曹建濤，來興平，崔　峰，單鵬飛，楊毅然

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

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復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)多參量預(yù)報方法研究*

曹建濤1，2，來興平1，2，崔峰1，2，單鵬飛1，2，楊毅然1，2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

針對煤巖體在開采擾動影響下由于動力載荷的作用將發(fā)生復(fù)雜的運動演化過程，形成新的更為復(fù)雜的煤巖體結(jié)構(gòu)。煤巖體結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力水平變化特異，煤巖體結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力強卸荷作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重畸變，出現(xiàn)煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)、沖擊地壓、大面積片幫和大體積冒頂?shù)葎恿κХ€(wěn)現(xiàn)象，且煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)始終隨著采動煤巖層的時空演化而發(fā)生著動態(tài)運動，危險源產(chǎn)生的位置、時間具有不確定性，存在自由面的煤層、采場、巷道、掘進工作面等圍巖結(jié)構(gòu)空間都有發(fā)生動力失穩(wěn)的可能，因此導(dǎo)致了動力失穩(wěn)危險源的搜索范圍廣泛、定位難度較大，采用單一手段難以滿足監(jiān)測預(yù)報的要求。本論文基于能量積聚和釋放的圍巖結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)前兆信息研究，利用應(yīng)力、應(yīng)變、聲發(fā)射、鉆孔窺視等聲、光、電監(jiān)測手段，通過多參量信息的綜合分析，提出復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)多參量動力失穩(wěn)預(yù)測方法。

復(fù)雜條件；煤巖體結(jié)構(gòu)；開采擾動載荷；動力失穩(wěn)

2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

0　引　言

復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生頻繁，動力災(zāi)害時有發(fā)生。隨采深增加與開采強度的加大，動力災(zāi)害發(fā)生頻次上升，大洪溝礦(采深350 m)累計發(fā)生10多次動力失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，烏東煤礦發(fā)生動力災(zāi)害，造成1死2傷；堿溝煤礦和小紅溝煤礦也有類似災(zāi)害發(fā)生，河南義馬煤業(yè)集團千秋煤礦發(fā)生動力失穩(wěn)災(zāi)害，動力作用致使巷道嚴(yán)重損壞并冒落，近400 m巷道損毀嚴(yán)重，部分巷道完全合攏，作業(yè)工人被冒落巷道封堵或掩埋在事發(fā)地點，最后造成10人遇難的重大傷亡事故，陜西省榆林市神木縣采空區(qū)動力失穩(wěn)引發(fā)了3.0級塌陷地震，造成嚴(yán)重的社會影響。

繆協(xié)興[1-2]等利用斷裂力學(xué)原理，建立了煤巖體滑移裂紋擴展的動力失穩(wěn)模型。章夢濤[3-5]等提出以動力失穩(wěn)過程判別準(zhǔn)則和能量不穩(wěn)定判別準(zhǔn)則，通過建立數(shù)學(xué)模型分析煤巖動力失穩(wěn)問題。齊慶新、劉天泉[6-7]等研究了煤巖動力失穩(wěn)的黏滑失穩(wěn)機理，提出了煤巖體結(jié)構(gòu)破壞的“三因素”準(zhǔn)則，齊慶新等還研究了煤層動力失穩(wěn)與巖爆之間的聯(lián)系與區(qū)別。譚云亮、宋揚等研究了煤巖動力失穩(wěn)的非吸納性特性。唐春安、潘岳[8-11]等采用突變理論，分析了斷層誘發(fā)煤巖結(jié)構(gòu)體動力失穩(wěn)問題，提出了煤巖體系統(tǒng)失穩(wěn)彈性能釋放量表達式和破裂臨界條件。唐春安等也采用分析軟件(RFPA)對巖石破壞過程的煤巖動力失穩(wěn)、巖爆的孕育過程進行了較好的分析。

對于沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警、預(yù)測方法及設(shè)備已有較多成果，例如應(yīng)力監(jiān)測[12-13]、微震監(jiān)測[14-16]、鉆屑量監(jiān)測[17]、聲發(fā)射監(jiān)測[18-19]、電磁輻射監(jiān)測[20-22]、震動波CT 監(jiān)測[23-24]等，但是，這些預(yù)測、預(yù)警方法多是單套系統(tǒng)進行監(jiān)測預(yù)測或預(yù)警，多參量的預(yù)測或預(yù)警方法現(xiàn)場實踐較少。

基于能量積聚和釋放的圍巖結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)前兆信息研究，利用應(yīng)力應(yīng)變、聲發(fā)射、鉆孔窺視等監(jiān)測手段，利用多參量信息的綜合分析，可以實現(xiàn)復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)多參量動力失穩(wěn)預(yù)測方法。針對應(yīng)力、應(yīng)變、聲發(fā)射、鉆孔窺視等判定指標(biāo)需要綜合判定復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)，建立復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)危險性綜合評價函數(shù)。

1　復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征

圖1　采動作用下動力學(xué)破壞情況Fig.1　Deformation and damage of roadway induced by EDZ

論文針對烏東煤礦急傾斜(45°～87°)特厚煤層。采深達400 m.采用水平分段綜放開采，工作面上方采空區(qū)不均衡垮落和沉降，局部區(qū)域形成載荷集中和不均勻受力，沿垂直剖面煤柱形成“塔形”分布結(jié)構(gòu)，最深部水平分段煤柱載荷產(chǎn)生應(yīng)力疊加，極易導(dǎo)致煤柱斷裂。由于急斜煤層傾角大，煤巖體在開采擾動作用下產(chǎn)生非對稱性“撬動”作用力，煤巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)部不斷發(fā)生著運動演化，煤巖體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷“損傷-變形-斷裂-滑移-失穩(wěn)”復(fù)雜的結(jié)構(gòu)力學(xué)變化過程，復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生十分明顯的“剪切-滑移”相對運動，最后由于結(jié)構(gòu)整體強度的劣化發(fā)生煤巖體坍塌進而誘發(fā)動力失穩(wěn)災(zāi)害，對工作面形成動力學(xué)破壞。煤巖體能量突然釋放使巷道出現(xiàn)嚴(yán)重底臌幫鼓與冒頂，最大幫鼓達1.0 m，最大底鼓達1.2 m；巷道內(nèi)風(fēng)筒與錨網(wǎng)撕裂和皮帶側(cè)翻(圖1)等。

2　復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動態(tài)失穩(wěn)致災(zāi)時空預(yù)測原理

基于能量改變的煤巖體結(jié)構(gòu)動態(tài)調(diào)控技術(shù)原理，以復(fù)雜煤巖結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)防治為目標(biāo)，通過先進測試方法、綜合理論研究、室內(nèi)實驗和現(xiàn)場工程試驗等方法與手段，揭示復(fù)雜煤巖結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)規(guī)律，建立動壓預(yù)報技術(shù)，判定動壓防治重點區(qū)域，優(yōu)化采掘布局，減弱或消除動力學(xué)失穩(wěn)危險，制訂適合復(fù)雜煤巖結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)危險預(yù)警與管理制度，實現(xiàn)安全開采。

以地面調(diào)查、鉆探和超前探查為基礎(chǔ)，建立煤巖體結(jié)構(gòu)空間信息。以室內(nèi)試驗和現(xiàn)場監(jiān)測方法，研究分析應(yīng)力、變形、位移、聲發(fā)射等指標(biāo)參數(shù)，研究煤巖體開挖狀態(tài)下結(jié)構(gòu)面性狀的變化特征及其演化規(guī)律，完成復(fù)雜煤巖體動力學(xué)破壞與時間密切相關(guān)的強度實驗，確定煤巖動力學(xué)失穩(wěn)傾向性及其破壞時聲發(fā)射參數(shù)、實驗室尺度、不同應(yīng)力水平下煤巖體內(nèi)部損傷孕育與發(fā)展過程，揭示煤巖體結(jié)構(gòu)特征與力學(xué)行為及其對災(zāi)害調(diào)控作用。將復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)多元前兆信息指標(biāo)進行概率統(tǒng)計分析，應(yīng)用隸屬函數(shù)進行綜合評判，為安全生產(chǎn)管理提供定量依據(jù)，建立集監(jiān)測、預(yù)報與管理為一體的高度信息化和智能化安全監(jiān)控體系。

3　開采擾動動力顯現(xiàn)監(jiān)測

由于煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)始終隨著采動煤巖層的時空演化而發(fā)生著動態(tài)運動，危險源產(chǎn)生的位置、時間具有不確定性，存在自由面的煤層、采場、巷道、掘進工作面等圍巖結(jié)構(gòu)空間都有發(fā)生動力失穩(wěn)的可能，因此導(dǎo)致了動力失穩(wěn)危險源的搜索范圍廣泛、定位難度較大，采用單一手段難以滿足監(jiān)測預(yù)報的要求。本論文基于能量積聚和釋放的圍巖結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)前兆信息研究，利用應(yīng)力應(yīng)變、聲發(fā)射、鉆孔窺視等聲、光、電監(jiān)測手段，通過多參量信息的綜合分析，提出復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)多參量預(yù)測方法。

3.1應(yīng)力監(jiān)測

工作面順槽內(nèi)每20 m一組安裝錨桿測力計，在巷道兩幫及頂部各安裝一塊，測力計初始壓力設(shè)定為3 MPa.每隔1 h監(jiān)測1次，并記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，確定預(yù)報值。

圖2　應(yīng)力監(jiān)測Fig.2　Stress monitoring

底板巖體的應(yīng)力大于煤體應(yīng)力，而煤體部位的應(yīng)力大于頂板部位的應(yīng)力值。底板的應(yīng)力變化是開始時應(yīng)力上升而后應(yīng)力趨于平穩(wěn)，到后期應(yīng)力發(fā)生了急速下降。煤體和頂板部位的應(yīng)力變化不是十分明顯，基本趨于穩(wěn)定，煤體部位的應(yīng)力基本維持在6 MPa左右、頂板煤體的應(yīng)力基本維持在2 MPa左右，應(yīng)力變化比較明顯，應(yīng)力值突然增加到近似原來應(yīng)力值的2倍，如圖2所示。

3.2變形監(jiān)測

按照巷道變形監(jiān)測方案，總結(jié)分析巷道寬度、高度受上分層綜采面推進及掘進頭掘進影響的規(guī)律，為及時準(zhǔn)確提供巷道嚴(yán)重變形進行預(yù)測預(yù)報如圖3，圖4所示。測定的壓力值與變形量與額定壓力值與變形的差值超過正常值1倍以上時，說明監(jiān)測區(qū)域可能具有動力失穩(wěn)危險性，應(yīng)立即采取相應(yīng)動力失穩(wěn)危險解危措施。

圖3　兩幫相對移近量監(jiān)測Fig.3　Monitoring of convergence of two sides

圖4　頂板下沉量監(jiān)測Fig.4　Monitoring of subsidence of roof

3.3結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)聲發(fā)射信號預(yù)報

煤巖體損傷破裂聲發(fā)射(Acoustic emission)AE信號分析為現(xiàn)場圍巖穩(wěn)定性預(yù)報提供十分有效的信息參數(shù)。通過聲發(fā)射與煤巖體動態(tài)破裂與失穩(wěn)聯(lián)合監(jiān)測，揭示了動力作用下煤巖破裂與失穩(wěn)AE大事件和能率特征及規(guī)律(圖5)。

圖5　煤巖體破裂與失穩(wěn)聲發(fā)射(AE)特征Fig.5　AE characteristics of instability and failure in coal and rock mass (a)AE大事件　(b)AE能率

如圖5所示，復(fù)雜煤巖體破裂失穩(wěn)分為5個階段：初始壓密階段(ST-1)、破裂擴展階段(ST-2)、加速破裂階段(ST-3)、整體失穩(wěn)階段(ST-4)和破壞后能量急劇釋放階段(ST-5)，破壞加速累積導(dǎo)致煤巖體整體破壞，AE能率和總事件都達到峰值，之后儲能大量釋放，AE能率和總事件驟然釋放與重構(gòu)擴展，承載力顯著下降。能率和總事件值分別為4 300和770個/s以上時發(fā)出預(yù)報信號。

3.4基于鉆孔攝像結(jié)構(gòu)演化內(nèi)部變形預(yù)報

煤巖體局部化破裂孕育演化與失穩(wěn)致災(zāi)，實質(zhì)上是煤巖體局部結(jié)構(gòu)與應(yīng)力環(huán)境作用的動力學(xué)演化過程。鉆孔內(nèi)部煤體出現(xiàn)顯著變形、破壞與坍塌，壓應(yīng)力和剪應(yīng)力致使煤巖體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)畸變與動態(tài)失穩(wěn)。在鉆孔不同位置和不同深度破壞形式迥異，表明煤巖體內(nèi)部不同位置局部應(yīng)力集中程度或應(yīng)力卸荷度也完全不同，極易在局部區(qū)域破壞并誘發(fā)動力學(xué)失穩(wěn)。圖6描述了鉆孔內(nèi)部不同深部破裂與變形結(jié)果。當(dāng)鉆孔內(nèi)部煤體出現(xiàn)顯著變形、破裂與坍塌，在裂隙邊界點上兩點間產(chǎn)生相對位移，沿鉆孔縱向和橫向發(fā)生擴張或移動時發(fā)出預(yù)報信號。

4　復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)綜合指標(biāo)預(yù)報

復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生的前兆信息主要表現(xiàn)在，利用應(yīng)力、應(yīng)變、聲發(fā)射、鉆孔窺視4個判定指標(biāo)監(jiān)測“力-震-能”的變化過程，將4個不同量綱判定指標(biāo)采用隸屬函數(shù)進行危險性綜合評判，給出復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)一種簡單的綜合判定方法。

每個指標(biāo)的評判函數(shù)為

fi=a1x1+a2x2+a3x3+a4x4.

(1)

式中影響系數(shù)與傾向等級的數(shù)值采用現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)集應(yīng)用專家評判法得出系數(shù)具體數(shù)值。ai(i=1,2,3)為每個指數(shù)的影響系數(shù)，分別為0.595，0.601，0.450，0.4；xi(x=1,2,3)為每個因素評判結(jié)果，設(shè)每個參數(shù)對應(yīng)動力失穩(wěn)傾向等級Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4個類別的分別取值為：0.168，0.333，0.667，1，見表1.

采用二次拋物型隸屬函數(shù)，動力失穩(wěn)傾向性對災(zāi)害危險性的隸屬函數(shù)為

(2)

圖6　煤巖體內(nèi)部不同深部破裂與變形光學(xué)觀測結(jié)果Fig.6　Crack and deformation of in-situ coal and rock mass at various depth (a)孔口　(b)1.0 m　(c)2.0 m　(d)3.0 m　(e)4.0 m　(f)5.0 m

類別ⅠⅡⅢⅣ動力失穩(wěn)傾向無弱中強指標(biāo)壓力指數(shù)/MPa<2[2,5][5,12]>12變形指數(shù)/mm<5[5,15][15,50]>50聲發(fā)射指數(shù)<2500[2500,3000][3000,5000]>5000鉆孔變形指數(shù)/mm<1[1,2][2,5]>5

復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)危險性綜合評價函數(shù)為

U=c1μ1+c2μ2+c3μ3+c4μ4.

(3)

式中c1，c2，c3，c4為權(quán)重，通過原始數(shù)據(jù)綜合分析和現(xiàn)場實踐經(jīng)驗總結(jié)確定各項指標(biāo)權(quán)重分別為0.25，0.25，0.25和0.25.

表2　復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)危險性分類、名稱

由公式(1)～(3)進行計算，再根據(jù)表2可對復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)危險性進行判定。

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)力、應(yīng)變、聲發(fā)射、鉆孔窺視4監(jiān)測結(jié)果進行綜合判定復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)現(xiàn)象。

根據(jù)評判函fi=a1x1+a2x2+a3x3+a4x4，得出判定指標(biāo)對應(yīng)的函數(shù)值，見表3.

表3　判定指標(biāo)對應(yīng)評判函數(shù)值

根據(jù)動力失穩(wěn)傾向性對災(zāi)害危險性隸屬函數(shù)式(2)得出災(zāi)害危險性隸屬函數(shù)值，見表4.

表4　判定指標(biāo)對應(yīng)災(zāi)害危險性隸屬函數(shù)值

根據(jù)復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)危險性綜合評價函數(shù)

U=c1μ1+c2μ2+c3μ3+c4μ4=0.25×0.878+0.25×0.833+0.25×0.727+0.25×0.973=0.854.

得出復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)危險性綜合評價函數(shù)值為0.854，對照表2可得出動力失穩(wěn)危險性等級為強級。成功預(yù)報了動力災(zāi)害的現(xiàn)象，避免了事故發(fā)生。

5　結(jié)　論

動力失穩(wěn)作為一種復(fù)雜的圍巖結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)災(zāi)害，使得對動力失穩(wěn)發(fā)生機理的研究非常復(fù)雜和困難。通過對復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)形態(tài)分析研究，研究復(fù)雜煤巖體運動演化、動力作用，利用應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、聲發(fā)射信號分析、鉆孔變形等指標(biāo)進行多參量綜合預(yù)報。

1)采用水平分段綜放開采，工作面上方采空區(qū)不均衡垮落和沉降，局部區(qū)域形成載荷集中和不均勻受力，最深部水平分段煤柱載荷產(chǎn)生應(yīng)力疊加，極易導(dǎo)致煤柱斷裂。由于急斜煤層傾角大，煤巖體在開采擾動作用下產(chǎn)生非對稱性“撬動”作用，致使集中載荷突然卸荷，導(dǎo)致煤巖體結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)，對工作面形成動力學(xué)破壞；

2)煤巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)部不斷發(fā)生著運動演化，煤巖體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷“損傷-變形-斷裂-滑移-失穩(wěn)”復(fù)雜的結(jié)構(gòu)力學(xué)變化過程，由于結(jié)構(gòu)整體強度的劣化發(fā)生煤巖體坍塌進而誘發(fā)動力失穩(wěn)災(zāi)害；

3)基于能量積聚和釋放的圍巖結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)前兆信息研究，利用應(yīng)力、應(yīng)變、聲發(fā)射、鉆孔窺視等多元測控技術(shù)，利用多參量信息的綜合分析，提出針對復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)的多參量預(yù)測方法。

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Multi-parameter forecasting method of dynamic destabilization of complex coal and rock mass structure

CAO Jian-tao1，2，LAI Xing-ping1，2，CUI Feng1，2，SHAN Peng-fei1，2，YANG Yi-ran1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China；

Due to the dynamic loading caused by exploitation，the structure of coal and rock mass has become more complex.Great deformation generated under high stress and strong unloading particularly when encountered large variation of stress level.Phenomenons such as dynamical destabilization of structure，rockburst，wall caving and roof falling etc maybe occur on this account.The dynamic change of dynamic destabilization in structure of coal and rock mass coupled with temporal and spatial evolution of exploitation area，and the location and formation time is uncertain.Locations such as coal seam，stope，roadway and working face etc are very likely to be dangerous zones，resulting that the dynamical destabilization source hard to locate.Therefore，it is unable to meet the requirement of monitoring and prediction with single-parameter forecasting method.This paper employs monitoring measures such as stress-strain，acoustic emission(AE)，borehole imaging and photoelectric，based on the study of message produced before dynamic destabilization by energy accumulation and release.By means of synthetical analysis of multi-parameter message，we have proposed a multi-parameter forecasting method of dynamic destabilization of complex coal and rock mass structure.

complex condition；structure of coal and rock mass；mining disturbance loading；dynamic destabilization

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0301

1672-9315(2016)03-0301-07

2016-01-10責(zé)任編輯：劉潔

國家自然科學(xué)基金(煤炭聯(lián)合基金)重點項目(U13612030);陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃(2013KCT-16);博士啟動基金(2014QDJ069);博士培育基金(2014051)

曹建濤(1981-),男,山西大同人,博士,講師,E-mail：463583050@qq.com

TD 823

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