对于煤矿冲击地压灾害监测预警技术的几点思考
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摘 要：在煤矿开采的过程中，冲击地压是一种典型的动力灾害，它具有突然产生性和强烈破坏性，对煤矿开采的安全性有着巨大威胁。监测和防范冲击地压的发生是煤矿开采过程中亟须解决的技术难题，建立科学的监测预警系统是十分重要的。本文对煤矿开采中冲击地压灾害的监测预警技术进行了大体介绍，在分析我国冲击地压灾害监测预警技术面临难题的基础上，提出了相关技术未来的发展走向，希望能为我国采矿工程的可持续发展做出贡献。
关键词：冲击地压;监测预警技术;发展
中图分类号：TD324 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0195-02
1 煤矿冲击地压灾害概述
据相关研究表明，冲击地压发生的主要原因有三个：（1）煤岩本身就具有冲击地压发生的倾向性，也就是说其本身就存在冲击破坏力，属于内在因素;（2）煤岩的结构存在断层或软弱层，这是煤层在形成过程中的原始地质构造问题，人为无法改变和量化，也属于冲击地压发生的内因;（3）外力作用使煤岩体发生形变和破坏，这种所受应力是产生冲击地压的关键原因[1]。可以说冲击地压的产生都是来自应力的破坏，只是每种冲击地压所受应力的大小和来源不同而已。由于煤岩体本身的构造可能就存在一些冲击倾向，加上煤矿开采中会产生一些采场应力，原始应力和采场应力相互叠加、相互作用，就可能形成高度集中的应力，从而破坏煤岩体的动态平衡状态，诱发冲击地压灾害发生。由此可见，煤岩体所受的应力就是冲击地压发生的根本原因。
2 监测预警技术和方法
2.1 对煤岩体应力情况的监测技术
（1）应力监测技术。现今我国已开发出比较完备的应力监测系统：系统通过传感器实现对煤岩体所受应力的自动监测，然后将脉冲信号传至监测记录仪;监测记录仪随时接收并存储传感器输出的相关数据;然后这些数据经过预测软件的量化处理，转变为能够反映出采矿工作时采场应力的变化情况的信息;工作人员找出高应力区并对其变化趋势进行分析，进而实现对危险区的及时预报和预警。（2）电磁辐射监测技术。在应力作用下煤岩体中会产生非均匀形变，进而产生电磁辐射。煤岩体的形变速度增加，电磁辐射的强度和脉冲也会逐渐增强。安全情况下，电磁辐射的强度一般在某个值以下;有冲击破坏产生时，电磁辐射的强度会突然加强。因此根据电磁学的相关理论计算出煤岩体应力状态和电磁辐射强度的耦合关系，然后监测人员只需通过对电磁辐射强度进行监测，就可以有效预测煤岩体是否会产生冲击地压灾害。（3）电荷监测技术。煤岩体产生形变时，煤岩裂缝处的电荷会在摩擦作用下产生分离的情况，进而产生电荷感应信号。电荷感应信号的强度和煤岩体的受力情况具有一定的相关性，即煤岩体受力增加，电荷感应信号也会不断加强。但电荷感应信号不是无限增强的，据相关研究表明，煤岩体被破坏到失去稳定性之前，电荷信号上升到最大值，失稳之后电荷强度会减小[2]。电荷监测技术就是利用了煤岩体的失稳反应，该技术监测到的电荷信号越强，表示煤矿越有可能发生冲击地压灾害。（4）CT探测技术。CT探测技术分为弹性波CT和震动波CT两种，弹性波CT用于监测位置由人工激发的已知情况，震动波CT应用于采矿诱发的矿震等震源未知情况，它们的工作原理都是用地震波射线透视煤岩体，对煤岩体的应力场大小进行反演成像。煤岩体的应力值越高，震动波速就越快，因此通过对地震波的能量高低情况进行观测，可以推算出矿区的震动速度场，进而判别出高应力的冲击地压危险区域。（5）地质动力区划技术。这种技术基于板块构造学说，须结合矿区的实际情况进行分析和运用。地质构造情况会决定地形地貌，因此也可以通过对地形地貌的分析反推出地质构造。地质动力区划技术可以划分研究区域的断块图并且查明断块之间的相互作用关系，进而确定应力场的方向和大小。通过一系列分析，能够为采矿工程确定施工方案提供有价值的参考信息。
2.2 实际开采中的预警防治措施
对冲击地压进行防治的主要理念是减少施工中对煤岩巷道产生的应力影响，并且通过主动支护措施增加煤岩体的力学强度，必要时还可以通过加锚索和打锚杆等方式增加围岩的承受能力。相关人员要通过采用综合性的措施，有效减少冲击地压发生的可能性和破坏性，具体的预防措施可以参考以下几个方面：
（1）制定合理开采方案。在矿井开采的过程中，首先要对地质环境有具体的了解和详细的分析，制定出最佳的开拓和回采方案，并选择最适合的开采进度。必要时要避免开采高危区域，比如能量较大的断层区或地质松脆的煤岩区，在掘进巷道时要尽量避免触碰这种特殊区域，并且在回采的过程中也可以快速推过，减少损伤。（2）减少应力集中情况。对于监测到的应力作用高度集中的工作面，采取有效措施减少应力集中的情况，来预防冲击地压的发生。主要的方法有：无煤柱开采，对采区内有突出危险的煤柱采用直接采掉措施，以免高危煤柱威胁开采安全;对于受高危煤柱影响的临近区域，在开采过程中也应尽量避开;另外要合理安排开采顺序，避免应开采错乱导致的追采和对采、以及双面或三面采空等情况。（3）改变煤岩体物理学特性。常用的改变煤岩体物理学特性的方法有：將高压水注入到煤层中，从而对煤岩的脆性起到一定软化作用，以减少高能量集中积聚的情况;在煤岩体应力集中的部位燃放“应力炮”，合理的爆破能起到良好的降压作用，但要注意，这一举措一定要有科学的理论和丰富的实战经验作为支撑，否则可能无法避免冲击地压甚至诱发冲击地压;对于围岩变形而导致的冲击地压，可以采用喷浆锚索等方法进行支护，提高岩体的承受能力。
3 冲击地压监测预警面临的问题
3.1 监测物理量单一
冲击地压灾害产生的原因有很多，从环境上看有地质构造、采掘扰动、顶板破断等，从力源上看有震动力、应力等，从冲击类型上看有滞后性冲击和瞬时性冲击等。综上所述，冲击地压诱因具有很强的复杂性，但各种监测技术都是对某一特定物理量进行监测的，难以实现全面分析、合理预警，从总体上来看不能与冲击地压的复杂机理适配。 3.2 预警指标的阈值难规范
为克服上述监测物理量过于单一的情况，很多采矿现场安装了组合设备，采用多种监测技术组合的方式进行预警。每种监测技术都设有安全区间，也就是当监测物理量的值超出安全区间时，检测设备会产生警报。但是每种技术和设备预警的阈值都存在不确定性，在不同的施工环境中或多或少存在一定弹性，因此常出现设备错误预警或不预警的情况。即使采矿现场采取多套设备组合监测，但预警阈值不能精准确定也会造成预警失败[3]。
3.3 监测布点难确定
冲击地压灾害的破坏方式和冲击力来源之间有强大的关联性，比如垂直应力会对采场煤壁和巷道帮部造成冲击，水平应力会对巷道底板、顶板以及采场底板造成冲击，强烈的振动会造成构造失稳、顶板断裂等。可见煤矿中的冲击方式多样多变，给现场布点工作带来了很大难度，布点工作缺乏周全性和科学性会直接导致冲击地压监测预警效果不理想。
3.4 监测数据传输和反馈不及时
监测技术水平高只是做好煤矿冲击地压灾害预警的一部分，而危险信息能否及时反馈也是灾害预警的关键。良好的信息反馈机制能够保障冲击地压预警的安全性，但是由于矿场监测设备数量和种类多，数据产出量极大，因此信息的反馈容易出现滞后现象。监测设备并不是越多越好，合理的搭配和布置才能够有效预警，帮助相关人员快速分析，及时捕捉危险信息，采取预防措施。
4 冲击地压监测预警技术发展要求
4.1 区域性覆盖、局域性聚焦
在矿井开采的过程中，潜在的冲击地压块段数量多且分布广，其中，静态危险区是由各种原先存在的地质因素诱发的，动态危险区是由采矿施工活动引起的，冲击地压灾害的形成也是由各种近场因素和外场因素各自或共同诱发的。因此，冲击地压灾害监测技术应该做到区域性覆盖、局域性聚焦，既能对危险区域进行聚焦式追踪监测，又要对潜在的冲击地压块段进行全覆盖型把控，在临场预警的同时保证外场预警工作同样到位。
4.2 “多参量”同时监测
各种各样的因素都可能导致煤矿冲击地压灾害，因此在进行监测的时候，需要把多种参量结合起来才能更好地做到全面监测。比如有些因素会产生震动从而造成冲击地压;有些因素会促使应力演化进而诱发地压灾害，因此有必要将震动监测和应力监测结合起来，同时对应力和震动两个參数进行监测[4]。在常见的冲击地压监测技术中，钻屑、电磁辐射和电荷辐射等技术监测的物理量是应力，而矿震、微震监测等技术所关注的物理量是震动。监测之后可以将冲击危险分为强度冲击危险、中度冲击危险、弱冲击危险以及无冲击危险四个等级，相关人员应根据不同等级采取有效的方式及时预警。通过多种技术组合进行多参量监测，能够对冲击地压的危险性作出更为准确合理的预判，进而实现更好的监测预警效果。
4.3 实现“在线、实时”的数据传输
优化冲击地压监测技术是做好灾害预防的基础，而监测信息反馈的及时性是保障监测技术有效发挥的关键。如果检测人员不能及时捕获重要信息，那么监测技术将失去意义。因此，实现在线、实时的监测数据传输是必不可少的。近年来光纤通信技术的不断发展为数据监测连续、及时传输提供了可行之路，矿井环网技术的研发为冲击地压灾害预警工作的发展做出了重要贡献。
4.4 “时、空、级别”多层次精准预警
新时代的煤矿冲击地压灾害监测预警技术应该做到多层次可靠预测，即对于某一区域，实现该区域在一段时间内的预测;对于某一时间点，实现该时间点上所有区域的全面预测;对于某段时间或某个区域，实现灾害危险级别精确预测。这种时间跨度长、监测区域广、预警准确度高的预测能够满足新时代灾害预警的要求，有效保护社会财产安全和人民生命安全。
5 结语
总之，冲击地压作为一种动力灾害，一旦发生就会对工作人员的生命安全构成严重威胁，也会对仪器设备和各种构筑物产生严重破坏，从而造成巨大经济损失。因此，煤矿冲击地压灾害的监测预警技术十分重要，相关工作人员在进行监测和施工的过程中，要做到密切监测，严格防控，及时预警，通过不断完善监测预警措施，有效提升煤矿开采的安全性和有效性。
参考文献
[1] 齐庆新，李晓璐，赵善坤.煤矿冲击地压应力控制理论与实践[J].煤炭科学技术，2013（06）：1-5.
[2] 窦林名，李振雷，张敏.煤矿冲击地压灾害监测预警技术研究[J].煤炭科学技术，2016（07）：41-46.
[3] 刘金海.煤矿冲击地压监测预警技术新进展[J].煤炭科学技术，2016（06）：71-77.
[4] 鞠文君，潘俊锋.我国煤矿冲击地压监测预警技术的现状与展望[J].煤矿开采，2012（06）：1-5.
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