基于煤层围岩波速结构探测的工作面冲击危险性预评价技术_王书文

合集下载

区段煤柱下工作面冲击危险评价及防治对策

区段煤柱下工作面冲击危险评价及防治对策发布时间：2021-11-23T06:55:40.912Z 来源：《工程管理前沿》2021年19期作者：崔新峰[导读] 由于工作面开采布局不合理，7332区段煤柱的留设，给8332工作面生产带来一定的危害。

论文通过分析徐庄煤矿8332工作面采矿地质条件，采用综合指数法对工作面冲击危险性进行综合评价，采用FLAC3D对8332工作面不同阶段回采过程中应力分布规律及集中程度进行模拟分析，动态评价了该工作面在不同回采过程中的冲击危险状态及区域。

崔新峰大屯煤电公司徐庄煤矿江苏省徐州市摘要：由于工作面开采布局不合理，7332区段煤柱的留设，给8332工作面生产带来一定的危害。

以此，制定了8332工作面冲击矿压监测与防治体系，即主要采用微震、钻屑法对冲击危险区域进行监测，根据监测与检验结果逐步采取大直径钻孔、煤体卸压爆破等措施对冲击危险区域进行解危，从而降低冲击危险性。

论文研究为8332工作面安全回采提供了重要理论依据。

关键词：冲击矿压；区段煤柱；冲击危险评价;大直径钻孔；微震；钻屑法1.引言冲击矿压[1-4]是煤岩体积聚的能量释放，发出强烈声响，造成井下围岩巷道、人工构筑物变形破坏及人员伤亡的动力现象。

甚至会引起地表震动，地表构筑物损坏。

冲击矿压是煤矿重大灾害之一。

矿井生产过程中，为避免地质构造因素的干扰，同时也是出于防治煤层自燃和瓦斯的需要，有时被迫留设区段煤柱，煤柱上的集中应力不仅对本煤层开采有影响，还向下传递，形成的应力集中对下部煤层造成了很大的威胁。

徐庄煤矿8332工作面上部7332区段煤柱的留设，使得7332工作面临空侧上覆岩层活动引起的应力在煤柱侧叠加，煤柱宽度越大，其承受的应力峰值越大，而作用于煤柱的高应力向下传递，使得8332工作面的回采存在较高的冲击危险性。

冲击地压监测预警方案(矿业公司适用)

冲击地压监测预警方案微震、地音监测及冲击地压的预测预报由防冲办负责，根据监测结果做好卸压解危措施的落实工作，确保安全生产。

监测过程中，如果工作面周围的地音监测异常指数超过预警指标，判定存在冲击地压危险，应及时进行解危治理。

（一）微震监测方案利用xxxx上09运顺外围系统周边的微震探头对xxxx上09运顺外围系统进行监测。

（二）地音监测方案。

xxxx上09掘进工作面各布设2个地音监测探头，当工作面距离最近探头110m的时候，将最远一组探头移至距迎头30m位置，以此方式循环移动传感器。

方式见图7-3.图7-3 xxxx上09工作面掘进期间地音探头布置示意图三、冲击地压预警指标（一）微震监测系统预警指标微震监测的能量分级预警指标按表7-3内容执行。

表7-3 微震能量分级预警指标危险等级指标及其取值范围无冲击危险1.一般：102～103J，最大Emax<5×103J；2.∑E<5×103J/每5m推进度；3.井下无震动。

弱冲击危险1.一般：102～104J，最大Emax<5×104J；2.∑E<5×104J/每5m推进度；3.有矿压显现。

中等冲击危险 1.一般：102～105J，最大Emax<5×105J；地音监测系统以地音活动偏差值及变化趋势作为危险性评价的主要依据。

1.冲击危险等级划分a级—无冲击危险。

b级—弱冲击危险。

此时应加强对冲击危险状态的监测及采掘作业的监督管理。

c级—中等冲击危险。

此时应实施冲击地压解危措施，降低冲击地压危险程度。

d级—强冲击危险。

此时应停止采掘作业，并撤离不必要的人员；制定防冲措施，检查防冲效果；直到危险等级降低后，才可继续进行采掘作业。

2.预警规则（1）单个地音通道连续至少两个班的危险等级达到c或d，判定该探头前后50m范围存在冲击危险，取较高等级作为该区域的冲击危险等级（c或d）。

（2）同一顺槽相邻两个通道在最近一个班同时达到c或d，判定这两个探头之间区域为冲击危险区，危险等级取较高等级。

动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术

㊀第４９卷第４期煤炭科学技术Ｖｏｌ４９㊀Ｎｏ４㊀㊀２０２１年４月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ㊀Ａｐｒ．２０２１㊀移动扫码阅读邓志刚．动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术［Ｊ］．煤炭科学技术，２０２１，４９（４）：１２１－１３２ｄｏｉ：１０１３１９９／ｊｃｎｋｉｃｓｔ２０２１０４０１５ＤＥＮＧＺｈｉｇａｎｇ．Ｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，４９（４）：１２１－１３２ｄｏｉ：１０１３１９９／ｊｃｎｋｉｃｓｔ２０２１０４０１５动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术邓㊀志㊀刚１，２（１．煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京㊀１０００１３；２．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京㊀１０００１３）摘㊀要：深部开采冲击地压灾害孕灾过程中既有静态基础量又有动态变化量，剧增的原岩应力与覆岩断裂㊁井下爆破等引起的动载扰动是诱发冲击地压灾害的源头，因此实现冲击危险性快速㊁高精度评价必须综合考虑动静载作用㊂笔者开展了典型煤岩霍普金森压杆试验及数值模拟，分析了动载对煤岩体破坏作用以及对应力场的影响，针对应力变化可以直接引起介质中震动波波速变化，且波速变化前的幅值与变化幅度均受应力场影响这一特性，掌握了震动场与应力场的耦合关系，建立了多场耦合冲击危险性动态评价技术：以原岩应力场表示煤岩孕灾过程的静态基础量，以采动应力场和震动场表示煤岩孕灾过程的动态变化量，以波速异常指数㊁波速梯度指数㊁应力异常指数㊁应力梯度指数为评价指标可实现煤岩冲击危险性动态评价㊂研究结果表明：动载作用下能量以震动波形式传递，造成应力场的重新分布，应力呈现分区传递特点，并且在能量达到某一阈值后引起煤岩损伤破坏，但无论动载直接作用在岩石上还是煤体上，岩石是能量传递路径，煤层是能量耗散㊁释放主体，破坏主要发生在煤体中㊂多场耦合冲击危险性评价技术在某工作面经现场应用，在工作面逐渐揭露断层过程中冲击危险性由强冲击危险性降低到中等冲击危险性，现场监测数据表明评价结果与现场实际相符㊂关键词：动静载荷；冲击危险性；震动场；多场耦合；动态评价中图分类号：ＴＤ３２４㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：０２５３－２３３６（２０２１）０４－０１２１－１２Ｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄＤＥＮＧＺｈｉｇａｎｇ１，２（１．ＭｉｎｅＳａｆｅｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｒａｎｃｈ，ＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＭｉｎｉｎｇａｎｄＣｌｅａｎＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３，Ｃｈｉｎａ）收稿日期：２０２０－１２－０２；责任编辑：朱恩光基金项目：国家科技重大专项资助项目（２０１６ＺＸ０５０４５００３－００６－００２）；国家自然科学基金面上资助项目（５１６７４１４３）作者简介：邓志刚（１９８１），男，吉林长春人，研究员，博士，中国煤炭科工集团三级首席科学家㊂Ｔｅｌ：０１０－８４２６１５８１，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｅｎｇｚｈｉｇａｎｇ２００４＠１６３．ｃｏｍＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｔｉｃｂａｓｉｃｑｕａｎｔｉｔｙａｎｄｄｙｎａｍｉｃｖａｒｉａｔｉｏｎｑｕａｎｔｉｔｙｅｘｉｓｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｉｎｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇ．Ｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅａｎｄｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｒｅｔｈｅｓｏｕｒｃｅｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄｍｕｓｔｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｉｎｔｈｅｆａｓｔａｎｄｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄ．Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｂａｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｏｎｔｈｅｄａｍａｇｅａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｃｏａｌｒｏｃｋ．Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｓｔｒｅｓｓｃｏｕｌｄｄｉ⁃ｒｅｃｔｌｙｃａｕｓｅｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｗｅｒｅａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｗａｓｍａｓｔｅｒｅｄａｎｄｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅ，ｔｈｅｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｓｔａｔｉｃｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｑｕａｎｔｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｎｇｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｒｅｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｎｇｅｑｕａｎｔｉｔｙ．Ｔｈｅｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｏｍａｌｙｉｎｄｅｘ，ｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｇｒａｄｉｅｎｔｉｎ⁃ｄｅｘ，ｓｔｒｅｓｓａｎｏｍａｌｙｉｎｄｅｘａｎｄｓｔｒｅｓｓｇｒａｄｉｅｎｔｉｎｄｅｘａｒｅｕｓｅｄａｓｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｅｓｔｏｒｅａｌｉｚｅｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄ．Ｔｈｅｒｅ⁃ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅｎｅｒｇｙｉｓｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｉｎｔｈｅｆｏｒｍｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｗａｖｅｕｎｄｅｒｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｔｈｅｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｚｏｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ａｎｄｃａｕｓｅｓｔｈｅｄａｍａｇｅｏｆｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋｗｈｅｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅａｃｈｅｓａｃｅｒｔａｉｎｔｈｒｅｓｈｏｌｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｎｏｍａｔｔｅｒｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｄｉｒｅｃｔｌｙａｃｔｓｏｎｔｈｅｒｏｃｋｏｒｔｈｅｃｏａｌ，ｔｈｅｒｏｃｋｉｓｔｈｅｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒｐａｔｈ，ｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｉｓｔｈｅｍａｉｎｂｏｄｙｏｆｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄｒｅｌｅａｓｅ，ａｎｄｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍａｉｎｌｙｏｃｃｕｒｓｉｎｔｈｅｃｏａｌ．Ｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔ１２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷ｈａｚａｒｄｗａｓａｐｐｌｉｅｄｏｎａｃｅｒｔａｉｎｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ．Ｔｈｅｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍｓｔｒｏｎｇｔｏｍｅｄｉｕｍｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｇｒａｄｕａｌｌｙｅｘｐｏｓｉｎｇｆａｕｌｔｓ．Ｔｈｅｆｉｅｌｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄｓ；ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ；ｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎ０㊀引㊀㊀言我国多数矿井进入深部开采阶段，冲击地压灾害频度㊁强度显著增加［１］，冲击地压防治工作任重道远㊂２０１８年８月１日，国家煤矿安全监察局印发的‘防治煤矿冲击地压细则“开始实施，规定：开采具有冲击倾向性的煤层必须进行冲击危险性评价，开采冲击地压煤层必须进行采区㊁采掘工作面冲击危险性评价，当评估煤层有冲击倾向性时，应当进行冲击危险性评价，并且以冲击危险性评价结果作为冲击地压监测㊁卸压等工作开展的依据㊂目前冲击危险性评价方法较多㊂一类是以冲击地压主要诱因为切入点的冲击危险性静态评价技术，如窦林名等［２］提出的综合指数法，综合考虑了岩体结构㊁力学特性㊁地质因素等条件㊂姜福兴等［３］采用模糊数学的方法，用垂直应力与煤体单轴抗压强度的比值㊁弹性能量指数２个指标评价煤体的冲击危险性，且根据应力叠加原理建立了冲击危险性评价模型，后又在此基础上提出了冲击地压分类评价技术手段㊂张科学等［６］综合考虑开采深度㊁冲击倾向性㊁煤层顶底板性质㊁地质构造㊁开采技术提出了基于层次分析法的煤层冲击危险性模糊综合评价模型㊂张宏伟等［７］应用地质动力区划方法对煤矿冲击危险进行评价㊂邓志刚［１０］基于三维地应力场反演技术开展了相关研究，综合考虑构造应力㊁采动影响等因素，实现了对采区宏观区域的冲击危险评价㊂欧阳振华等［１１］考虑瓦斯作用，将煤层气属性㊁抽采效果分析作为一类地质因素㊁开采技术条件，提出一种含瓦斯煤冲击危险性改进型综合指数评价方法㊂但是由于冲击地压致灾机理不清，灾害孕育㊁发展㊁发生的过程中影响因素繁杂，以及复杂多变的采掘及地质条件，致使静态评价方法主要是宏观上为煤层开采前的防冲工作提供一定参考，缺少对于采掘过程中因局部区域地质及开采条件变化㊁卸压措施等因素引起的冲击危险性动态变化的量化能力，因此，另一类基于现场监测数据的冲击危险性动态评价技术是当前研究工作的重点，如刘少虹等［１２］基于地音与电磁波ＣＴ探测数据提出的冲击危险性层次化评价方法；李宏艳等［１４］基于微震监测数据建立的考虑响应能量和无响应时间的冲击危险性动态评价技术㊂姜福兴等［１５］应用矿压观测法观测冲击地压工作面支架压力㊁立柱压缩量，判断工作面顶板来压规律，结合巷道的变形及其围岩应力分布进行观测，评价及预测冲击危险性㊂何学秋等［１７］采用电磁辐射法评价冲击危险性，主要参数为电磁辐射强度和脉冲数㊂曹民远等［１９］采用数值模拟和理论计算的方法分析了采掘工作面应力扰动叠加的影响，提出了近直立煤层动态权重评价法的计算体系㊂但是冲击地压的孕灾过程中既有静态基础量，又有动态变化量，因此目前仅依靠单一理论或方法快速㊁高精度的进行冲击危险性评价难度较大㊂我国煤矿进入深部开采后，剧增的原岩应力场成为冲击地压灾害发生的必要条件㊂覆岩断裂㊁井下爆破等带来的强动载扰动易成为诱发冲击灾变的充分条件，但目前冲击危险性评价的研究工作中少有兼顾动静载综合作用的理论或方法㊂为此，笔者以震动场㊁采动应力场表示孕灾过程中动态变化量，以原岩应力场表示孕灾过程中静态基础量㊂提出了波速异常指数㊁波速梯度指数㊁应力异常指数㊁应力梯度指数４个冲击危险性评价指标，并在此基础上建立了多场耦合冲击危险性动态评价技术以实现井下高精度冲击危险性动态评价㊂１㊀煤岩动载破坏试验分析１．１㊀典型煤岩动载破坏霍普金森压杆试验分离式霍普金森压杆（ＳＨＰＢ）试验系统（图１）由压杆系统㊁测量系统和数据采集处理系统３个部分组成㊂图１㊀ＳＨＰＢ试验装置Ｆｉｇ．１㊀ＳＨＰＢｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｖｉｃｅ当动载试块受到不同气压后获得不同初速度撞击入射杆，在杆内产生入射脉冲εｉ，试件在该应力作用下产生高速变形，同时产生反射脉冲εｒ和透射脉冲εｔ㊂如图２所示㊂选取强冲击倾向性煤样试件４２２１邓志刚等：动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术２０２１年第４期个，中砂岩试件４个，尺寸均为ø５０ｍｍˑ１００ｍｍ㊂本次试验煤岩样取样点分别为某典型冲击地压矿井３－１煤回风大巷ＨＦ６导点处顶板和３１１１０２工作面煤层㊂煤岩物理力学参数见表１㊂分别采用气压０．２㊁０．４㊁０．６㊁０．８ＭＰａ发射子弹，撞击入射杆，记录其入射㊁反射和透射波曲线㊂图２㊀ＳＨＰＢ试验原理Ｆｉｇ．２㊀ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＳＨＰＢｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ㊀㊀煤样㊁岩样入射波㊁反射波和透射波曲线如图３㊁图４所示，仅出示驱动应力为０．２㊁０．４㊁０．８ＭＰａ时的结果㊂对比分析可知，随着撞击杆驱动应力增加，入射波波速幅值㊁入射波波速变化率均有所增加，反射波和透射波波峰和波谷增高，透射波持续时间缩短，这也和冲击地压发生的突然㊁猛烈性质一致㊂１．２㊀典型煤岩动载破坏数值模拟采取有限元方法对煤岩霍普金森压杆试验进行模拟，进一步分析动载作用下煤岩体损伤破坏机理㊂数值模型如图５所示㊂模拟试件分为煤样㊁岩样㊁煤－岩组合样，岩－煤组合样，其中煤－岩组合样是指震动波入射端在煤上，岩－煤组合样是指震动波入射端在岩石上㊂煤样㊁岩样尺寸为ø５０ｍｍˑ１００ｍｍ，煤岩组合样中煤㊁岩样尺寸均为ø５０ｍｍˑ５０ｍｍ㊂入射杆㊁透射杆材料参数按钢材设定［２０］，密度为７７９４ｋｇ／ｍ３，弹性模量为２１１ＧＰａ，泊松比为０．２８５㊂表１㊀煤岩物理力学参数Ｔａｂｌｅ１㊀Ｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋ试样密度／（ｋｇ㊃ｍ－３）单轴抗压强度／ＭＰａ弹性模量／ＧＰａ泊松比抗拉强度／ＭＰａ内摩擦角／（ʎ）黏聚力／ＭＰａ煤样１３２５．４０３８．７６２３．４７４０．２８２２．４９３１８．５２１３．８９４岩样２１１１．９８４０．４３４７．３９５０．２２２２．８３９３５．６０１５．５２５图３㊀煤样不同气压下的波形Ｆｉｇ．３㊀Ｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｃｏａｌｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅ图４㊀岩样不同气压下的波形Ｆｉｇ．４㊀Ｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｒｏｃｋｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅ３２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷图５㊀霍普金森试验数值模型Ｆｉｇ．５㊀ＳＨＰＢｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌ煤岩物理力学参数见表２㊂加载在入射杆端部的震动波信号为ＳＨＰＢ试验中不同气压驱动子弹记录的入射杆应变波信号㊂不同震动波作用下煤岩体应力㊁损伤分布如图６图９所示，限于篇幅煤样㊁岩样仅出示驱动应力为０．２㊁０．４㊁０．８ＭＰａ时的结果，煤岩组合样仅出示驱动应力为０．２ＭＰａ和０．８ＭＰａ时的结果㊂分析可知，震动波作用引起煤岩应力重新分布，应力传递呈现分区传递特点，即存在应力传递优势面㊂在震动波波速峰值㊁波速变化率较低时，震动波对煤岩介质表２㊀数值模拟参数Ｔａｂｌｅ２㊀Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ试样弹性模量／ＧＰａ泊松比密度／（ｋｇ㊃ｍ－３）屈服强度／ＭＰａ单轴抗压强度／ＭＰａ内摩擦角／（ʎ）黏聚力／ＭＰａ煤样３．４７４０．３２１３２０１７．２５２４．６０１８．５２１３．８９０岩样７．６８３０．２３２５１９４４．９７５０．２７４３．１０１０．６５６图６㊀煤样应力与损伤分布情况Ｆｉｇ．６㊀Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｓｐｅｃｉｍｅｎ没有破坏作用，即震动波对煤岩介质的破坏与损伤存在阈值㊂煤岩体发生破坏的位置同时是单元受拉损伤㊁受压损伤极值位置，因此震动波作用下煤岩体破坏模式为拉压复合破坏㊂无论震动波直接作用在岩石上还是煤上，煤岩组合试件的破坏主要发生在煤体上，说明岩石是能量传播的路径，煤体是能量耗４２１邓志刚等：动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术２０２１年第４期图７㊀岩样应力与损伤分布情况Ｆｉｇ．７㊀Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎ图８㊀煤－岩样应力与损伤分布情况Ｆｉｇ．８㊀Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｏａｌ－ｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎ５２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷图９㊀岩－煤样应力与损伤分布情况Ｆｉｇ．９㊀Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋ－ｃｏａｌｓｐｅｃｉｍｅｎ散㊁释放的主体，这也符合冲击地压主要发生在煤层中的事实㊂１．３㊀震动场与煤岩冲击危险性的关联依据采煤工作面和掘进工作面煤岩体破坏失稳主要形式，结合ＳＨＰＢ试验和数值模拟研究结果，煤岩体震动场与冲击危险性的关系总结如下：①震动波是能量传递的载体，震动波所具有的能量超过一定阈值时可引起煤岩破坏，易诱发冲击地压灾害㊂②震动波传递引起应力分布变化，应力传递沿优势面进行㊂随着震动波能量增加，优势面周围易出现煤岩损伤破坏，引起煤岩冲击灾变㊂③当震源位于岩层时，能量传递速度较快，在煤岩界面发生衰减，煤体在震动波作用下发生破坏；当震源位于煤层时，煤体对震动波传递速度相对较慢，能量多耗散在煤层中，主要诱发煤体破坏，对岩层造成的破坏较小㊂２㊀煤岩动㊁静载冲击危险性评价指标考虑动静载作用煤岩冲击危险性评价指标包括应力场相关指标和震动场相关指标，其中静载作用主要表现为应力场的变化，动载作用主要引起震动场的变化㊂２．１㊀应力场冲击危险性评价指标基于煤矿冲击地压应力控制理论［２１］，煤岩体冲击破坏是应力作用的结果，一是取决于应力绝对值大小，二是应力梯度变化㊂因此，建立应力异常指数和应力梯度指数㊂应力异常指数表征一定区域内不同位置应力差异的指标，计算公式为γσ＝σｒ－σｍｉｎσｍａｘ－σｍｉｎˑ１０（１）式中：γσ为应力异常指数；σｒ为监测区域某点应力，ＭＰａ；σｍａｘ㊁σｍｉｎ分别为监测区域内实时应力最大值和最小值，ＭＰａ㊂应力梯度指数是表征一定区域内不同位置应力变化速度差异的指标，计算公式为ｇσ＝ｇσｒ－ｇσｍｉｎｇσｍａｘ－ｇσｍｉｎˑ１０（２）式中：ｇσ为应力梯度异常指数；ｇσｒ为监测区域内某一点的应力场梯度；ｇσｍａｘ㊁ｇσｍｉｎ分别为监测区域内应力最大㊁最小梯度㊂２．２㊀震动场冲击危险性评价指标综上，震动场波速绝对值㊁变化速率对煤岩破坏有显著影响㊂因此，提出表征震动波波速的波速异常指数和表征震动波波速变化速率的波速梯度指数，作为２个基于震动场的冲击危险性动态评价指数㊂波速异常指数表征一定区域内不同位置震动波波速的差异，计算公式为γθ＝θｒ－θｍｉｎθｍａｘ－θｍｉｎˑ１０（３）式中：γθ为波速异常指数；θｒ为监测区域某点震动波６２１邓志刚等：动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术２０２１年第４期波速，ｍ／ｓ；θｍａｘ㊁θｍｉｎ分别为监测区域内震动波波速最大值和最小值，ｍ／ｓ㊂波速梯度指数ｇθ是通过震动场波速变化速率表征煤岩体发生冲击地压的危险程度，计算公式为ｇθ＝ｇθｒ－ｇθｍｉｎｇθｍａｘ－ｇθｍｉｎˑ１０（４）式中：ｇθ为波速梯度异常指数；ｇθｒ为监测区域内某一点的震动波波速梯度；ｇθｍａｘ㊁ｇθｍｉｎ为监测区域内震动波波速最大㊁最小梯度㊂３㊀煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术结合笔者以往研究［２２］和上述研究成果可知，一方面煤岩应力场改变可以直接引起介质中震动波波速变化，且波速变化前的幅值与变化幅度均与应力场大小相关；另一方面，震动场传递会造成煤岩应力场的重新分布㊂因此，考虑动㊁静载作用开展煤岩冲击危险性动态评价关键在于分析震动场－应力场的耦合作用㊂煤炭开采之前，煤岩体处于重力和构造应力组成的原岩应力场之中；开采过程中，煤岩体形成采动应力场；原岩应力场和采动应力场相互作用，煤岩体损伤变形，震动产生，以弹性波的形式向外传播形成震动场㊂冲击地压是原岩应力场㊁采动应力场和震动场综合作用的结果，煤岩体中多场耦合关系如图１０所示㊂图１０㊀煤岩体中多场耦合关系Ｆｉｇ．１０㊀Ｆｉｅｌｄｉｎｃｏａｌｒｏｃｋｍａｓｓａｎｄｉｔｓｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ为了准确描述煤岩体中各种场的关系，从冲击危险性评价角度建立统一数学模型Ｒ（ｔｉ，ｓ；ｍｊ）＝０㊀㊀（ｉ，ｊ＝１，２，３，）（５）式中：ｔｉ为场的变量，一般情况下有多个，既可以是标量也可以是矢量；ｓ为场的源或者汇，通常只有一个；ｍｊ为煤岩体的物理性质变量，如弹性模量㊁泊松比㊁剪切模量㊁波速等多个变量㊂基于该函数煤岩体中的３种场的冲击危险性评价具体表达式如下：１）原岩应力场为Ｙ（ｈ，ｃ，ｆ；ρ，μ）＝０（６）式中：ｈ为采深；ｃ为地应力；ｆ为体积力；ρ为煤岩体密度；μ为泊松比㊂２）震动场为Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ，Ｅ，ｆ；ρ，μ）＝０（７）式中：ｘ㊁ｙ㊁ｚ为震源的位置坐标；ｔ为发震时间；Ｅ为震源能量㊂３）采动应力场为Ｆ（ｕ，ｆ；ρ，μ）＝０（８）式中：ｕ为位移㊂３．１㊀原岩应力场与采动应力场（ＲＭ）耦合冲击危险性评价模型㊀㊀原岩应力场冲击危险性评价指标见表３㊂原岩应力场冲击危险性指数定义为Ｒ＝（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）／４（９）其中，Ｒ１㊁Ｒ２㊁Ｒ３㊁Ｒ４为不同评价指标得分㊂原岩应力冲击危险性反映煤岩体自身发生冲击地压的固有属性，其数值大小反映了煤岩体采动后，发生自发型冲击地压的可能性和危险性㊂原岩应力场冲击危险性指数取值与冲击危险等级关系见表４㊂表３㊀原岩应力场冲击危险性评价指标Ｔａｂｌｅ３㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｓｏｆｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ变量影响因素阈值分值Ｒ１开采深度ｈｈɤ４００ｍ１４００ｍ＜ｈɤ６００ｍ２６００ｍ＜ｈɤ８００ｍ３ｈ＞８００ｍ４Ｒ２向落差大于３ｍ的断层推进的工作面或巷道，工作面或掘进工作面至断层的距离ＬｄＬｄȡ１００ｍ１５０ｍɤＬｄ＜１００ｍ２２０ｍɤＬｄ＜５０ｍ３Ｌｄ＜２０ｍ４Ｒ３向背斜或向斜推进的工作面或巷道，工作面或掘进工作面与之距离ＬｚＬｚȡ５０ｍ１２０ｍɤＬｚ＜５０ｍ２１０ｍɤＬｚ＜２０ｍ３Ｌｚ＜１０ｍ４Ｒ４同一水平煤层冲击地压发生次数ｎｎ＝０１ｎ＝１２２ɤｎ＜３３ｎȡ３４㊀㊀采动应力冲击危险指标包括：应力异常指数和应力梯度指数㊂二者取值与冲击危险等级之间的关系见表５㊁表６㊂７２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷表４㊀原岩应力场冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ４㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级Ｒɤ１１无１＜Ｒ＜２２弱２ɤＲ＜３３中等Ｒȡ３４强表５㊀应力异常指数冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ５㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｓｔｒｅｓｓａｎｏｍａｌｙｉｎｄｅｘ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级γσɤ１１无１＜γσ＜３２弱３ɤγσ＜５３中等γσȡ５４强表６㊀应力梯度指数冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ６㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｓｔｒｅｓｓｇｒａｄｉｅｎｔｉｎｄｅｘ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ｇθɤ１１无１＜ｇθ＜３２弱３ɤｇθ＜５３中等ｇθȡ５４强㊀㊀基于原岩应力场与采动应力场耦合的冲击危险性评价模型为ＤＲＭ＝ａ１Ｒ＋ｂ１γσ＋ｃ１ｇσ（１０）㊀㊀其中：ＤＲＭ是原岩应力场与采动应力场耦合的冲击危险性评价指数；ａ１，ｂ１，ｃ１分别为原岩应力场和采动应力场耦合冲击危险性评价权重系数，不同矿井取值不同㊂原岩应力场与采动应力场耦合的冲击危险性指数取值与冲击危险等级之间的关系见表７㊂表７㊀原岩应力场与采动应力场耦合冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ７㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｍｉｎｉｎｇｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ＤＲＭɤ１１无１＜ＤＲＭ＜３２弱３ɤＤＲＭ＜５３中等ＤＲＭȡ５４强３．２㊀原岩应力场与震动场（ＲＳ）耦合冲击危险性评价模型㊀㊀震动场冲击危险性指标包括：波速异常指数和波速梯度指数㊂二者取值与冲击危险等级之间的关系见表８㊁表９㊂原岩应力场与震动场耦合的冲击危险性评价模型为ＤＲＳ＝ａ２Ｒ＋ｂ２γθ＋ｃ２ｇθ（１１）㊀㊀其中：ＤＲＳ为原岩应力场和震动场耦合的冲击危险性评价指数；ａ２，ｂ２，ｃ２为原岩应力场和震动场耦合冲击危险性评价权重系数，不同矿井取值不同㊂原岩应力场与震动场耦合的冲击危险性指数取值与冲击危险等级之间的关系见表１０㊂表８㊀波速异常指数冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ８㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｏｍａｌｙｉｎｄｅｘ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级γθɤ１１无１＜γθ＜３２弱３ɤγθ＜５３中等γθȡ５４强表９㊀波速梯度指数冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ９㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｇｒａｄｉｅｎｔｉｎｄｅｘ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ｇθɤ１１无１＜ｇθ＜３２弱３ɤｇθ＜５３中等ｇθȡ５４强表１０㊀原岩应力场与震动场耦合冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ１０㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ＤＲＳɤ１１无１＜ＤＲＳ＜３２弱３ɤＤＲＳ＜５３中等ＤＲＳȡ５４强３．３㊀采动应力场与震动场（ＭＳ）耦合冲击危险性评价模型㊀㊀采动应力场与震动场耦合冲击危险性评价模型为ＤＭＳ＝ａ３γσ＋ｂ３ｇσ＋ｃ３γθ＋ｄ３ｇθ（１２）㊀㊀其中：ＤＭＳ为采动应力场与震动场耦合冲击危险性评价指数；ａ３，ｂ３，ｃ３，ｄ３分别为应力异常指数，应力梯度指数，波速异常指数，波速梯度指数的权重系数，不同矿井取值不同㊂采动应力场与震动场耦合的冲击危险性指数取值与冲击危险等级之间的关系见表１１㊂３．４㊀多场耦合（ＲＭＳ）冲击危险性动态评价模型冲击地压发生的本质是煤岩体具有的冲击能量８２１邓志刚等：动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术２０２１年第４期超过围岩吸收能量的极限㊂应力场可以表现煤岩体表１１㊀采动应力场与震动场耦合冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ１１㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｍｉｎｉｎｇｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ＤＭＳɤ１１无１＜ＤＭＳ＜３２弱３ɤＤＭＳ＜５３中等ＤＭＳȡ５４强未受扰动的地应力场和受采动影响而形成的采动应力场，是煤岩体承受应力的状态量㊂震动场主要表现煤岩体无法承受外部高应力差作用发生损伤破坏，在此过程中以震动形式释放出能量的时空域，可以表现煤岩体积蓄能量的过程㊂冲击地压的不仅发生在高应力区，也发生在煤岩体由低应力区向高应力区转化的过程中，采用煤岩体多场耦合的方法可以充分全面评价监测区域的冲击危险性㊂基于上述对ＲＭ耦合㊁ＲＳ耦合和ＭＳ耦合的冲击危险性评价模型，构建煤岩体多场耦合（ＲＭＳ）冲击危险性动态评价模型㊂冲击危险性指数算法如下Ｄ＝ＤＲＭ＋ＤＲＳ＋ＤＭＳ（１３）多场耦合冲击危险性评价指数Ｄ与冲击危险性等级的对应关系见表１２㊂表１２㊀多场耦合（ＲＭＳ）冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ１２㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级Ｄɤ５１无５＜Ｄ＜１０２弱１０ɤＤ＜１５３中等Ｄȡ１５４强４㊀工程应用选取典型冲击地压矿井３１１２０２工作面为现场，开展相关应用㊂４．１㊀工作面概况３１１２０２工作面是该矿井１２盘区第２个回采工作面，是首个沿空回采工作面，位于１２盘区北部，为３１１２０１接续工作面，东部以１２盘区辅运大巷为界，西部至１２盘区西部边界，南部为实体煤，北部为正在回采的３１１２０１工作面，保护煤柱宽度６ｍ㊂该工作面采用走向长壁综合机械化一次采全高采煤法，采高５．２５ｍ，工作面倾斜长度２９９ｍ，走向长度３１４０ｍ，全部垮落法管理顶板，两回采巷道采用液压支架进行超前支护㊂工作面布置如图１１所示㊂图１１㊀３１１２０２工作面布置Ｆｉｇ．１１㊀ＬａｙｏｕｔｏｆＮｏ．３１１２０２ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ经鉴定，３－１煤及其顶底板均具有弱冲击倾向性，３－１煤层冲击危险等级为中等冲击危险㊂３１１２０２工作面所在地层构造形态总体为一向北西倾斜的单斜构造，倾向３００ʎ ３２０ʎ㊁倾角１ʎ ３ʎ，地层产状沿走向及倾向均有一定变化，沿走向发育有宽缓的波状起伏㊂３１１２０２工作面受ＤＦ１９㊁ＤＦ１８㊁Ｆ２２㊁Ｆ２４断层影响较大，其中ＤＦ１９断层影响最为显著，该断层走向长度约１２００ｍ，落差６．５１０．０ｍ，预计影响３１１２０２工作面走向长度５６０ｍ，对生产过程中的冲击地压灾害影响最大㊂３１１２０２工作面主要断层情况见表１３，３１１２０２工作面煤层顶底板结构特征见表１４㊂表１３㊀３１１２０２工作面断层特征Ｔａｂｌｅ１３㊀ＦａｕｌｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＮｏ．３１１２０２ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ断层走向／（ʎ）倾向／（ʎ）倾角／（ʎ）性质落差／ｍＤＦ１８３１２４２７０正断层０５．０ＤＦ１９２９６２６４９正断层６．５１０．０Ｆ２２２８５１５３０正断层１．１Ｆ２４３５７９０４６正断层０．３表１４㊀３１１２０２工作面煤层顶底板结构特征Ｔａｂｌｅ１４㊀ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌｓｅａｍｒｏｏｆａｎｄｆｌｏｏｒｉｎＮｏ．３１１２０２ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ顶底板岩性厚度／ｍ平均厚度／ｍ基本顶细粒砂岩９．２５１９．７０１５．８４直接顶砂质泥岩２．２８１２．８５８．５０直接底砂质泥岩４．６９１２．９９７．６８基本底细粒砂岩５．２１２１．４５１４．８２４．２㊀多场耦合冲击危险性动态评价原岩应力场包括重力场和构造应力场，通过地应力测试及三维反演可得到㊂采动应力场通过应力在线监测系统监测得到㊂在３１１２０２回风巷生产帮安设应力在线监测系统，距离开切眼６０ｍ生产帮侧９２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷安设第１组应力测点，之后每隔４０ｍ安设一组，共布置１０组，主要监测工作面超前３００ｍ范围内回风巷一侧煤体采动应力分布情况；每组垂直于煤壁施工２个ø４４ｍｍ应力钻孔，孔深分别为１１ｍ和１６ｍ，钻孔间距１ｍ㊂当测点与工作面距离小于３０ｍ时开始回撤，随着工作面回采，测点依次前移，直至回采结束㊂测点布置方案如图１２所示㊂收集了３１１２０２工作面２０１９年５月至１１月的回风巷采动应力监测数据，并进行了分析和应用㊂图１２㊀应力在线监测测点布置Ｆｉｇ．１２㊀Ｌａｙｏｕｔｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓｆｏｒｏｎｌｉｎｅｓｔｒｅｓｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ工作面震动场数据由ＡＲＡＭＩＳＭ／Ｅ微震监测系统监测得到㊂３１１２０２工作面测站布置情况如图１３所示㊂井下布置４台微震拾震器（编号Ｓ９至Ｓ１２）和６个移动式监测探头（编号Ｔ１９至Ｔ２４），地面布置１台编号为Ａ２矿震测站组成联合监测网，对工作面进行全面监测㊂图１３㊀３１１２０２回采工作面微震监测系统测站布置Ｆｉｇ．１３㊀ＡｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎＮｏ．３１１２０２ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ选取３１１２０２工作面回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时，开始揭露ＤＦ１９断层时以及揭露ＤＦ１９断层２９５ｍ时，３个时间节点３１１２０２工作面超前１５０ｍ范围内的冲击危险性评价情况㊂回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时，计算原岩应力场冲击危险性指数Ｒ，３－１煤层平均采深６２０ｍ，Ｒ１＝３；工作面距离断层１０ｍ，Ｒ２＝４；工作面前方无背斜或向斜，Ｒ３＝１；该区域未发生过冲击地压，Ｒ４＝１㊂根据式（９）计算得到Ｒ＝２．３㊂按照式（１）㊁式（２）计算得到γσ＝２．３，ｇσ＝３．３㊂３１１２０２工作面最大主应力与水平应力比约为１，取ａ１＝ｂ１＝ｃ１＝０．５，根据式（１０）计算得到ＤＲＭ＝４．０㊂同理计算出，揭露断层时ＤＲＭ＝５．０；揭露断层２９５ｍ时ＤＲＭ＝４．０㊂回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时，Ｒ＝２．３；根据式（３）㊁（４）计算得到γθ＝３．４，ｇθ＝５．０；工作面最大主应力与水平应力比约为１，取ａ２＝ｂ２＝ｃ２＝０．５，根据式（１１）计算得到ＤＲＳ＝５．４㊂同理计算出，揭露断层时ＤＲＳ＝６．５；揭露断层２９５ｍ时ＤＲＳ＝４．５㊂回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时，根据式（１）㊁式（２）计算得到γσ＝２．３，ｇσ＝３．３；根据式（３）㊁式（４）计算得到γθ＝３．４，ｇθ＝５．０㊂３１１２０２工作面最大主应力与水平应力比约为１，取ａ３＝ｂ３＝ｃ３＝ｄ３＝０．５，根据式（１２）计算得到ＤＭＳ＝７．０㊂同理计算出，揭露断层时ＤＭＳ＝９．２；揭露断层２９５ｍ时ＤＭＳ＝６．２㊂根据式（１３）计算得到，回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时Ｄ＝１６．４，具有强冲击危险性；揭露断层时Ｄ＝２０．７，具有强冲击危险性；揭露断层２９５ｍ时Ｄ＝１４．７，具有中等冲击危险性㊂４．３㊀评价结果验证与对比依据３１１２０２工作面回采期间超前工作面３００ｍ范围内微震监测数据㊁钻孔应力监测数据平均值验证评价结果㊂在距离ＤＦ１９断层１０ｍ附近，当天微震释放总能量约为１９３００Ｊ，单次最大能量为７０００Ｊ，微震事件２６次；揭露断层时，当天微震释放总能量约为２２３００Ｊ，单次最大能量约为９０００Ｊ，微震事件１７次；揭露断层２９６ｍ附近，当天微震释放总能量约为７７００Ｊ，单次最大能量约为６０００Ｊ，微震事件６次㊂从微震事件能量㊁频次中可以看出冲击危险性降低㊂在距离断层１０ｍ附近㊁揭露断层附近以及揭露断层２９６ｍ附近选取３个煤层钻孔应力测点，３个测点应力监测数据如图１４所示㊂工作面推进过程中煤层应力数值增加，强冲击危险区域应力始终高于中等冲击危险区域㊂微震和煤层钻孔应力监测数据验证了冲击危险性动态评价结果的合理性㊂图１４㊀煤层钻孔应力监测数据平均值Ｆｉｇ．１４㊀Ａｖｅｒａｇｅｖａｌｕｅｓｏｆｓｔｒｅｓｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｓｉｎｃｏａｌｓｅａｍ０３１。

综放工作面冲击地压的监测预报技术研究

综放工作面冲击地压的监测预报技术研究随着综合放顶托工作面开采深度的逐步增加，地压荷载逐渐增大，严重影响到煤矿生产的安全和高效。

为了预测和控制地压的发展趋势，煤矿岩层控制技术中的监测预报技术变得越来越重要。

1. 钻孔压力变化监测法钻孔法是最为常见的地压监测手段之一，可以通过钻孔测压仪测量钻孔内部的孔压变化，评估地压变化的趋势和大小。

该方法具有监测精度高、定位准确、设备简单等优点，但通常只能监测到周围煤壁的变化，预测及时性受到限制。

2. 微震监测法微震监测法是一种利用地震波来监测矿山岩体变形和破裂的技术，对地压的监测也有一定的作用。

微震监测系统通过声波传感器收集煤矿各处的微震数据，并将其分析和处理，绘制岩层变形和破裂的图像，预测地压显著的变化。

该方法比较适用于岩层稳定性差、地压发展快的情况下。

3. 采掘面前区域孔隙水压力监测法采掘面前区域孔隙水压力监测法（PIS）是一种针对综放工作面冲击地压的监测方法，其原理是通过监测采掘面前区域地下水位高度以及采掘面前区域地下水的孔隙水压力变化，了解综放工作面的压力变化。

研究表明，当采掘面前地下水位升高，并且孔隙水压力急剧下降，往往预示着综放工作面的地压将会增加。

该方法是目前较为成熟的综放工作面地压监测技术之一。

4. 岩石应变监测法岩石应变监测法是一种通过固定测点，监测煤层应变变化的技术，可以通过应变计，计算出矿体自身应力的变化。

该方法可以评估煤岩质的结构变化以及地压的演化情况。

然而，该方法仅适用于已经发生地压的区域，而且需要在岩层介质中浸入应变计的成本较高。

总之，随着煤矿开采的不断深入，对于掌握煤矿地质变化情况至关重要。

因此，探索和应用一系列高精度和可靠的地压监测技术，对于预计、预防和控制煤矿灾害起着重要作用，应予以广泛使用。

基于深部开采条件下的冲击地压预测与防治技术研究

基于深部开采条件下的冲击地压预测与防治技术研究冲击地压作为矿山灾害的一种，随着我国深部开采矿井的增多，冲击地压灾害发生次数逐年升高。

深部开采条件下进行冲击地压预测与防治，已经成为众多学者关注的重要问题。

本文以某矿东四盘区4#煤层30114E工作面为研究对象，对工作面发生冲击地压的可能性进行预测和防治研究，提出对应的解决方案和措施，為将来类似煤矿提供有益的参考。

标签：深部开采；冲击地压；预测与防治0 引言煤矿井下开采过程中，使煤、岩层内部储存的能量在高应力的作用下短时间内突然释放，在释放过程中抛出的煤岩体对工作面、巷道中的作业人员的人身安全及井下设备造成严重威胁，这种现象称之为冲击地压。

针对冲击地压的研究，国内外专家从18世纪至今从未间断，受限于其发生时的多样性、随机性及突然性等特点，尽管广大研究人员先后提出了能量理论、刚度理论和强度理论等观点，也总结出了经验类比法、局部探测法等相关预测方法，但对冲击地压的发生和防治依然无法达到完全杜绝，尤其是当前各个煤矿都有深部开采的趋势下，冲击地压问题愈发需要引起重视。

结合国内外煤矿的相关统计数据显示，冲击地压发生的频率和强度会随开采深度加深而增大，当超过600m采深后，发生冲击地压的概率以及强度都持续大幅增加，参见图1。

本文以某矿东四盘区4#煤层30114E工作面为研究对象，该煤层埋深大，平均深度为800～1000m，综合煤层性质和地质条件，其发生冲击地压可能性大幅度增加，故对冲击地压的预测和防治进行研究是很有必要的。

1 工程概况该矿东四盘区4#煤层30114E综放工作面长度300m，走向1200m，东临实体煤，南接606轨道巷、回风大巷及运输大巷，西接30114E工作面采空区，北部为保护煤柱。

所采4#煤层赋存于山西组下部，采高4m，煤层倾角0°～38°，平均14°，埋深约800～1000m，结构相对复杂，总体来说仍属全井田可采的稳定煤层。

回采工作面冲击危险性评价及防治技术研究

回采工作面冲击危险性评价及防治技术研究作者：李权，赵西坡，王乐来源：《科技资讯》 2014年第34期李权1 赵西坡2 王乐3（1.山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛 266000；2.山东省兖矿集团南屯煤矿山东邹城 273500；3.山东省淄博市王庄煤矿山东临淄 255400）摘要：唐口煤矿5301工作面采深近千米，在高采深条件下，巷道所处的围岩应力环境大为改变，高应力现象将尤为突出，由此带来的冲击地压等煤岩动力灾害已成为影响矿井安全生产的一大难题。

为防止深井条件下破坏性冲击地压的发生，该文采用综合指数法进行工作面冲击地压危险性评价，利用钻孔卸压和爆破卸压进行冲击地压防治，为5301工作面安全开采提供了保障。

根据对唐口煤矿5301工作面冲击地压危险性评价方法与防治技术的研究，对具有类似条件下的煤层开采，具有相应的借鉴作用。

关键词：冲击地压危险性评价综合指数法防治爆破卸压中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2014)12(a)-0047-01唐口煤矿5301工作面采深为-990m，属深部开采。

在深井重力应力场约束下保存的构造应力场以及采动造成的集中应力已使煤(岩)体产生强烈的破坏，发生严重的、频繁的冲击地压，给矿井的安全和生产带来巨大的影响[1]。

由此，对于深部开采时冲击地压的评价和防治尤为重要，针对该研究现状，该文以唐口矿5301工作面为主要实践点,进行冲击地压的危险性评价和防治技术研究，为该矿类似条件的采区开采提供理论依据和借鉴。

1 工作面概况1.1 工作面基本情况5301工作面地面位于唐营村东北侧，该面井下东侧为南部轨道大巷和南部胶带大巷，皮带顺槽与南部胶带大巷相连；西至井田边界煤柱，南部为未开拓的实碳区，北部距1302采空区40m。

该工作面设计开采煤层为3上煤，煤层平均厚度为4.60m。

顶板为细砂岩、粉砂岩，底板为粉砂岩。

煤层赋存稳定，煤层倾角1～10°，5301工作面揭露情况。

冲击危险性动态预测的震动波CT技术研究

冲击危险性动态预测的震动波CT技术研究窦林名;蔡武;巩思园;韩荣军;刘军【摘要】针对煤矿冲击灾害日益频繁的现状,在应力与纵波波速的试验关系模型基础上,分析了采用纵波波速确定冲击危险的理论基础,建立了冲击危险性动态预测评价的震动波CT探测的技术,构建了震动波CT探测评价冲击危险性技术指标波速异常系数An和波速梯度变化系数VG,并给出了各指标的判别准则,最后开展了现场应用.研究结果表明,对于同一性质的岩体,纵波波速反映了冲击矿压发生的强度条件、能量条件和动载诱冲条件;震动波CT探测技术能够对现场冲击危险性做出动态评价和预测,并能对卸压解危措施的实施和效果进行指导和检验.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)002【总页数】7页(P238-244)【关键词】冲击危险性;纵波波速;震动波CT;波速异常系数;波速梯度变化系数【作者】窦林名;蔡武;巩思园;韩荣军;刘军【作者单位】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;中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221116;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;中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221116;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;中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221116;义马煤业集团股份有限公司,河南义马472300;义马煤业集团股份有限公司,河南义马472300【正文语种】中文【中图分类】TD324随着煤炭开采深度和强度的增大，冲击矿压已成为煤矿普遍的安全问题[1]。

这种工程灾害是煤岩变形破裂动态演化导致的突发性灾害，对其诱发动态过程的监测、有效预警，是防止灾害发生的关键，也是世界性难题，其监测预警研究是迫切需要解决的科技问题。

目前，冲击矿压的监测方法主要包括：微震监测[2-5]、电磁辐射监测[6-7]、声发射监测[8-9]、钻屑量监测[10]、应力监测[11-12]等。

基于地震CT透射技术的工作面冲击危险性探测技术

ｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．６ｓｔｒｅｓｓ－ａｂｎｏｒｍａｌａｒｅａｓｗｅｒｅｐａｒｔｉｔｉｏｎｅｄｂｙｅｘｐｌａｉｎｉｎｇｔｈｅｍａｐｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆａｎａｌｙｚｉｎｇ
地震ＣＴ技术是根据物体外部的非破坏性测量数据（地震波走时或地震波场观测数据），依据一
定的物理和数学关系反演物体内部物理量（波速、慢度、密度或衰减系数）的分布图像。就像在某
基于地震ＣＴ透射技术的工作面冲击危险性探测技术
韩荣军，张寅，陈法兵，
（１．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州２２１１１６；２．义煤集团有限责任公司，河南义马４７２３００；３．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京１０００１３；４．煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京１０００１３）
［摘要］利用地震ＣＴ技术在２５１１０工作面前方２４２ｍ范围内进行地质探测，采用相关软件进
行数据分析，得出了地震波纵波波速反演图像，结合现场地质和开采等条件，对地震波纵波波速反演
图像进行了合理的解释，划分出了６个异常区，并针对不同类型的异常区提出了相应的防治措施。［关键词］地震ＣＴ技术；冲击地压；地震波速；冲击危险区［中图分类号］ＴＤ３２４．２［文献标识码］Ａ［文章编号］１００６ — ６２２５（２０１３）０３ — ０１００ — ０３

基于地震波CT探测的冲击地压危险性评价与防治

基于地震波CT探测的冲击地压危险性评价与防治
门鸿;赵华全;窦桂东;谢非
【期刊名称】《陕西煤炭》
【年(卷),期】2024(43)6
【摘要】为了解决工作面回采过程中存在的冲击危险区域的不确定性和煤岩体内部静载荷分布的模糊性,采用地震波CT探测技术,对回采工作面采取静载荷探测和冲击危险性评估,对冲击危险区域进行了重新确定,并制定了有针对性的卸压方案,提高了工作面回采期间的冲击地压防治效果。

结果表明,小庄煤矿40302工作面回采期间,发现中等危险区域共9处,弱危险区域14处,其他区域为无冲击危险区域。

通过采用地面L型水平井分段压裂技术、煤层大直径卸压钻孔、煤层爆破及顶板预裂爆破技术对冲击危险区域进行卸压,有效降低了工作面回采期间的冲击风险,为工作面安全回采提供了保障。

【总页数】6页(P82-86)
【作者】门鸿;赵华全;窦桂东;谢非
【作者单位】陕西彬长小庄矿业有限公司;煤炭科学研究总院开采研究分院
【正文语种】中文
【中图分类】TD324
【相关文献】
1.基于地震波和电磁波CT联合探测的采掘巷道冲击危险性评价方法
2.基于地震CT探测的小庄矿工作面冲击危险性评价及防治
3.基于震动波CT探测的冲击地压
危险性分析及防治实践4.基于震波CT探测的工作面冲击危险性评价及防治5.基于集中静载荷探测的冲击地压危险性预评价
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

091-基于地音活动规律的冲击危险性评价技术

基于地音活动规律的冲击危险性评价技术任　勇1,2,夏永学1,2,张修峰3(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京　100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京　100013;3.新汶矿业集团华丰煤矿,山东泰安271400)[摘　要]　基于A R E S -5/E 地音监测系统,研究了华丰煤矿1410工作面高能事件发生前地音变化规律,获得了冲击危险性增加或降低时地音的基本活动形式;基于冲击矿压与地音的相关性研究,初步建立了华丰煤矿地音评价冲击矿压的适用性标准。

[关键词]　冲击矿压;地音监测;活动规律;评价标准[中图分类号]T D 324.1 [文献标识码]A [文章编号]1006-6225(2010)06-0090-03E v a l u a t i o nT e c h n o l o g yo f R o c k -b u r s t D a n g e r B a s e do nE a r t hA c o u s t i c D a t aR E NY o n g 1,2,X I AY o n g -x u e 1,2,Z H A N GX i u -f e n g3(1.M i n i n g ＆D e s i g n i n g B r a n c h ,C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ,B e i j i n g 100013,C h i n a ;2.M i n i n g ＆D e s i g n i n g D e p a r t m e n t ,T i a n d i S c i e n c e ＆T e c h n o l o g y C o .,L t d ,B e i j i n g 100013,C h i n a ;3.H u a f e n g C o l l i e r y ,X i n w e nM i n i n g G r o u p ,T a i a n 271400,C h i n a ;)A b s t r a c t :B a s e do n A R E S -5/Em o n i t o r i n g s y s t e m ,t h i s p a p e r a n a l y z e dr u l e o f e a r t ha c o u s t i c v a r i a t i o nb e f o r e h i g h -e n e r g ym a t t e r s o c -c u r r e di n 1410M i n i n g F a c e .B a s i c a c t i v i t y r u l e o f e a r t ha c o u s t i c w h e n r o c k -b u r s t d a n g e r i n c r e a s e d o r r e d u c e d w a s o b t a i n e d .B a s e d o n r e l a t i o n s h i p o f r o c k -b u r s t a n d e a r t ha c o u s t i c ,a s e t o f e a r t ha c o u s t i c s t a n d a r d o f r o c k -b u r s t d a n g e r f o r H u a f e n gC o l l i e r y w a s p r i m a r i l y s e t u p .K e yw o r d s :r o c k -b u r s t ;e a r t h a c o u s t i c m o n i t o r ;a c t i v i t y r u l e ;e v a l u a t i o ns t a n d a r d[收稿日期]2010-07-16[基金项目]国家重点基础研究发展计划(973)项目子课题《深部煤矿动力灾害的综合防治理论与解危方法》(2010C B 226806)[作者简介]任　勇(1978-),男,山西长治人,工程师,从事冲击矿压防治技术研究。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

第33卷增2 岩石力学与工程学报 Vol.33 Supp.2

2014年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2014

收稿日期：2013–05–02；修回日期：2013–07–14 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAK09B01)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB226806)；天地科技青年创新基金项目(KJ–2013–TDKC–14) 作者简介：王书文(1983–)，男，2008年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现任助理研究员，主要从事冲击地压、采矿地球物理等方面的研究工作。E-mail：wangshuwen@tdkcsj.com DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2014.s2.058

基于煤层围岩波速结构探测的工作面冲击危险性预评价技术

王书文1，2，毛德兵1，2，潘俊锋1，2，刘少虹1，2，蓝航1，2 (1. 煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京 100013；2. 天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013)

摘要：为实现回采工作面采前冲击地压危险性预评价，提出围岩波速结构的概念，其3个特征参量为：波速大小、波速梯度、波速异常区最小临巷距等。工作面冲击地压危险程度与煤层围岩的波速大小、波速梯度均呈正相关，与波速异常区最小临巷距呈负相关。建立基于煤层围岩波速结构特征参量的工作面冲击危险性评价模型，确定回采巷道冲击危险等级划分方法。采用地震波运动学理论，研究了煤层震源震动波在“老顶–直接顶–煤层”特殊层状结构中的传播特征，表明可通过回采工作面巷间地震初至波走时CT探测，来获取煤层围岩波速结构，用于分析整个煤岩组合系统的冲击危险性。将研究成果应用于古山煤矿069–2工作面冲击危险性预评价，评价结论以二维图像形式展现强烈冲击地压发生后的危险性分布状态，可用于指导针对性防冲措施的制订与实施。关键词：采矿工程；冲击地压；波速结构；危险等级；地震波CT；初至波类型中图分类号：TD 32 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2014)增2–3847–09

ROCKBURST HAZARD PRE-EVALUATION TECHNOLOGY BASED ON WAVE VELOCITY STRUCTURE DETECTION OF COAL BED SURROUNDING ROCK

WANG Shuwen1，2，MAO Debing1，2，PAN Junfeng1，2，LIU Shaohong1，2，LANhang1，2 (1. Coal Mining and Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China； 2. Department of Mining and Designing，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：In order to achieve rockburst hazard pre-evaluation of working face，the concept of coal bed surrounding rock wave velocity structure is proposed，and its characteristic parameters are velocity size，velocity gradient，smallest distance of velocity anomalies to roadways，which are closely related to rockburst hazard. The rockburst hazard evaluation model based on characteristic parameters is constructed，and the classification method of rockburst hazard rating is determined. By kinetic theory of seismic waves，scoal source wave propagation characteristics in the special layered structure of roof-direct roof-coal seam are analyzed，indicating that velocity structure can be got by seismic first break travel-time CT technology. The research results were applied to working face 069–2 at Gushan coal mine. Practice shows that the evaluation results can be used for the formulation and implementation of protection measures. Key words：mining engineering；rock burst；wave velocity structure；risk rating；seismic CT；first break type • 3848 • 岩石力学与工程学报 2014年 1 引言近年来，我国煤矿冲击地压灾害日益严重，造成巨大财产损失和人员伤亡。冲击地压防治实践表明，全面、准确的冲击地压危险性评价是进行冲击地压灾害针对性防治的基础[1-3]。目前，根据应用阶段的不同，工作面冲击危险性评价可分别为2类：(1) 采前或开采过程中阶段性预评价；(2) 开采过程中的实时评价。以在线监测设备为主要手段的电磁辐射法[4]、采动应力监测法[5]、微震法[5-6]、地音法等，一般用于开采过程中的实时评价。在预评价领域，模拟法一般无法考量对工作面冲击地压有显著影响的未知构造(如小断层)，模拟结果只能反映宏观规律。多参量综合评价法(综合指数法[3]、神经网络法[7]、数量化理论法[8]、突变级数法[9]等)需人为确定煤岩应力影响因素及其权重，受人为影响较大。且最终结论为工作面的总体危险等级，无法指导针对性防治。钻屑法主要检测巷道近区围岩，取样范围有限，无法反应工作面深部煤岩冲击危险性。施工质量受工人操作水平影响显著。遇水或夹矸时，施工难度大，钻屑量准确度降低。已有研究表明，利用获取的岩体波速分布情况可用于分析天然地震及矿震的发生规律，且一般认为，高波速区表征了应力集中区，震源则多集中在高波速区和波速剧烈变化区[10-15]。但多数研究仅从波速相对大小定性的判断应力集中区或震动发生的可能性，而针对煤矿回采工作面巷道发生冲击破坏的可能性与煤岩层波速分布的定量关系鲜有研究。针对回采工作面冲击危险性预评价存在的问题，本文提出围岩波速结构的概念，研究得出获取围岩波速结构的技术方法，揭示了围岩波速结构与冲击危险性的相关性及其表征方式等，形成了基于煤层围岩波速结构探测的工作面冲击危险性预评价技术，实践表明该技术评价效率和实用性较好。 2 围岩波速结构及其与冲击危险性的相关性本文提出的围岩波速结构是指平行于层理面的二维波速分布结构，具有三方面特征：(1) 波速大小；(2) 波速梯度；(3) 波速异常区最小临巷距。波速异常是指某区域内的波速大小或梯度分布出现异常。最小临巷距是指波速异常区至采掘巷道的最短距离。 2.1 波速大小与冲击危险性相关性实验室煤岩样加载试验表明，煤岩波速大小与加载大小表现出良好的正相关性[15-16]。同时，煤矿冲击地压统计表明，工作面支承压力、残留煤柱、褶曲等因素导致的应力集中区是冲击地压发生的主要区域[3]。因此，对同一性质的岩石来说，震动波

波速越高，表明其承受的静载荷水平越高，冲击危险性就越高。工作面覆岩的断裂、滑移将产生远场动载荷，其将以应力波的形式向周围传播，传播路径上的动应力、质点速度和波速之间的关系，可根据动量守恒定律导出：

PPvV (1)

SSvV (2)

式中： 为纵波作用产生的正应力；为横波作用产生的剪应力；为介质密度；vP，vS分别为纵波和横

波引起的质点震动速度；VP，VS分别为煤岩体纵波

和横波波速。由式(1)和(2)可知，震动波波速高的煤岩体受远场动载荷影响而产生的动应力更大，与初始静载荷叠加后，最终发生冲击地压的可能性也就越大。 2.2 波速梯度与冲击危险性相关性天然、矿山地震发生规律均表明，高波速梯度区为震源集中区之一[11-14]。在煤矿，受地质构造及开采条件影响，工作面不同区域煤岩层的结构或应力分布往往具有较大的差异性。在结构或应力剧烈变化区，均将表现出高波速梯度特征。相对于均波速区，高波速梯度区煤岩层将更易发生冲击破坏，且梯度越大，发生冲击破坏的可能性越大。 2.3 波速异常区最小临巷距与冲击危险性的相关性如图1所示，受地质及开采因素影响，工作面范围内存在数量众多的波速异常区Ai，其成因、范

围、能量积聚水平等方面具有一定差异性。在采掘巷道支承压力影响范围，主要表现为波速大小异常；而在结构剧变区(裂隙密度、煤层厚度等剧烈变化)，则表现为波速梯度异常。在一定条件下，以上波速异常区均可成为动力破坏潜在启动位置，但并非所有异常区煤岩破坏都将造成巷道冲击地压显现。动力破坏区与邻近采掘巷道之间的煤岩体将使冲击能量产生耗散，显然，波速异常区距离邻近巷道ri越

近，造成冲击显现的可能性越大。