潘俊鋒，馮美華，盧振龍，夏永學(xué)，徐 剛，馬宏源，王元杰，張 建

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013;3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

0 引 言

沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警是開展沖擊地壓解危工作的必要前提，而監(jiān)測(cè)預(yù)警水平的高低直接決定了解危工程實(shí)施的時(shí)空精準(zhǔn)度，進(jìn)而影響災(zāi)害治理效果。近幾年，我國(guó)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警由微震法[1-2]、地音法[3]、電磁輻射法[4]、應(yīng)力計(jì)法[5-7]等單一手段監(jiān)測(cè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄥⒘縖8-11]、多尺度綜合監(jiān)測(cè)[12-15]，預(yù)警效能不斷提升。即便如此，該領(lǐng)域仍存在諸多亟須解決的問題[16-18]，如監(jiān)測(cè)手段的選擇與匹配缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)設(shè)備的優(yōu)選、匹配、布置等不盡合理；不同監(jiān)測(cè)設(shè)備給出的預(yù)警結(jié)果可能相互矛盾，最終危險(xiǎn)狀態(tài)難下定論；各監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)彼此獨(dú)立，數(shù)據(jù)意義、格式差別大，而沒有可供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、規(guī)律分析及等級(jí)預(yù)警的統(tǒng)一平臺(tái)，導(dǎo)致日常監(jiān)測(cè)預(yù)警任務(wù)重、難度大、耗時(shí)長(zhǎng)、誤差率高。

筆者以沖擊地壓發(fā)生載荷源為切入點(diǎn)，提出對(duì)沖擊啟動(dòng)載荷源開展分源監(jiān)測(cè)的理論。開發(fā)了集成接口融合、格式轉(zhuǎn)化、統(tǒng)計(jì)分析、指標(biāo)優(yōu)先、權(quán)重計(jì)算、等級(jí)預(yù)警等功能為一體的沖擊地壓綜合預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微震、地音、應(yīng)力、鉆屑等多參量、多尺度預(yù)警信息的深度開發(fā)與警情智能發(fā)布，提高了預(yù)警效率及效果，并在多座典型沖擊地壓礦井進(jìn)行了應(yīng)用。

1 煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警主要任務(wù)

沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警極其復(fù)雜，從發(fā)生原理、圍巖結(jié)構(gòu)、區(qū)域環(huán)境、采動(dòng)響應(yīng)等角度考慮，難以采用某種技術(shù)或設(shè)備包攬，因此，植入不同技術(shù)的設(shè)備以及多信息量的綜合監(jiān)測(cè)與預(yù)警，是煤礦提高沖擊地壓預(yù)警準(zhǔn)確度的主要趨勢(shì)。研究表明，沖擊地壓實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警需要包括以下主要內(nèi)容。

1)基于沖擊地壓發(fā)生條件的基礎(chǔ)理論。以結(jié)果性的災(zāi)害顯現(xiàn)特征為監(jiān)測(cè)目標(biāo)，無法做到災(zāi)前預(yù)警。只有從沖擊地壓發(fā)生機(jī)理角度來考慮誘發(fā)沖擊地壓的載荷來源，以全面監(jiān)測(cè)載荷源突變前兆信息為目標(biāo)，方可推進(jìn)沖擊地壓災(zāi)害綜合預(yù)警。

2)設(shè)計(jì)源頭減少誤差。沖擊地壓預(yù)警不能簡(jiǎn)單提出“綜合監(jiān)測(cè)”,“強(qiáng)監(jiān)測(cè)”,不能是簡(jiǎn)單的組合，沒有考慮沖擊地壓不同載荷源在空間及尺度上分布的差異，易產(chǎn)生盲區(qū)，無的放矢。沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警模式設(shè)計(jì)需要做到分源、空間層次化。除此之外，提高監(jiān)測(cè)設(shè)備本身精度也必須的。目前有關(guān)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警的手段也不少，還有新的手段在不斷推出。但實(shí)際上現(xiàn)有手段研究還沒有結(jié)束，修正算法、降低誤差、提高精度是首要工作。

3)客觀科學(xué)的警情矛盾處置。多種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)用，既有本系統(tǒng)的系列指標(biāo)，又有綜合預(yù)警指標(biāo)，結(jié)果都是要表明危險(xiǎn)等級(jí)，難免會(huì)出現(xiàn)各類預(yù)警結(jié)果互相矛盾時(shí)，各預(yù)警指標(biāo)權(quán)重如何選擇，難以判斷，將無法指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)避災(zāi)決策。

4)先進(jìn)快速的警情信息推送。將所有監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)匯聚于軟件平臺(tái)，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)查看各監(jiān)測(cè)區(qū)域當(dāng)前班的危險(xiǎn)狀態(tài)及歷史危險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，當(dāng)某一區(qū)域危險(xiǎn)狀態(tài)達(dá)到預(yù)警級(jí)別時(shí)，發(fā)出危險(xiǎn)預(yù)警(聲音提示+彈出對(duì)話框)，提醒監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行處理，并自動(dòng)生成多參量聯(lián)合預(yù)警單(包含預(yù)警時(shí)間、預(yù)警位置、預(yù)警等級(jí)等關(guān)鍵信息)。

2 沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)理論基礎(chǔ)

2.1 沖擊地壓發(fā)生條件特征

煤層在開采過程中發(fā)生沖擊地壓宏觀上需要具備3個(gè)條件：①所開采的煤巖層具備沖擊傾向性；②發(fā)生沖擊地壓的采掘空間圍巖載荷局部化集中，并且達(dá)到煤巖體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)沖擊式失穩(wěn)載荷極限；③煤體中高度局部化集中的載荷有釋放空間，造成采掘空間煤巖體、設(shè)備、人員受損的過程就是高集中載荷釋放的過程，此種情況，如果不開采，不形成空洞等釋放空間，就不會(huì)發(fā)生沖擊地壓。3個(gè)條件中，煤巖具有的沖擊傾向性固有屬性，難以改變；第3個(gè)條件(存在能量釋放的采掘空間)，凡是有開采活動(dòng)就不可避免，所以沖擊地壓防治研究的重點(diǎn)應(yīng)該放在如何避免或減少采掘圍巖的載荷局部化集中程度，使其不足以發(fā)生沖擊地壓。

通過沖擊地壓誘發(fā)因素統(tǒng)計(jì)，深度歸納總結(jié)，得到影響沖擊地壓發(fā)生的外圍因素復(fù)雜多變，但都?xì)w結(jié)于為沖擊啟動(dòng)提供載荷源，有的提供集中靜載荷、有的提供集中動(dòng)載荷。從該角度可從埋深角度對(duì)沖擊地壓進(jìn)行分類。如圖1所示(M為動(dòng)靜載疊加與沖擊臨界載荷的比值)，淺部礦井因埋深淺，重應(yīng)力等基礎(chǔ)靜載荷相對(duì)不足，主要靠動(dòng)載荷補(bǔ)充，即動(dòng)、靜載疊加沖擊型；深部礦井因埋深大，重應(yīng)力、水平應(yīng)力等基礎(chǔ)靜載荷相對(duì)充足，達(dá)到?jīng)_擊臨界值對(duì)載荷增量要求較低，主要存在2種沖擊形式：微動(dòng)載沖擊型、純靜載沖擊型。

圖1 沖擊地壓發(fā)生條件與開采深度的關(guān)系[19]Fig.1 Relationship between rock burst conditions and mining depth [19]

2.2 分源綜合監(jiān)測(cè)理論

圖2描述了沖擊地壓發(fā)生物理過程，OB階段為區(qū)域環(huán)境載荷對(duì)巷道開挖響應(yīng)，靜載荷局部化集中，為誘發(fā)沖擊啟動(dòng)的基礎(chǔ)靜載荷。自B點(diǎn)起，達(dá)到?jīng)_擊啟動(dòng)點(diǎn)C有2種途徑，1種途徑是采掘圍巖微單元dx繼續(xù)獲得靜載荷增量，比如鄰近掘進(jìn)巷道了或者回采工作面過來造成的靜載荷Ej遷移、疊加；另一種途徑是微單元dx獲得靜載荷沒有變化，而是獲得周邊外界動(dòng)載荷Ed增量的擾動(dòng)、加載，常見的是頂板斷裂、爆破震動(dòng)等。微單元dx通過2種途徑滿足沖擊啟動(dòng)條件后，沖擊地壓進(jìn)入發(fā)生歷程，依次經(jīng)歷沖擊啟動(dòng)-沖擊能量傳遞-沖擊地壓顯現(xiàn)。

圖2 沖擊地壓?jiǎn)?dòng)載荷條件[19]Fig.2 Loading path of rockburst start-up[19]

由以上分析知，誘發(fā)沖擊地壓?jiǎn)?dòng)具有2大途徑，①動(dòng)、靜載荷疊加途徑；②純靜載荷疊加途徑，而對(duì)于歷時(shí)幾秒鐘的沖擊地壓發(fā)生過程，上述2種途徑主要作用在沖擊啟動(dòng)條件形成階段，不是后啟動(dòng)階段。因此沖擊地壓發(fā)生前監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)針對(duì)其發(fā)生條件中的動(dòng)、靜載荷來源進(jìn)行分源監(jiān)測(cè)。同時(shí)考慮載荷空間特性，采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)大范圍高位堅(jiān)硬厚巖層斷裂所產(chǎn)生的動(dòng)載荷；采用地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)小范圍低位堅(jiān)硬厚巖層斷裂所產(chǎn)生的動(dòng)載荷；采用煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)采動(dòng)圍巖中產(chǎn)生的靜載荷(圖3)。

圖3 沖擊地壓分源監(jiān)測(cè)示意Fig.3 Schematic diagram of rock burst monitoring by different sources

3 沖擊地壓分源綜合預(yù)警平臺(tái)

3.1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

沖擊地壓綜合預(yù)警平臺(tái)，應(yīng)全面展示礦井沖擊地壓監(jiān)測(cè)信息，主體框架將由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、辦公業(yè)務(wù)層、綜合結(jié)果展示層等4個(gè)層次組成(圖4)。其中數(shù)據(jù)采集層：采集各類沖擊地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，涵蓋不同尺度、不同物理意義、不同格式等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：建立統(tǒng)一的沖擊地壓多參量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理中心，統(tǒng)籌各類型數(shù)據(jù)。辦公業(yè)務(wù)層：基于統(tǒng)計(jì)學(xué)、地球物理學(xué)及工程相關(guān)性，對(duì)多參量數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律性分析。結(jié)果展示層：將結(jié)論性分析成果，以適當(dāng)?shù)母袷胶捅憬莸耐緩絺鬟f給閱讀方。

圖4 沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)框架Fig.4 Framework of rock burst monitoring and early warning platform

3.2 分源監(jiān)測(cè)設(shè)備配置

基于沖擊地壓發(fā)生的動(dòng)靜載荷條件，開展分源監(jiān)測(cè)，動(dòng)載荷主要采用微震、地音等地球物理方法，靜載荷主要采用應(yīng)力在線、鉆屑法等巖石力學(xué)方法。

3.2.1 遠(yuǎn)場(chǎng)動(dòng)載微震監(jiān)測(cè)布置

井下煤巖體是1種應(yīng)力介質(zhì)，當(dāng)其受力變形破壞時(shí)，將伴隨著能量的釋放過程，微震是這種釋放過程的物理效應(yīng)之一，即煤巖體在受力破壞過程中以較低頻率(f<150 Hz)震動(dòng)波的形式釋放變形能所產(chǎn)生的震動(dòng)效應(yīng)。對(duì)于沖擊地壓礦井來說，采購(gòu)先進(jìn)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要針對(duì)高位頂板活動(dòng)監(jiān)測(cè)，科學(xué)布置監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)非常重要的。

以國(guó)際上最先進(jìn)的波蘭ARAMIS M/E微震系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)的信號(hào)檢波器分為探頭傳感器和拾震器2種，圖5為2種傳感器井下安裝示意。微震檢波器布置應(yīng)遵循如下原則：

圖5 ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2種傳感器井下安裝示意Fig.5 Underground installation diagram of two kinds of sensors of ARAMIS M/E microseismic monitoring system

1)微震監(jiān)測(cè)需要獲得震動(dòng)信息的三維坐標(biāo)X、Y、Z和震動(dòng)發(fā)生的時(shí)間T，要實(shí)現(xiàn)對(duì)1個(gè)區(qū)域的有效監(jiān)測(cè)，至少保證4個(gè)檢波器能接收到該區(qū)域的震動(dòng)信息，臺(tái)網(wǎng)布置時(shí)應(yīng)考慮這一點(diǎn)。

2)微震檢波器有2種，拾震器版和探頭版，拾震器的優(yōu)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)靈敏度高，監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)，缺點(diǎn)是需要鋪設(shè)水泥基礎(chǔ)，挪動(dòng)不方便；探頭的優(yōu)點(diǎn)是直接安裝在錨桿上，挪動(dòng)及安裝便捷，缺點(diǎn)是靈敏度低、監(jiān)測(cè)距離較短。最優(yōu)方案為拾震器和探頭進(jìn)行組合監(jiān)測(cè)，固定區(qū)域的監(jiān)測(cè)用拾震器，采掘工作面等需要經(jīng)常挪動(dòng)檢波器的區(qū)域采用探頭，能達(dá)到比較好的效果。

3)檢波器間距越小，定位精度越高，盡可能地增加檢波器數(shù)量，盡量使檢波器圍繞重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域均勻分布，保證多數(shù)站可以獲得記錄信息，避免定位站數(shù)量不足，影響精度和可靠性。

4)檢波器盡量在垂直方向有一定落差，宜采用空間立體形式，近水平煤層需要采用井上下聯(lián)合聯(lián)合布置監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)(圖6)，以提高垂直方向的定位精度，同時(shí)也有利于避免出現(xiàn)“病態(tài)”方程，得不到正確的震源位置或使得方程組解發(fā)散。

圖6 近水平煤層井上下聯(lián)合監(jiān)測(cè)Fig.6 Upper and lower joint monitoring of flat seam well

5)根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)際，要使微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成1個(gè)空間網(wǎng)絡(luò)，拾震器的布置要確保當(dāng)前開采區(qū)域和其他重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域處于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的中心。檢波器盡可能接近待測(cè)區(qū)域，避免大斷層及破碎帶的影響，也要遠(yuǎn)離機(jī)械和電氣的干擾等。

圖7為近水平煤層井上下微震聯(lián)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，其中圖7a為井下波蘭ARAMIS M/E微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)微震事件巖層剖面示意。圖7b為井下ARAMIS M/E微震系統(tǒng)聯(lián)合波蘭ARP2018型地面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的微震事件巖層剖面示意，垂直方向事件數(shù)量增多，高度上升明顯。

圖7 近水平煤層井上下聯(lián)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison of upper and lower joint monitoring data of near horizontal coal seam wells

3.2.2 近場(chǎng)動(dòng)載地音監(jiān)測(cè)布置

地音是由地下開采活動(dòng)誘發(fā)的，其震動(dòng)能量一般為0～103J；震動(dòng)頻率高，為150～3 000 Hz。相比微震現(xiàn)象，地音為1種高頻率、低能量的震動(dòng)。沖擊地壓礦井主要用來監(jiān)測(cè)采掘空間近場(chǎng)圍巖活動(dòng)。地音傳感器安裝在錨桿端部，需要遵循以下4點(diǎn)原則。

1)地音探頭一般布置在沖擊危險(xiǎn)性比較高區(qū)域，如：采、掘工作面影響范圍。

2)地音探頭的安裝地點(diǎn)必須保證能夠接收到監(jiān)測(cè)區(qū)域的地音信號(hào)，因此安裝地點(diǎn)與監(jiān)測(cè)區(qū)域間不得存在干擾彈性波傳播的地質(zhì)破碎區(qū)。

3)每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域至少有2個(gè)地音探頭，當(dāng)工作面長(zhǎng)度小于200 m時(shí)，探頭與回采工作面的距離應(yīng)當(dāng)在30～110 m，當(dāng)工作面長(zhǎng)度大于200 m時(shí)，探頭距回采工作面40～200 m；探頭應(yīng)安裝在掘進(jìn)頭后方30～110 m；工作面條件允許時(shí)，探頭應(yīng)當(dāng)盡可能遠(yuǎn)離噪聲源(圖8)。

圖8 采掘工作面地音傳感器布置Fig.8 Ground sound sensor layout of mining face

4)為確保探頭與巖體接觸牢靠，應(yīng)當(dāng)將探頭安裝在孔底，也可以安裝在錨桿鉆孔的露頭位置，安裝在錨桿露頭處的探頭應(yīng)當(dāng)用吸聲材料(如海綿、毛氈等)密封探頭，錨桿應(yīng)該全程錨固，與巖體形成1個(gè)整體。

3.2.3 采動(dòng)圍巖靜載荷應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置

沖擊地壓應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過在采掘空間圍巖埋設(shè)高精度應(yīng)力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采動(dòng)圍巖近場(chǎng)系統(tǒng)內(nèi)集中靜載荷的積聚及變化，從沖擊地壓發(fā)生的內(nèi)因角度監(jiān)測(cè)并警示應(yīng)力或能量狀態(tài)，從而為減災(zāi)避災(zāi)提供指導(dǎo)。沖擊地壓應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)傳感器布置，需要遵循以下4點(diǎn)原則。

1)布置區(qū)域。在傳感器數(shù)量有限的情況下，應(yīng)依據(jù)沖擊危險(xiǎn)性預(yù)評(píng)價(jià)結(jié)果，重點(diǎn)布置在沖擊危險(xiǎn)區(qū)域范圍內(nèi)。

2)傳感器深度。傳感器應(yīng)深入到巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)范圍，且埋設(shè)深度應(yīng)有區(qū)別。幫部傳感器最大深度一般不小于巷道寬度的2倍。

n為巷道寬度,幫部傳感器具有2～3種深度，淺部傳感器埋深一般位于n～2n，深部傳感器埋深一般位于2n～3n。對(duì)于巷幫塑性區(qū)寬度較大，應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離巷幫的巷道，應(yīng)適當(dāng)增大埋深，如圖9所示。

圖9 巷道幫部傳感器布置示意Fig.9 Schematic of sensor layout in roadway side

3)傳感器間距。傳感器間距的設(shè)置應(yīng)綜合考慮沖擊危險(xiǎn)區(qū)域分布、實(shí)際地質(zhì)及開采條件等因素。在沖擊危險(xiǎn)等級(jí)較高、地質(zhì)或開采條件變化顯著的區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)縮小傳感器間距，增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度。

4)鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝時(shí)需要盡可能地保證兩壓力枕接觸面為水平方向，以能夠較好地反映垂直應(yīng)力的變化，因此在安裝時(shí)要嚴(yán)格控制壓力枕的位態(tài)，保證良好的監(jiān)測(cè)效果。

目前用于煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)的傳感器所獲得的應(yīng)力都是相對(duì)應(yīng)力而不是絕對(duì)應(yīng)力，因此不能單純的依靠應(yīng)力大小進(jìn)行危險(xiǎn)性的判斷，同時(shí)根據(jù)煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)性也是相對(duì)的。

3.3 警情綜合與發(fā)布

3.3.1 綜合預(yù)警單元

即使是同一礦井，采掘活動(dòng)區(qū)域也不止一個(gè)，沖擊地壓綜合預(yù)警的目標(biāo)區(qū)域，必須是各類傳感器監(jiān)測(cè)范圍的交集，否則沒有意義。如圖10所示，在3-1103工作面新輔運(yùn)巷一長(zhǎng)一短布置的為應(yīng)力傳感器，本工作面就可以作為1個(gè)綜合預(yù)警單元。

圖10 沖擊地壓綜合預(yù)警單元Fig.10 Comprehensive early warning unit of rock burst

3.3.2 指標(biāo)與權(quán)重

煤巖體具有各向異性、非線性，沖擊地壓在煤巖體中發(fā)生難以建立理想的本構(gòu)模型，與其采用非常理想化的數(shù)學(xué)計(jì)算，不如采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。因此，沖擊地壓動(dòng)載荷預(yù)警指標(biāo)主要包括2個(gè)方面：①借助地震學(xué)領(lǐng)域指標(biāo)，采用能定量描述巖體應(yīng)力變化和危險(xiǎn)趨勢(shì)的地震學(xué)參數(shù)，如事件數(shù)、能量、矩震級(jí)、地震級(jí)-頻度關(guān)系的偏離程度η、缺震程度Mm等；②采用能緊密體現(xiàn)礦山微震活動(dòng)與開采響應(yīng)關(guān)系的指標(biāo)，例如：探尋采礦爆破、開采速度、井下工程結(jié)構(gòu)和巖體結(jié)構(gòu)變化等對(duì)礦山?jīng)_擊危險(xiǎn)的影響規(guī)律，建立起它們之間的相關(guān)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

沖擊地壓靜載荷預(yù)警指標(biāo)，綜合考慮應(yīng)力大小、應(yīng)力增速、應(yīng)力分布梯度、測(cè)點(diǎn)安裝深度、煤層強(qiáng)度、測(cè)點(diǎn)與采掘工作面相對(duì)距離等因素。由于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理及啟動(dòng)條件的復(fù)雜性，目前難以確定具有普適性的精確量化沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)，需要結(jié)合礦井自身?xiàng)l件及統(tǒng)計(jì)規(guī)律不斷摸索。一般認(rèn)為，應(yīng)力大小和應(yīng)力增速與沖擊危險(xiǎn)呈正相關(guān)性，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生沖擊地壓或強(qiáng)礦震前的應(yīng)力狀態(tài)及變化情況制定及修正相關(guān)指標(biāo)。

由于對(duì)礦井沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)涉及多種監(jiān)測(cè)手段，多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，將不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合反映目標(biāo)區(qū)域沖擊危險(xiǎn)，就必然對(duì)每個(gè)指標(biāo)賦予權(quán)重。然而，權(quán)重設(shè)定后，無論采用哪種算法，特別危險(xiǎn)的某1～2種評(píng)價(jià)指標(biāo)，很可能會(huì)被其他危險(xiǎn)指數(shù)低的指標(biāo)中和，從而降低了總體評(píng)價(jià)的危險(xiǎn)程度。

為此，預(yù)警算法增加變權(quán)綜合評(píng)價(jià)方式，其權(quán)重大小除了本身對(duì)沖擊地壓發(fā)生的貢獻(xiàn)率之外，還將受指標(biāo)危險(xiǎn)等級(jí)的影響，如果其中某一項(xiàng)指標(biāo)危險(xiǎn)等級(jí)較高，其對(duì)誘發(fā)沖擊貢獻(xiàn)率又大，其權(quán)重便隨之增大，來回避其他安全性指標(biāo)中和。對(duì)于權(quán)重的確定，先確定指標(biāo)的屬性權(quán)重與等級(jí)權(quán)重，然后采用拉格朗日算子將屬性權(quán)重和等級(jí)權(quán)重綜合為組合權(quán)重，最后建立沖擊地壓監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的相對(duì)變權(quán)模型[20]。

3.3.3 警情發(fā)布

處于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)的沖擊地壓預(yù)警平臺(tái)，能夠自動(dòng)計(jì)算并顯示當(dāng)班危險(xiǎn)狀態(tài)，如圖11所示，為龍家堡煤礦2020年4月引進(jìn)沖擊地壓綜合預(yù)警平臺(tái)后，513工作面監(jiān)測(cè)預(yù)警情況。預(yù)警平臺(tái)能夠“一鍵生成”日?qǐng)?bào)表，自動(dòng)生成預(yù)警單，自動(dòng)輸出預(yù)警區(qū)域圖像，并且可以通過雷達(dá)圖綜合展示多個(gè)工作面綜合預(yù)警結(jié)果。當(dāng)某一區(qū)域危險(xiǎn)狀態(tài)達(dá)到預(yù)警級(jí)別時(shí)，可通過監(jiān)控室發(fā)出聲響危險(xiǎn)預(yù)警，彈出對(duì)話框，并自動(dòng)生成多參量聯(lián)合預(yù)警單(包含預(yù)警時(shí)間、預(yù)警位置、預(yù)警等級(jí)等關(guān)鍵信息)。相關(guān)人員手機(jī)APP也會(huì)得到信息推送警示。

圖11 礦井回采工作面預(yù)警結(jié)果Fig.11 Early warning results of mining face

4 應(yīng)用實(shí)踐

2010年至今，中煤科工開采研究院采礦所持續(xù)研究煤礦沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)已歷時(shí)十余年，平臺(tái)至今先后經(jīng)過了數(shù)次改革與優(yōu)化，革命性的版本實(shí)踐應(yīng)用可分為3代。

4.1 第1代綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)應(yīng)用

第1代煤礦沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，自2010年立項(xiàng)開始探索，命名為“煤礦沖擊地壓危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)及預(yù)警系統(tǒng)”，也是國(guó)內(nèi)首套綜合預(yù)警平臺(tái)。系統(tǒng)包括了5大模塊，分別為：三維模型構(gòu)建、模型及監(jiān)測(cè)三維展示、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、辦公應(yīng)用、系統(tǒng)管理。主要特點(diǎn)在于地層、構(gòu)造及微震真三維建模，首次采用分源權(quán)重綜合評(píng)價(jià)算法。平臺(tái)界面如圖12所示。

圖12 煤礦沖擊地壓危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)及評(píng)價(jià)系統(tǒng)主界面[20]Fig.12 Main interface of burst risk comprehensive evaluation and early warning system of coal bump[20]

自2012年3月1日開始，采用平臺(tái)對(duì)千秋煤礦21141工作面范圍內(nèi)的沖擊地壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共進(jìn)行了608 d的應(yīng)用驗(yàn)證，效果良好。例如：2013-02-07，微震評(píng)價(jià)等級(jí)為c級(jí)，地音評(píng)價(jià)等級(jí)為a級(jí)，應(yīng)力監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)等級(jí)為d級(jí)，權(quán)重綜合3種評(píng)價(jià)結(jié)果，平臺(tái)自動(dòng)確定2月7日沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為d級(jí)(圖13)，預(yù)警了沖擊地壓發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。21141工作面于2月8日15時(shí)48分發(fā)生沖擊，釋放能量1.63×107J。

圖13 2月7日評(píng)價(jià)系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果[20]Fig.13 Results of evaluation in February 7th[20]

4.2 第2代綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)應(yīng)用

受甘肅華亭煤業(yè)集團(tuán)委托，第2代沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)于2016年開始研發(fā)。界面比較簡(jiǎn)潔，大部分內(nèi)容包含在下拉菜單里。如圖14所示，主要應(yīng)用于華亭煤田硯北、華亭、山寨、陳家溝及東峽等煤礦。主要特點(diǎn)包括：①模塊組合基于現(xiàn)場(chǎng)裝備配置，可添加、可定制，不受限，更為靈活。②預(yù)警算法基于預(yù)警區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)開采條件、有效數(shù)據(jù)的種類自動(dòng)選擇，差異化對(duì)待，更為科學(xué)。③可覆蓋所有常規(guī)數(shù)據(jù)處理、分析功能，便于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員日常應(yīng)用，更為全面。④平臺(tái)留有接口，便于后期個(gè)性化、定制化的深度分析模塊開發(fā)，更為開放。

圖14 第2代沖擊地壓預(yù)警平臺(tái)主界面Fig.14 Main interface of the second generation rock burst warning platform

以硯北煤礦為例，采用預(yù)警平臺(tái)對(duì)250202工作面范圍內(nèi)的沖擊地壓進(jìn)行預(yù)警測(cè)試，自2019年6月正式投入使用，截止到2019年10月16日，共進(jìn)行了139 d的有效預(yù)警驗(yàn)證。在此期間，井田范圍內(nèi)共發(fā)生5次方以上高能事件9次，預(yù)警軟件共發(fā)出班次危險(xiǎn)預(yù)警41次，驗(yàn)證沖擊地壓或高能事件7次，漏報(bào)2次。通過長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)效果檢驗(yàn)表明，采用沖擊地壓預(yù)警平臺(tái)，在報(bào)警率為29%的條件下，報(bào)準(zhǔn)率達(dá)到了77.8%，發(fā)震概率為74.1%，相對(duì)于5.8%的背景概率，其效益增益達(dá)到了12.8倍，驗(yàn)證效果良好。

圖15 第二代沖擊地壓預(yù)警平臺(tái)預(yù)警界面Fig.15 Early warning interface of the second generation rock burst early warning platform

4.3 第3代綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)應(yīng)用

第3代沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)于2019年著手革新，界面進(jìn)行了全面變革，主要特點(diǎn)為：①對(duì)預(yù)警算法進(jìn)行了大的優(yōu)化修改，增加掘進(jìn)工作面評(píng)價(jià)算法。②增加了動(dòng)、靜態(tài)危險(xiǎn)區(qū)域?qū)崟r(shí)顯示功能及歷史危險(xiǎn)狀態(tài)播放功能。③優(yōu)化平臺(tái)主界面，預(yù)警結(jié)果雷達(dá)圖展示(圖16)，增加掘進(jìn)工作面快捷入口。④開發(fā)了基于mapgis的單礦終端網(wǎng)頁版平臺(tái)及網(wǎng)頁版集團(tuán)、全國(guó)終端(圖17)，實(shí)現(xiàn)了微震波形實(shí)時(shí)傳輸及存儲(chǔ)。⑤開發(fā)了沖擊地壓預(yù)警平臺(tái)信息手機(jī)APP。主要應(yīng)用于陜西孟村礦、小莊礦、大佛寺礦、胡家河礦、文家坡等煤礦。

圖17 全國(guó)煤礦沖擊地壓預(yù)警平臺(tái)界面Fig.17 Main interface of national coal mine rock burst early warning platform

以文家坡礦為例，預(yù)警平臺(tái)于2020年10月開始投入使用，其中對(duì)11月14日一次4次方事件進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)警。預(yù)警過程如下：11月13日晚班開始，綜合預(yù)警等級(jí)由b級(jí)(弱沖擊危險(xiǎn))上升至c級(jí)(中等沖擊危險(xiǎn))，持續(xù)2個(gè)班后上升至d級(jí)(強(qiáng)沖擊危險(xiǎn))，繼續(xù)持續(xù)2個(gè)班至11月14日晚班，此時(shí)微震、應(yīng)力監(jiān)測(cè)為b級(jí)，地音監(jiān)測(cè)為d級(jí)(圖18、圖19)，預(yù)警了沖擊地壓發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。4105工作面于11月14日17時(shí)49分發(fā)生一次動(dòng)力顯現(xiàn)，釋放能量2.80×104J。

圖18 預(yù)警結(jié)果列表界面Fig.18 Warning result list interface

圖19 預(yù)警結(jié)果實(shí)時(shí)顯示界面Fig.19 Real-time display interface for warning results

5 結(jié) 論

1)植入不同技術(shù)的設(shè)備以及多信息量的綜合監(jiān)測(cè)與預(yù)警，是煤礦提高沖擊地壓預(yù)警準(zhǔn)確度的主要趨勢(shì)。從誘發(fā)沖擊地壓?jiǎn)?dòng)的載荷條件出發(fā)，以動(dòng)靜載荷源為靶點(diǎn)，開展分源監(jiān)測(cè)是沖擊地壓監(jiān)測(cè)設(shè)備選型與方案設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

2)以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為每種預(yù)警指標(biāo)賦予屬性權(quán)重和等級(jí)權(quán)重，進(jìn)而得到可隨沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)變化的綜合權(quán)重，采用沖擊地壓分源權(quán)重綜合預(yù)警方法，可解決人為定權(quán)易造成主觀誤差的問題，回避固定權(quán)重中部分指標(biāo)被中和的情況，預(yù)警結(jié)果更加客觀可靠。

3)開發(fā)了集成接口融合、格式轉(zhuǎn)化、統(tǒng)計(jì)分析、指標(biāo)優(yōu)先、權(quán)重計(jì)算、等級(jí)預(yù)警等功能為一體的沖擊地壓綜合預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微震、地音、應(yīng)力、鉆屑等多參量、多尺度預(yù)警信息的深度開發(fā)與融合，大幅提高了預(yù)警效率及效果。

4)煤礦開采最顯著的特點(diǎn)是條件一直處于變化過程中，用來監(jiān)測(cè)沖擊地壓的裝備存在多處誤差，并且監(jiān)測(cè)的都是間接信息，建立在過去條件的指標(biāo)來預(yù)警未來?xiàng)l件，表明沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警研究任重道遠(yuǎn)。