李宏艷,莫云龍,孫中學(xué),李 磊,蔣軍軍,趙善坤

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 礦山安全技術(shù)研究分院，北京 100013; 2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013; 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

隨著煤炭開(kāi)采向深部發(fā)展，沖擊地壓成為煤礦安全生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿?zāi)害。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》2016年版第二百二十七條規(guī)定:開(kāi)采具有沖擊傾向性的煤層，必須進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。由此可見(jiàn)，準(zhǔn)確的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是煤礦安全生產(chǎn)的保障。

學(xué)者針對(duì)煤巖沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)做了很多工作。如竇林名和何學(xué)秋[1]在國(guó)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，考慮了巖體結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性、地質(zhì)因素作為沖擊地壓發(fā)生的主要誘因，提出綜合指數(shù)法;姜福興等[2-4]采用模糊數(shù)學(xué)的方法，用垂直應(yīng)力與煤體單軸抗壓強(qiáng)度的比值、彈性能量指數(shù)兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)煤體的沖擊危險(xiǎn)性;根據(jù)應(yīng)力疊加原理建立了沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型，在此基礎(chǔ)上又提出對(duì)沖擊地壓實(shí)行分類(lèi)評(píng)價(jià)的技術(shù)手段;雷毅[5]利用數(shù)量化理論Ⅱ建立了四維評(píng)價(jià)模型。以上方法可歸類(lèi)為靜態(tài)評(píng)價(jià)方法，以沖擊地壓發(fā)生的主要誘因作為切入點(diǎn)，對(duì)煤巖沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估。這種方法對(duì)沖擊危險(xiǎn)性的量化能力相對(duì)較弱，主要為煤炭開(kāi)采前的防沖工作提供一定依據(jù)。鑒于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，實(shí)際誘發(fā)條件多變，煤巖沖擊危險(xiǎn)性隨時(shí)間和空間不斷變化，故靜態(tài)評(píng)價(jià)方法不能滿(mǎn)足復(fù)雜擾動(dòng)下現(xiàn)場(chǎng)需求。

實(shí)際開(kāi)采中，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法顯得更為重要。目前動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法主要基于以下幾種監(jiān)測(cè)技術(shù)，如竇林名等[6-9]對(duì)震動(dòng)波CT探測(cè)技術(shù)在沖擊危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用做了大量研究;潘俊鋒等[10]分別對(duì)集中動(dòng)載荷源和集中靜載荷源開(kāi)展分源監(jiān)測(cè)，建立了分源權(quán)重綜合評(píng)價(jià)方法;劉少虹等[11]在掘進(jìn)工作面通過(guò)地音與電磁波CT探測(cè)的手段提出了沖擊危險(xiǎn)性層次化評(píng)價(jià)方法;微震監(jiān)測(cè)是井下應(yīng)用最為廣泛的手段，針對(duì)微震b值[12-13]、斷裂面積[14]、分形維數(shù)[15]、地震矩張量[16]、視應(yīng)力/體積[17]、能量指數(shù)[18-19]等預(yù)警指標(biāo)以及綜合指數(shù)法[20-21]的研究成為當(dāng)下的焦點(diǎn)。沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:① 不僅能夠反應(yīng)煤巖當(dāng)前自身的危險(xiǎn)狀態(tài)，還可以幫助預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)發(fā)展趨勢(shì);② 與靜態(tài)評(píng)價(jià)方法相比，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法一般都是基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)沖擊危險(xiǎn)性的量化能力較強(qiáng);③ 規(guī)避了靜態(tài)評(píng)價(jià)方法中由于無(wú)法完全掌握誘發(fā)因素而為評(píng)價(jià)工作帶來(lái)的安全隱患。但也存在幾點(diǎn)問(wèn)題:① 很多監(jiān)測(cè)指標(biāo)尚未真正掌握各個(gè)物理量變化的內(nèi)在機(jī)理，存在由現(xiàn)象找規(guī)律的研究誤區(qū);② 在動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)過(guò)程中，不同危險(xiǎn)等級(jí)閾值或者指標(biāo)所占權(quán)重在不同條件下會(huì)發(fā)生變化，需進(jìn)一步研究;③ 當(dāng)前動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警一般最少以1個(gè)班(6～8 h)為1個(gè)單位，對(duì)于短期或是臨震預(yù)警一直沒(méi)有突破。

微震技術(shù)已經(jīng)成為研究巖石破裂過(guò)程和確定巖體穩(wěn)定的重要手段[22]。筆者基于微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)損傷力學(xué)理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，發(fā)現(xiàn)累積能量釋放速率和缺震時(shí)間兩種物理量變化與煤巖受載災(zāi)變行為具有內(nèi)在聯(lián)系，基于此建立了響應(yīng)能量異常系數(shù)和無(wú)響應(yīng)時(shí)間異常系數(shù)兩種指標(biāo)，相互結(jié)合便可實(shí)現(xiàn)煤巖沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)技術(shù)在某礦23070工作面得到了驗(yàn)證。

1 沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)基本原理

1.1 煤巖災(zāi)變臨界敏感性

對(duì)于煤巖系統(tǒng)，由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和非均勻性影響，基于連續(xù)介質(zhì)的巖石力學(xué)理論很難準(zhǔn)確表征和預(yù)測(cè)其斷裂行為[23]。復(fù)雜系統(tǒng)在臨近災(zāi)變點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)函數(shù)(量)的異常現(xiàn)象[24]，這為理解復(fù)雜系統(tǒng)災(zāi)變行為提供了思路。這種臨界敏感性也存在于煤巖系統(tǒng)中，它既取決于細(xì)觀單元的行為，同時(shí)也是細(xì)觀單元行為在宏觀上的表現(xiàn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)損傷力學(xué)原理，將煤巖介質(zhì)看作由若干個(gè)均勻的細(xì)觀單元體組成，但每個(gè)單元體的極限應(yīng)變?chǔ)與是隨機(jī)的，滿(mǎn)足Weibull分布，概率密度函數(shù)為

(1)

其中，m為Weibull分布的形狀參數(shù)。在煤巖介質(zhì)受載過(guò)程中，任何細(xì)觀單元體應(yīng)變值超過(guò)自身極限應(yīng)變就會(huì)失效，不再具有承載能力，引起介質(zhì)損傷的變化。根據(jù)能量守恒定律，煤巖災(zāi)變過(guò)程的能量演化行為包括能量輸入、積聚、耗散和釋放，釋放的能量主要是積聚的彈性能。假設(shè)每個(gè)細(xì)觀單元體不具有損傷且受載過(guò)程中只發(fā)生彈性變形和塑性變形。在細(xì)觀單元體達(dá)到極限應(yīng)變?chǔ)與前，外界機(jī)械功先后轉(zhuǎn)化為彈性能和塑性能。當(dāng)達(dá)到極限應(yīng)變?chǔ)與時(shí)，細(xì)觀單元體失效，積聚的彈性能釋放至外界環(huán)境中。根據(jù)整體平均場(chǎng)近似理論，名義應(yīng)力σ由n個(gè)細(xì)觀單元體平均承載，則應(yīng)變?yōu)棣艜r(shí)每個(gè)細(xì)觀單元體失效釋放彈性能為

(2)

(3)

式中，σt為每個(gè)細(xì)觀單元體承擔(dān)的有效應(yīng)力;E為系統(tǒng)無(wú)損傷時(shí)彈性模量;D(ε)為煤巖介質(zhì)的損傷函數(shù)。煤巖介質(zhì)受載過(guò)程釋放的總能量為

(4)

累積能量釋放速率為

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式中，σv為單位時(shí)間加載量，常數(shù);t為加載時(shí)間。

通過(guò)MATLAB繪制加載過(guò)程累積能量釋放速率v的形狀曲線，如圖1所示。卸載過(guò)程與其相反。m可以取2，3，4，5等任意整數(shù)，表達(dá)材料初始損傷程度，m取值越大，材料細(xì)觀尺度下的初始損傷越小。函數(shù)曲線圖像表明，煤巖臨近災(zāi)變時(shí)累積能量釋放速率會(huì)出現(xiàn)激增，且煤巖介質(zhì)細(xì)觀尺度下初始損傷越小，響應(yīng)函數(shù)(量)的激增行為越劇烈，宏觀尺度表現(xiàn)為災(zāi)變時(shí)間越短，沖擊行為越猛烈。故對(duì)于某一確定的煤巖系統(tǒng)，累積能量釋放速率可以作為反映煤巖介質(zhì)受載條件下自身危險(xiǎn)狀態(tài)的指標(biāo)，指標(biāo)值越小系統(tǒng)越穩(wěn)定;指標(biāo)值越大，系統(tǒng)越接近臨界態(tài)，當(dāng)指標(biāo)出現(xiàn)激增時(shí)，預(yù)示著系統(tǒng)災(zāi)變行為的臨近。

圖1 累積能量釋放速率變化曲線Fig.1 Curve of cumulative energy release rate

1.2 危險(xiǎn)事件識(shí)別的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理

煤巖系統(tǒng)累積能量釋放速率能直接反映系統(tǒng)受載條件下所處危險(xiǎn)狀態(tài)，但是僅依據(jù)該指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)沖擊危險(xiǎn)性開(kāi)展動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)是一種理想狀態(tài)，即在工程領(lǐng)域微震事件時(shí)刻發(fā)生，連續(xù)性極強(qiáng)。

由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件的復(fù)雜性，微震事件的發(fā)生是非連續(xù)的，將評(píng)價(jià)時(shí)刻距離上一微震事件的這段時(shí)間稱(chēng)為“缺震時(shí)間”。雖然微震事件是不連續(xù)的，但煤巖系統(tǒng)的沖擊危險(xiǎn)性卻是不斷變化的，因此缺震時(shí)間內(nèi)煤巖沖擊危險(xiǎn)性的變化過(guò)程也需量化。考慮這一情況，分析缺震時(shí)間T作為無(wú)微震事件時(shí)系統(tǒng)沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的補(bǔ)充指標(biāo)。針對(duì)某一系統(tǒng)，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，其處于正常狀態(tài)的概率將占其全部事件的絕大部分，統(tǒng)計(jì)已獲得的相鄰兩個(gè)微震事件間隔時(shí)間的數(shù)值頻次分布，可獲得其對(duì)應(yīng)系統(tǒng)正常狀態(tài)的區(qū)間范圍和不同異常程度的數(shù)據(jù)區(qū)間范圍?？紤]微震的發(fā)生是一個(gè)較為復(fù)雜的時(shí)間過(guò)程，理想狀態(tài)下所統(tǒng)計(jì)的數(shù)值頻次分布可通過(guò)偏態(tài)描述，如圖2所示。偏離正常區(qū)域程度越大，變量越異常，危險(xiǎn)性越高。因此缺震時(shí)間T落在不同區(qū)間內(nèi)，預(yù)示著系統(tǒng)沖擊危險(xiǎn)性的不同。

圖2 理想狀態(tài)微震間隔時(shí)間的頻次分布特征Fig.2 Frequency distribution of microseismic interval in the ideal state

2 沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

2.1.1累積能量釋放速率

累積能量釋放速率v直接反應(yīng)某一時(shí)刻煤巖所處危險(xiǎn)狀態(tài)。根據(jù)煤巖災(zāi)變臨界敏感性理論，當(dāng)加載時(shí)間t距離煤巖介質(zhì)災(zāi)變沖擊時(shí)刻較遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)v沒(méi)有明顯變化。隨著t逐漸接近臨界值，系統(tǒng)趨向不穩(wěn)定，v隨著t趨近災(zāi)變點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的激增，當(dāng)系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)

(6)

通過(guò)無(wú)量綱和歸一化處理，定義響應(yīng)能量異常系數(shù)

R=1-1/F，F(xiàn)=vt/v0

(7)

式中，vt為當(dāng)前時(shí)刻累積能量釋放速率;v0為上一時(shí)刻累積能量釋放速率。

當(dāng)系統(tǒng)處于加載狀態(tài)下，隨著時(shí)間t的增長(zhǎng)，系統(tǒng)趨近臨界態(tài)，累積能量釋放速率v增加，即vt>v0，R在0～1之間變動(dòng)，此時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性大小，根據(jù)煤巖累積能量釋放速率v進(jìn)行判斷。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[7，25-28]，參照《煤礦安全規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定，將沖擊危險(xiǎn)性定量劃分為4個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)，見(jiàn)表1。

當(dāng)系統(tǒng)處于卸載狀態(tài)下，隨著時(shí)間t的增長(zhǎng)，系統(tǒng)逐漸趨近平衡態(tài)，累積能量釋放速率逐漸減小，即vt4v0時(shí)，煤巖為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性，此時(shí)危險(xiǎn)等級(jí)躍遷得最多。卸載狀態(tài)為加載狀態(tài)的逆過(guò)程，故當(dāng)vt<1/4v0，即R<-3時(shí)，危險(xiǎn)性會(huì)降低最多，即3級(jí)。同理可得其他等級(jí)降低的量化標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。

表 1 沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)
Table 1 Burst hazard classification criteria

危險(xiǎn)等級(jí)R無(wú)0

表2 沖擊危險(xiǎn)等級(jí)降低標(biāo)準(zhǔn)
Table 2 Reduce standard of burst hazard grade

R危險(xiǎn)等級(jí)降低量-1/3

注：-0級(jí)表示t時(shí)刻危險(xiǎn)等級(jí)較上一時(shí)刻無(wú)變化。

煤巖受載條件積聚的彈性變形能會(huì)尋求最短的路徑釋放。破斷、摩擦產(chǎn)生的能量以波的形式在煤巖介質(zhì)中傳播。根據(jù)有關(guān)研究[25]，這種波大約分為兩種，一種是震動(dòng)比較強(qiáng)烈的微震事件，它是隨著煤巖體被逐漸加壓，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定規(guī)模、局部煤巖體受載強(qiáng)度接近其破壞強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)的大范圍裂隙貫通、破壞現(xiàn)象;另一種是震動(dòng)能量比較弱的地音事件，能量一般僅在103J以下。由于兩種事件存在數(shù)量級(jí)的差異，且累積能量釋放速率v研究的是其前后兩個(gè)時(shí)刻的變化趨勢(shì)，所以本文提出的沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)中以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的微震累積能量作為煤巖累積釋放能量。

2.1.2缺震時(shí)間

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，缺震時(shí)間T出現(xiàn)異常時(shí)，一般表示系統(tǒng)處于孕災(zāi)階段，為保證評(píng)價(jià)過(guò)程中不存在“漏報(bào)”的風(fēng)險(xiǎn)，將T的異常程度作為危險(xiǎn)等級(jí)增加的指標(biāo)。具體方法如下:首先選取現(xiàn)場(chǎng)已有微震數(shù)據(jù)作為初始數(shù)據(jù)庫(kù)。依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，取其眾數(shù)M0左右兩側(cè)，概率密度之和達(dá)到50%的區(qū)間作為數(shù)據(jù)正常區(qū)間，區(qū)間長(zhǎng)度為2L。將正常區(qū)間中值T0作為參考點(diǎn)，認(rèn)為數(shù)值T偏離T0較多時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)異常，危險(xiǎn)等級(jí)開(kāi)始增加。定義無(wú)響應(yīng)時(shí)間異常系數(shù)η描述具體數(shù)值T偏離T0的程度，為說(shuō)明異常原因，不取絕對(duì)值，保留正負(fù)號(hào)，計(jì)算方法為

η=(T-T0)/L

(8)

按照統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，正常區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)偏離T0的范圍小于20%;如果數(shù)據(jù)偏離程度超過(guò)20%，但不超過(guò)35%時(shí)為輕度異常;超過(guò)35%，但不超過(guò)45%時(shí)為中度異常;超過(guò)45%則為極端異常。以上4個(gè)區(qū)間分別對(duì)應(yīng)圖2中的4個(gè)危險(xiǎn)程度，由此計(jì)算得到異常系數(shù)η對(duì)危險(xiǎn)等級(jí)增加進(jìn)行量化的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表 3 沖擊危險(xiǎn)等級(jí)增加標(biāo)準(zhǔn)
Table 3 Increase standard of burst hazard

異常系數(shù)η危險(xiǎn)等級(jí)增加量-1.00<η<1.00+0級(jí)-1.75<η<-1.001.00<η<1.75+1級(jí)-1.75<η<-2.251.75<η<2.25+2級(jí)η<-2.25η>2.25+3級(jí)

注：+0級(jí)表示當(dāng)前時(shí)刻危險(xiǎn)等級(jí)較上一時(shí)刻無(wú)變化。

2.2 沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)

基于響應(yīng)能量異常系數(shù)R和無(wú)響應(yīng)時(shí)間異常系數(shù)η，對(duì)沖擊危險(xiǎn)性開(kāi)展動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的主要流程如圖3所示。根據(jù)相關(guān)研究和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，數(shù)量級(jí)超過(guò)4次方的能量事件為較大能量事件;取數(shù)量級(jí)不小于6次方的能量事件為大沖擊事件，代表煤巖系統(tǒng)災(zāi)變。有關(guān)研究表明[29]，開(kāi)采活動(dòng)打破了原位應(yīng)力場(chǎng)的平衡，在環(huán)境應(yīng)力作用下，煤巖介質(zhì)將經(jīng)歷變形、破壞、崩落和穩(wěn)定，故認(rèn)為每經(jīng)歷一次災(zāi)變，煤巖系統(tǒng)瞬間完成能量釋放，回到初始平衡態(tài)。這一瞬間作為本周期危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的結(jié)束時(shí)刻，同時(shí)也是下一周期危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的時(shí)間起點(diǎn)，這一點(diǎn)在計(jì)算R與η時(shí)需要注意。

圖3 沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)流程Fig.3 Dynamic assessment flow chart of rock burst hazard

3 動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)的工程驗(yàn)證

對(duì)該評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證時(shí)，選取工作面的原則:① 工作面來(lái)自典型沖擊地壓礦井;② 工作面回采期間有明顯的礦壓顯現(xiàn);③ 沖擊危險(xiǎn)性隨時(shí)間、空間的推移有明顯的改變。

3.1 工作面概況

微震數(shù)據(jù)來(lái)源于某典型沖擊地壓礦井23070綜放工作面。該工作面為23區(qū)東翼第2個(gè)綜放工作面，開(kāi)采2-1煤層。地面標(biāo)高+523～+575 m，工作面煤層標(biāo)高-179～-236 m，埋深698～795 m，可采走向上巷1 007 m，下巷1 030 m，平均1 018.5 m。傾斜長(zhǎng)215 m，面積218 977.5 m2。

基本頂以砂、礫巖為主，厚105 m左右，淺灰色，成分石英砂巖火成巖屑，弱含水性;偽頂為砂質(zhì)泥巖，厚0.2 m左右，局部夾石英砂巖，堅(jiān)硬;直接頂為泥巖，厚23 m左右，灰黑色，具隱水平層理，局部裂隙和節(jié)理發(fā)育;直接底為泥巖，厚6 m左右，深灰色，塊狀易碎，含粉砂巖條帶。

23070綜放工作面為一個(gè)典型的大采深對(duì)稱(chēng)孤島工作面，圖4為采掘平面圖。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)的鑒定結(jié)果，該煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性。

圖4 23070工作面采掘平面Fig.4 Mining plan of 23070 working face

受上下部采空區(qū)頂板及本工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)的影響，工作面承壓較大，動(dòng)壓顯現(xiàn)明顯，切眼貫通期間便發(fā)生沖擊事件3次，僅回采160 m又發(fā)生沖擊事件3次。伴隨著回采推進(jìn)，工作面礦壓顯現(xiàn)主要表現(xiàn)為頂板壓力增強(qiáng)，支架支護(hù)阻力提升，頂?shù)装逡平吭黾?。初次?lái)壓時(shí)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，下巷頂板產(chǎn)生大幅度下沉，來(lái)壓步距33 m。后續(xù)來(lái)壓步距8～22 m不等，且回采期間常有片幫、底臌現(xiàn)象，沖擊危險(xiǎn)性較高。為防止沖擊事故發(fā)生，工作面回采期間采取了煤層注水及卸壓爆破手段，礦壓顯現(xiàn)得到有效緩解，沖擊危險(xiǎn)性降低。綜上考慮該工作面具有典型性、代表性。

3.2 T的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及閾值劃分

對(duì)23070工作面開(kāi)展動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)前，首先選取工作面已有的136件微震數(shù)據(jù)作為初始數(shù)據(jù)，對(duì)微震間隔時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。微震間隔時(shí)間的頻次分布如圖5所示，近似為極端正偏態(tài)分布，得到M0=90，L=90。

圖5 微震間隔時(shí)間的頻次分布特征Fig.5 Frequency distribution characteristic graph of micros-eismic interval

3.3 23070工作面現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)例

23070工作面2013年2月微震事件頻繁。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回采防沖設(shè)計(jì)，超前300 m采取了卸壓措施。從微震定位分布看，該區(qū)域連同工作面后方采空區(qū)為微震事件集中分布區(qū)，故選取工作面后采空區(qū)和超前卸壓段內(nèi)煤層及頂?shù)装鍘r層的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)該范圍內(nèi)的煤巖沖擊危險(xiǎn)性。取2月3日夜里發(fā)生大沖擊事件作為動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的時(shí)間起點(diǎn)，煤巖系統(tǒng)經(jīng)歷此次災(zāi)變瞬間回到初始平衡態(tài)。表4給出了評(píng)價(jià)期間的微震數(shù)據(jù)、運(yùn)算過(guò)程量及評(píng)價(jià)結(jié)果，計(jì)算結(jié)果保留3位有效數(shù)字。其中3日至9日大沖擊事件頻繁，幾乎日均1次，說(shuō)明這一階段煤巖沖擊危險(xiǎn)性高;10日至13日沒(méi)有大沖擊事件出現(xiàn)，說(shuō)明煤巖沖擊危險(xiǎn)性較低。故此階段數(shù)據(jù)代表性較強(qiáng)，具有說(shuō)服力。

表4 2月3日至2月13日沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)
Table 4 Dynamic assessment data of rock burst hazard from February 3rd to February 13th

日期微震能量/J震級(jí)T/minη危險(xiǎn)增加v0/(J·min-1)vt/(J·min-1)FR危險(xiǎn)降低評(píng)價(jià)結(jié)果2月3日21:528.40×1074強(qiáng)→無(wú)4784.31+3級(jí)強(qiáng)5:502.20×1052.24.60×1022月4日8:278.20×1052.64.60×1021.16×1032.520.603中1 31013.60+3級(jí)強(qiáng)2月5日6:173.20×1041.61.16×1035.39×1020.465-1.15-2級(jí)無(wú)1 24012.80+3級(jí)強(qiáng)2:554.70×1073.85.39×1021.52×10428.20.965強(qiáng)→無(wú)3:262.30×10207.422月6日5645.27+3級(jí)強(qiáng)12:508.00×1020.47.421.730.233-3.29-3級(jí)無(wú)7487.31+3級(jí)強(qiáng)1:183.80×1073.81.733.83×1042.21×1041.00強(qiáng)→無(wú)3913.34+3級(jí)強(qiáng)2月7日7:492.80×1020.17.16×10-13933.37+3級(jí)強(qiáng)14:224.30×1020.27.16×10-19.01×10-11.260.205無(wú)7647.49+3級(jí)強(qiáng)3:061.20×1041.39.01×10-18.219.1200.890強(qiáng)5:234.10×1041.68.213.18×1013.8700.742中5:283.30×1030.93.18×1013.37×1011.0600.056 6無(wú)2月8日2551.83+1級(jí)弱8:431.50×102-0.13.37×1012.94×1010.872-0.147-0級(jí)無(wú)6005.67+3級(jí)強(qiáng)18:432.60×1062.92.94×1012.09×10371.000.973強(qiáng)→無(wú)3833.26+3級(jí)強(qiáng)1:061.30×10523.39×1023352.72+3級(jí)強(qiáng)6:416.50×101-0.33.39×1021.81×1020.534-0.873-2級(jí)弱1851.06+1級(jí)強(qiáng)2月9日9:462.6×1062.91.81×1023.02×10316.7000.940強(qiáng)→無(wú)10:161.60×102-0.15.332331.59+1級(jí)弱14:093.10×1030.95.331.24×1012.3300.570中2211.46+1級(jí)強(qiáng)

續(xù) 表

4 分析與討論

由于目前尚無(wú)統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，因此將動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)過(guò)程中每一時(shí)刻極端地看作靜態(tài)，靜態(tài)評(píng)價(jià)方法微震能量法[10]中關(guān)于工作面沖擊危險(xiǎn)性的規(guī)定，對(duì)于本次研究有一定的參考意義，見(jiàn)表5。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)行討論分析:

(1)除去作為動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)起始參考點(diǎn)的首次大沖擊事件，該階段共發(fā)生4次煤巖災(zāi)變，每次沖擊前危險(xiǎn)等級(jí)均達(dá)到強(qiáng)，說(shuō)明該動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)于大沖擊事件的預(yù)警成功率高，無(wú)漏報(bào)，安全可靠。

(2)期間強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)出現(xiàn)22次。15次評(píng)價(jià)結(jié)果后面發(fā)生了數(shù)量級(jí)不小于4次方的較大能量事件，包括7次震級(jí)超過(guò)2.0級(jí)，在夏永學(xué)等[25]的研究中震級(jí)超過(guò)2.0級(jí)即為災(zāi)變。1次評(píng)價(jià)結(jié)果處于危險(xiǎn)等級(jí)持續(xù)增強(qiáng)階段。剩余7次評(píng)價(jià)結(jié)果中，3次評(píng)價(jià)結(jié)束后施工現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采取注水、爆破的防沖措施，改變了煤巖性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的完整性，故沒(méi)有大能量事件出現(xiàn)(2月7日、12日)，同時(shí)也驗(yàn)證了卸壓效果。2次評(píng)價(jià)結(jié)果是根據(jù)η在前時(shí)刻的評(píng)價(jià)結(jié)果之上增加相應(yīng)等級(jí)得到的，這2次事件η接近其閾值，考慮是由于M0，L取值不夠準(zhǔn)確導(dǎo)致的(2月9日)。這個(gè)問(wèn)題隨著工作面推采，微震事件逐漸增多，樣本容量逐漸增大，可以對(duì)M0，L的取值進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正而得到改進(jìn)。1次評(píng)價(jià)結(jié)束后雖沒(méi)有發(fā)生大沖擊事件，但距離上一次較大能量事件僅有5 min(2月8日)。還有1次評(píng)價(jià)結(jié)束后面沒(méi)有發(fā)生大能量事件，可能是由于復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)條件導(dǎo)致微震傳感器對(duì)于微震事件的拾取有所缺漏造成的(2月6日)。

表5 工作面沖擊危險(xiǎn)性微震能量法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
Table 5 Evaluation criteria for rock burst risk of working face by microseismic energy method

沖擊危險(xiǎn)性工作面震動(dòng)能量/J無(wú)危險(xiǎn)一般:102～103 ,Qmax<5×103 弱危險(xiǎn)一般:102～105 ,Qmax<1×105 中等危險(xiǎn)一般:102～106 ,Qmax<1×106 嚴(yán)重危險(xiǎn)一般:102～106 ,Qmax>1×106

(3)中等危險(xiǎn)階段共出現(xiàn)11次。1次評(píng)價(jià)結(jié)果后面發(fā)生了數(shù)量級(jí)為5次方的較大能量事件。3次評(píng)價(jià)結(jié)果后面均發(fā)生了數(shù)量級(jí)為3次方的能量事件。2次評(píng)價(jià)結(jié)果后面發(fā)生了數(shù)量級(jí)為2次方的能量事件。5次評(píng)價(jià)結(jié)果處于煤巖系統(tǒng)危險(xiǎn)等級(jí)向強(qiáng)危險(xiǎn)等級(jí)過(guò)渡的階段?？梢钥闯龃穗A段煤巖介質(zhì)危險(xiǎn)等級(jí)一般，參考微震能量法相關(guān)規(guī)定，評(píng)價(jià)結(jié)果均在可信范圍內(nèi)。

(4)弱沖擊危險(xiǎn)階段共出現(xiàn)6次。2次評(píng)價(jià)結(jié)結(jié)束后發(fā)生了數(shù)量級(jí)為4次方的較大能量事件，1次評(píng)價(jià)結(jié)果后面發(fā)生了數(shù)量級(jí)為3次方的能量事件，1次評(píng)價(jià)結(jié)果后面發(fā)生了數(shù)量級(jí)為2次方的能量事件，2次評(píng)價(jià)結(jié)果處于煤巖系統(tǒng)危險(xiǎn)等級(jí)由弱向其他危險(xiǎn)等級(jí)過(guò)渡的階段。評(píng)價(jià)結(jié)果在可信。

(5)無(wú)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)的階段共出現(xiàn)20次。11次評(píng)價(jià)結(jié)果處于煤巖系統(tǒng)危險(xiǎn)等級(jí)由無(wú)向其他危險(xiǎn)等級(jí)過(guò)渡的階段。3次評(píng)價(jià)結(jié)果后面發(fā)生了數(shù)量級(jí)不足2次方的能量事件。1次評(píng)價(jià)結(jié)果后面發(fā)生了數(shù)量級(jí)為2次方的能量事件。4次評(píng)價(jià)結(jié)果后面發(fā)生了數(shù)量級(jí)為3次方的能量事件。評(píng)價(jià)結(jié)果在可信范圍內(nèi)。

基于以上分析，基本可以確定該沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)可靠，并且隨著工作面推進(jìn)，指標(biāo)T的樣本容量增加，該方法對(duì)于相鄰危險(xiǎn)等級(jí)的識(shí)別能力會(huì)不斷提高，評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性隨之增強(qiáng)。

5 結(jié) 論

(1)深入探討了累積能量釋放速率v動(dòng)態(tài)演化的內(nèi)在機(jī)理，該物理量可直接反映煤巖介質(zhì)所處危險(xiǎn)狀態(tài)，為剖析煤巖災(zāi)變機(jī)理以及實(shí)現(xiàn)災(zāi)變破壞的前期預(yù)警提供了思路。

(2)分析了缺震時(shí)間T滿(mǎn)足的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布規(guī)律，獲得T的取值范圍同煤巖危險(xiǎn)狀態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系。特別是，隨著工作面向前推采，樣本容量增加，可實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)等級(jí)閾值的動(dòng)態(tài)修正，保證動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果更為靈敏、可靠。這一思想不僅適用于缺震時(shí)間T這一指標(biāo)，對(duì)于不同動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)中的很多指標(biāo)，均可進(jìn)行嘗試。

(3)建立了響應(yīng)能量異常系數(shù)R、無(wú)響應(yīng)時(shí)間異常系數(shù)η的沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了基于微震監(jiān)測(cè)的沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)，并選取某礦23070回采工作面數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。該方法簡(jiǎn)單易行，實(shí)時(shí)連續(xù)評(píng)價(jià)效果良好，表明本方法的科學(xué)性和實(shí)用性。