴＤ３２ 文献标志码：Ａ 文章编号：０２５３－９９９３（２０１４）０８－１４８５－０７
Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｗａｒｎｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｒｏｃｋ
ｂｕｒｓｔ ｄｙｎａｍｉｃ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｏｆ ｃｏａｌ
ＨＥ Ｘｕｅ－ｑｉｕ１，ＤＯＵ Ｌｉｎ－ｍｉｎｇ２，ＭＵ Ｚｏｎｇ－ｌｏｎｇ２，３，ＧＯＮＧ Ｓｉ－ｙｕａｎ２，ＣＡＯ Ａｎ－ｙｅ２，３，ＨＥ Ｊｉａｎｇ２，３
（１．Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１６０１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅ Ｍｉｎｉｎｇ，Ｃｈｉ－ｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｉｎｅｓ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ，ｂｙ ｄａｍａｇｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃｂｒｉｔｔｌｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｄａｍａｇｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉ
ｏｎ ｌａｗｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｒｅｖｅａｌｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｉｔｈ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ，ａ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄｗａｒｎｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｔｈａｔ ｗａｓ ｏｆ ｔｉｍｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａｎａｌｙ－ｓｉｓ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｔｏ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｗａｒｎｉｎｇ ｗｈｉｌｅ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃ－ｔｉｏｎ ｔｏ ｌｏｃａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｓｐｏｔ ｃｈｅｃｋｉｎｇ．Ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｈａｚａｒｄｏｕｓ ｗａｓ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ ｉｎｔｏ ｆｏｕｒ ｇｒａｄｅｓ ｏｆ ｎｏｎｅ，ｗｅａｋ，ｍｅｄｉｕｍ ａｎｄ ｓｔｒｏｎｇ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ．Ｔｈｉｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｗａｒｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｓｙｓｔｅｍｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｒｅａｌ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ．Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｓｙｓｔｅｍ
ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｗａｒｎｔｈｅ ｈａｚａｒｄｏｕｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｎｕｍｂｅｒ ｄｒｏｐｔ ｂｙ ７１％ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ．
收稿日期：２０１４－０５－１０ 责任编辑：毕永华
基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３）资助项目（２０１０ＣＢ２２６８０５）；国家自然科学基金和神华集团有限公司联合资助项目（５１１７４２８５）；
江苏高校优势学科建设工程资助项目（ＳＺＢＦ２０１１－６－Ｂ３５）
作者简介：何学秋（１９６１—），男，辽宁辽阳人，教授，博士生导师。Ｔｅｌ：０１０－６１５９１４０９，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｅｘｑ＠ｃｈｉｎａｓａｆｅｔｙ．ｇｏｖ．ｃｎ。通讯作者：窦林名（１９６３—），男，青海平安人，教授，博士生导师。Ｔｅｌ：０５１６－８３９９５９０４，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｍｄｏｕ＠ｃｕｍｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
煤 炭 学 报
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１４年第３９卷Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｄｙｎａｍｉｃ ｄｉｓａｓｔｅｒ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｗａｒｎ－ｉｎｇ
煤岩冲击动力灾害是煤矿井下采掘空间周围煤岩体急剧破坏，并突然释放大量能量的一种强烈动力现象，可严重损毁井巷及设备，造成人员伤亡，是我国煤矿最为严重的动力灾害之一。各种类型及条件的
矿井均具有冲击动力灾害显现的报告［
１］
。我国曾发生过一次摧毁５００ｍ巷道的严重煤岩冲击动力灾害，震级达到里氏４．３级。煤岩冲击动力灾害还容易诱发瓦斯爆炸等其他灾害。如，２００５年辽宁孙家湾煤矿发生的煤岩冲击动力灾害导致的特大瓦斯爆炸事故，造成２１４人死亡。煤炭是我国的主要能源，２０１３年煤炭产量达３７亿ｔ，煤矿最大采深已达１ ５００ｍ。随着煤炭产量和开采深度的逐年增加，冲击动力灾害日趋严重，冲击危险矿井将不断增多，目前已达１４
２对，遍布我国的主要采煤矿区。由于我国煤矿地质条件复杂，煤岩冲击动力灾害影响因素多，实现有效监测预警及解危难度极大，严重制约了煤矿安全高效生产。
国内外学者围绕煤岩冲击动力灾害的机理、监测预警及解危、控制方法与技术进行了大量卓有成效的研究，取得了长足进展。在早期强度理论、刚度理论、
能量理论、冲击倾向性理论［
２－６］、变形失稳理论［７－９］
的基础上，近年来随着新兴力学及数学学科的发展并应用到煤岩冲击动力灾害的研究中，形成了许多新的探索。
尹光志、潘一山、徐曾和等［
１０－１
２］针对不同煤岩结构形式，从不同主控因素出发，分别利用突变理论分析研究了特殊情形煤岩冲击动力失稳现象。谢和平、
李廷芥、李玉等［
１３－１６
］把分形理论应用于冲击动力灾害的分析研究中，分析了美国两个冲击动力灾害矿井冲击发生前微震事件的分形维数变化规律。Ｖａｒｄ－ｏｕｌａｋｉｓ、Ｄｙ
ｓｋｉｎ、张晓春等［１７－１９
］利用断裂力学分析了煤体表面裂纹扩展，并对巷道表面层裂结构受力破坏过程进行了分析，建立了煤体变形屈曲失稳的层裂板结构模型，探讨了煤矿巷道围岩层裂结构的失稳诱冲
机理。Ａ．Ｍ．ＬＩＮＫＱＶ［２
０］
认为冲击矿压是煤岩体软化、流变导致的稳定性问题，并具有极强的时间效应。
冲击动力灾害的监测预警方法主要有基于岩石力学的钻屑法、应力监测法，以及基于地球物理的声发射法、微震法、电磁辐射法等。由于冲击动力灾害的复杂性，单一监测预警方法无法满足冲击动力灾害监测预警的需要。需要针对不同采矿地质条件，研究建立适用的冲击动力灾害监测预警技术并建立冲击
危险判别准则，以便提高冲击危险监测预警的准确性。
本文旨在研究煤岩冲击动力灾害前兆信息及各种监测预警方法的特征，建立有机统一的煤岩冲击动力灾害连续监测预警技术，提高冲击动力灾害的监测预警效果。
１ 冲击动力灾害的弹塑脆性突变模型
煤岩冲击破坏是一个动态损伤破坏过程，具有变形破坏的弹塑脆性突变规律，可建立煤岩冲击破坏的
弹塑脆性突变模型进行描述［
２１］
（图１）。该模型由胡克体（ＨＯＯＫＥ）和马克斯威尔体（ＭＡＸＷＥＬＬ）各串联一个脆性单元后并联组成。当煤岩体承受的载荷σ小于脆性单元体的强度极限值σｌ时，
煤岩体处于弹塑性稳定变形阶段，不会发生冲击破坏；当煤岩体承受的载荷大于脆性单元体的强度极限值σｌ，
且小于弹塑脆性煤岩系统的强度极限σｌＧＨ时，则煤岩体发生延时冲击破坏，延时时间为Δｔ２；
当煤岩体承受的载荷σ大于弹塑脆性煤岩系统的强度极限σｌＧＨ时，则煤岩体发生突发冲击破坏
。
图１ 煤岩冲击破坏的弹塑脆性突变模型Ｆｉｇ
．１ Ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ－ｂｒｉｔｔｌｅ ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅ ｍｏｄｅｌ图１中ＥＨ，ＥＭ分别为胡克体、马克斯威尔体分支的弹性模量，ＧＨ＝１＋ＥＭ／ＥＨ；η为黏性缸的黏性变形系数；σ０为胡克体初始应力；ε０为系统初始应变；
τ０为系统的黏性相关常数。
煤岩冲击破坏的弹塑性突变模型揭示了煤岩体受载应力的动态变化及煤岩的损伤过程。伴随煤岩损伤，煤岩将产生能量释放、微破裂至宏观破裂不同尺度的震动效应。震动效应活动性Ｎ′与煤岩损伤速率Ｄ′、变形速率ε′、能量释放速率Ｗ′呈正相关关系，即Ｄ′∝ε′∝Ｗ′∝Ｎ′。该模型揭示了煤岩体冲击动力灾害发生过程与相关物理量之间的耦合关系，为煤岩冲击动力灾害危险的综合评价、连续预测预警奠定了
６
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第８期何学秋等：煤岩冲击动力灾害连续监测预警理论与技术理论基础。
２ 冲击危险监测预警判别准则
实验室冲击倾向煤岩在单轴受载过程中载荷与
声发射计数、电磁辐射强度之间的相关关系如图２所
示。分析可知，煤岩受载损伤破坏过程与电磁辐射、
声发射具有正相关耦合关系
。
图２ 受载煤样声电效应与应力之间的耦合关系
Ｆｉｇ．２ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｃｏｕｓｔｉｃ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｈｅｎｏ－
ｍｅｎｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ
基于弹塑脆性突变模型及煤岩加载过程的声电
相应规律，煤岩损伤、能量释放及震动效应活动性呈
正相关关系，通过将多种前兆信息参量（Ｎ表示）进
行归一化，建立煤岩冲击危险性前兆信息的判别指
标，如式（１）所示。其中Ｚｎ（ｔ）为某时刻冲击危险性
指数；Ｎ０为初始值；Ｎｌ为临界值；Ｎ（ｔ）为监测值。
０≤Ｚｎ（ｔ）＝Ｎ（ｔ）－Ｎ０
Ｎｌ－Ｎ０
≤１ （Ｎ（ｔ）≥Ｎ０）
（１）
该指标的２个极端条件是：当冲击危险性指数Ｚｎ（ｔ）＝０时，煤岩体处于稳定状态，无冲击危险；当Ｚｎ（ｔ）＝１时，煤岩体已发生冲击破坏。如图３所示，煤岩受载直至冲击破坏的全过程中，对应于煤岩塑性变形破坏过程ＢＣ，煤岩将产生裂隙场的规律变化，并伴随声发射、微震、电磁辐射等声电效应。根据煤岩损伤发展规律，可将煤岩损伤破坏过程ＢＣ段划分为裂隙缓慢发展、稳定扩展、加速扩展和快速破坏４个阶段，与之对应的矿震特征为矿震出现、矿震频繁、强矿震、冲击破坏（冲击动力灾害发生）。基于上述规
律，可根据危险指标将煤岩冲击危险划分为无危险、弱危险、中等危险、强危险４个等级。该危险等级的判别标准即为基于煤岩受载过程的连续监测预警判别准则。该冲击危险判别准则的建立，为实现煤岩冲击动力灾害的连续预测预警提供了依据。
图３ 煤岩冲击危险连续监测预警原理
Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｗａｒｎｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ
ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｈａｚａｒｄｓ
３ 冲击危险连续监测预警技术
３．１ 冲击危险早期区域评价及预测
通过对大量煤岩冲击动力灾害现象的案例研究，分析得到煤岩冲击动力灾害的主要影响因素及其权重，建立矿井区域冲击危险评价的综合指数法［２２］。该方法通过确定控制煤岩动力灾害的７个地质因素和１２个开采技术因素及各因素的权重，得出评价煤岩冲击危险状态等级的综合指数，从而实现矿井冲击危险的早期预测及危险区域范围和危险程度的辨识。
基于综合指数法的冲击危险的早期评价及预测，得到了矿井的重点监测区域，提高了冲击危险的即时连续监测的针对性。
３．２ 冲击危险区域即时监测预警
３．２．１ 微震即时连续监测预警
煤矿采掘过程中，采掘空间围岩在采动应力集中加卸载过程中产生的损伤破裂、运动等并产生矿震。对矿井矿震事件的监测技术称为微震监测技术。矿震特征及活动规律的研究发现，矿震活动与围岩的大范围破裂运动、区域构造、应力集中和采动应力场演化等密切相关。基于矿震能量、频次、集中度等与煤岩损伤破坏过程的相关性，可实现煤岩从原岩应力状态直至冲击动力灾害显现整个受载过程的微震连续
监测预警。
３．２．２ 震动波ＣＴ层析成像区域预测
理论和试验研究表明煤岩体中震动波波速与应力呈正相关关系［２３］，通过反演矿震震动波波速分布，确定采掘空间围岩中的应力分布特征，辨识高应力区
７
８
４
１
煤 炭 学 报
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１４年第３９卷及应力梯度变化区。研究确定矿震震动波速异常、波速梯度异常和应力集中系数等３个矿震震动波ＣＴ预测指标，建立冲击危险区域预测预警模型和判别准则，可实现冲击动力灾害危险区域
的空间预警。图４为某矿采用震动波ＣＴ层析成像反演预测的冲击危险区域与后期开采过程实际监测的矿震异常区域的对应关系，分析可知，预测的危险区（波速异常值绝对值偏大的区域）与实际的危险区有较好的对应关系。震动波ＣＴ层析成像技术可作为使用微震监测的矿井进行煤岩冲击动力灾害区域预测的主要技术之一。
图４ 矿震震动波ＣＴ反演结果与实测结果对照Ｆｉｇ．４ Ｃｏｍｐ
ａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｈａｚａｒｄｏｕｓ ｚｏｎｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ
ＣＴ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ３．３ 冲击危险局部即时监测预警
煤岩冲击危险局部监测是采用监测范围较小一般百米以内的监测方法及仪器，对潜在的危险区域，如工作面超前段，或采用区域监测有异常或危险的区域进行的监测。煤矿常用监测方法中电磁辐射、声发射可作为局部监测方法。
声发射监测的是高频低能量震动信号，监测范围２０
０ｍ以内。目前我国煤矿所用的声发射系统主要为波兰生产的ＡＲＥＳ－５／Ｅ声发射系统。
２０世纪９０代末以来，我国自主研发了煤岩冲击动力灾害的电磁辐射监测仪（ＫＢＤ－５，ＫＢＤ－７），并首次应用于煤岩冲击动力灾害的监测预警，取得了较好的效果。该系列仪器通过电磁感应测试受载煤岩在损伤破坏过程中的电磁脉冲及强度，耦合分析煤岩的受力状态，并对冲击动力危险作出监测预警。电磁
辐射技术单点有效监测范围２０ｍ左右。
冲击危险局部监测在区域监测的基础上，进一步缩小了冲击危险的目标区域。３．
４ 冲击危险点监测及点验证煤岩冲击危险点监测常采用应力监测技术对潜在冲击危险区域若干点进行连续监测，通过监测点的应力异常变化及趋势进行冲击危险预测预警。应力监测主要采用向煤岩体施工应力监测钻孔，并在钻孔内安装应力传感器的方法进行应力监测。钻孔应力监测的难点在于实现钻孔应力计与煤岩体的有效耦合，该技术劳动强度大，监测范围受钻孔深度及应力计个数限制。
钻屑法是一种煤岩应力状态的间接评估方法，通过施工相同孔径钻孔单位长度钻屑量的相对大小，以及施工过程中的动力效应判断煤岩应力状态的变化趋势，从而评价煤岩冲击危险强弱。钻屑法多用于局部点煤岩冲击危险验证和检验。
３．
５ 煤岩冲击危险连续监测预警技术体系通过集成创新煤岩冲击动力灾害的综合指数早期预测、微震监测、矿震震动波ＣＴ反演、应力监测、钻屑检验等方法，建立的煤岩冲击动力灾害逐级筛查聚焦式连续监测预警技术体系如图５所示。
图５ 连续监测预警技术体系
Ｆｉｇ．５ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｗａｒｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｓｙｓｔｅｍ该技术首先采用综合指数法对矿井进行早期大范围冲击危险评价预测，对预测有潜在危险的区域，采用微震监测技术进行区域即时连续监测预警，并采用震动波ＣＴ反演预测，确定出局部危险区域并采用电磁辐射、声发射进行局部监测预警，对预测预警的冲击危险区域内若干点采用钻屑法进行验证，实现煤岩冲击危险的早期预测与即时监测预警相结合、从区域到局部逐级筛查的聚焦式连续监测预警。
４ 矿井应用
８
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第８期何学秋等：煤岩冲击动力灾害连续监测预警理论与技术
４．１ 矿井概况
某煤矿２５０１采区平均煤厚达３０ｍ，分层综放开
采，全部垮落法管理顶板。
２５０１０１首采工作面回采结束后，２５０１０２接续工
作面初期开采发生了多次煤岩冲击动力灾害。如：
２００８－０１－２９工作面下出口向外１１０ｍ运输巷发生
煤岩冲击动力显现，巷道出现顶板下沉、两帮移近、底
板臌起、转载机架空段移位、破碎机电机轴折断、胶带
机尾下陷、胶带机架腿错位、托辊脱落等现象。当日
１６时２０分该段又发生了一次煤岩冲击动力显现，进一步加剧巷道的破坏，致使超前支护抬棚严重倾
倒，巷道净宽由４．５ｍ变为２．０ｍ左右，顶底板出现较大变形，最大变形量达６００ｍｍ。为了监测煤岩冲击动力灾害，该矿建立并使用了冲击危险连续监测预警技术。
４．２ 连续监测预警技术的应用
该煤矿煤岩冲击动力灾害连续监测预警技术实施步骤：
（１）冲击危险早期评价及预测。
根据综合指数法，确定２５０１０２工作面地质因素对应的冲击危险指数为０．８９，属于强冲击危险工作面。２５０１０２工作面开采技术条件对应的冲击危险指数分别为：轨道巷为０．２６，属弱危险；运输巷褶曲段为０．７１，属中等危险；运输巷其他区域为０．６５，亦属中等危险等级。
由开采技术条件确定的工作面冲击危险等级及区域划分为：轨道巷为弱冲击危险，运输巷为中等冲击危险。２５０１０２工作面应以运输巷为重点监测区域。
（２）区域即时连续监测预警。
该煤矿安装了波兰ＳＯＳ微震监测系统进行冲击危险区域监测。
图６为该煤矿２５０１０２工作面２００７－１２－１７—２００８－０３－２９期间矿震对应的冲击动力灾害前兆规律。冲击动力灾害发生前存在矿震能量、次数增长异常。冲击动力灾害发生在矿震活跃阶段，与矿震活动存在正相关关系，通过微震进行区域监测预警是可行的。
（３）局部即时连续监测预警。
该煤矿采用ＫＢＤ５便携式电磁辐射仪对工作面超前２００ｍ范围每天进行一次常规监测，另外对微震监测有冲击危险的区域进行局部监测，确定局部区域是否具有冲击危险，从而逐步确定和危险的局部范围。
图７为２００８年３月２５０１０２工作面微震监测异
图６ 冲击矿压的矿震前兆规律
Ｆｉｇ．６ Ｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｆｏｒｅｗａｒｎｉｎｇ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ
图７ 冲击矿压前兆信息的电磁辐射规律
Ｆｉｇ．７ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｆｏｒｅｗ－
ａｒｎｉｎｇ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ寇振海演过的电视剧
常区域，采用ＫＢＤ５电磁辐射仪监测的冲击危险前兆规律，冲击动力显现均出现在电磁辐射强度或脉冲数较高时段，表明电磁辐射活动性可表征冲击危险高低，可对冲击危险进行局部监测预警。
（４）点验证及点检验。
当采用电磁辐射局部监测有冲击危险时，则对局部危险区域实施钻屑法点验证，进行冲击危险检验。如图８所示，当钻屑量超标或钻进过程中出现动力现象时，如不采取可靠的治理措施，钻屑检验异常点附近可能发生冲击矿压或强矿压显现。当采用钻屑法点验证确定有危险时，则应针对危险点及附近区域采取冲击危险控制技术，控制和降低冲击危险。
４．３ 效果分析
如图９所示，通过连续监测预警技术的实施，２００８—２０１１年该煤矿冲击动力灾害次数逐年下降。冲击动力灾害次数从实施之初的每年２４次降低到７次，下降７１％。冲击动力灾害总体上减少７０％以上。
５ 结 论
（１）完善了弹塑脆性突变模型，研究了煤岩体损伤破坏特征与声发射、微震、电磁辐射等前兆信息的耦合规律。伴随煤岩损伤，煤岩体将产生能量释放、
９
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１４年第３９卷图８ 钻屑法监测的冲击危险与冲击矿压显现对应关系Ｆｉｇ．８ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ
ｂｉｔｓ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ图９ 冲击矿压治理效果
Ｆｉｇ
．９ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ微破裂至宏观破裂不同尺度的震动效应。震动效应活动性与煤岩损伤速率、变形速率、能量释放速率呈正相关关系。
（２）采用归一化方法，对煤岩受载变形破坏过程中的微震、声发射、电磁辐射等冲击动力灾害前兆信息进行归一化处理，得到冲击危险指数Ｚｎ（ｔ），根据煤岩损伤破坏过程的阶段性，将煤岩冲击危险划分为无危险、弱危险、中等危险、强危险４个等级，建立了冲击危险监测预警判别准则。
（３）通过集成创新煤岩冲击动力灾害的综合指数早期预测、微震监测、矿震震动波ＣＴ反演、应力监测、钻屑检验等方法，建立的煤岩冲击动力灾害逐级筛查聚焦式连续监测预警技术体系，利用各种监测预警技术的适应性，发挥各种监测预警技术的优势，实现时空监测预警精度互补，达到时间上从早期评价到即时监测预警，空间上从全矿井范围冲击危险评价→区域监测预警→局部监测预警→点验证的时空连续监测预警。参考文献：
［１］ 姜耀东，
潘一山，姜福兴，等．我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治［Ｊ］．煤炭学报，２０
１４，３９（２）：２０５－２１３．Ｊｉａｎｇ Ｙａｏｄｏｎｇ，Ｐａｎ Ｙｉｓｈａｎ，Ｊｉａｎｇ Ｆｕｘｉｎｇ，ｅｔ ａｌ．Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｔｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｍｅｃ
ｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｂｕｍｐｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ
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