D0I:10.13374/i.iss1001-053x.2013.01.007 第35卷第1期 北京科技大学学报 Vol.35 No.1 2013年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2013 冲击危险性及其实时预警云图技术 王进强12，姜福兴1,2)，吕文生12)，曲效成2，杜建华12) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室.北京1000832)北京科技大学土木与环境工程学院.北京100083 三三通信作者.E-mail:wangiq@ustb.en.cn 摘要采用抛物线型隶属函数分别建立了基于应力值和应力变化速度的冲击危险性指数计算公式，利用最大隶属度原 则计算多因素冲击危险性指数，使用云图的方式全面、直观地反映工作面支承压力及冲击危险性的空间分布规律，最终 建立了基于云图的冲击危险性预警系统.该系统已在全国20多个具有冲击危险性的煤矿得到应用，并取得良好的效果， 关键词冲击地压；危险性评价：实时系统：监测 分类号TD324 Rock burst risk and its real-time warning cloud picture technique WANG Jin-giang 2)2,JIANG Fu-ring12),LU Wen-sheng 12),QU Xiao-cheng12).DU Jian-hua12) 1)State Key Laboratory for High-efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education).University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:wangjqoustb.edu.cn ABSTRACT Two rock burst risk index functions were built based on stress and stress change rate respectively by using a parabolic membership function model.The burst risk index with multiple factors was calculated under the maximum membership degree principle.The spatial distributions of bearing pressure and burst risk of the working face were demonstrated comprehensively and directly by cloud pictures.Finally a cloud-based risk early warning system was obtained.This system had been applied in more than 20 coal mines with risk bursts and achieved good results. KEY WORDS rock bursts:risk assessment;real time systems;monitoring 地震台采用的钻孔应变仪1-？可同时进行高精 据的空间分析，不能得到监测区域整体应力分布规 度应力监测和地震波监测，由于安装环境，技术要 律及冲击危险性分布规律 求、价格等原因使该设备不适于井下工作面日常应 随着煤矿开采深度的增加，煤岩性质及应力状 力监测.基于应力解除法的原岩应力测量技术③可 态发生显著变化，冲击地压、矿震等动力灾害对矿 以准确测量原岩的三向应力状态，但不适于工作面 区安全生产造成的危害日益严重8-乳，因此，研制能 应力状态的连续实时监测.钻孔应力计作为一种可 够实时在线采集与处理数据的钻孔应力监测系统， 以直接反映岩体内应力变化规律的监测技术，在预探索基于监测数据的冲击危险性定量计算公式及预 防冲击地压的生产实践中得到广泛应用4-刃.由于 警判据，研究直接反映监测区域应力分布规律及冲 监测预警理论和监测系统软硬件条件的限制，常规 击危险性分布规律的展示及分析技术，进而实现冲 钻孔应力监测系统主要通过人工读数或间断传输的 击地压实时预警具有重要意义. 方式进行监测，没能实现实时在线监测：预警方式 主要通过人工分析应力变化的规律，依据应力最大 1冲击地压实时监测系统原理及构成 值或变化趋势进行预警，没有明确的冲击危险性计 冲击地压在孕育及突发过程中通常伴随着应 算公式及预警判据，也没有进行多个应力监测点数 力集中和应力突变，通过煤岩体应力动态的有效观 收稿日期：2011-11-01 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2010CB226803):“十一五”国家科技支排计划资助项目(2007BAK24B04):国家 自然科学基金资助项目(51174016)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 冲击危险性及其实时预警云图技术 王进 强 `, 户习, 姜福 兴喇 , 吕文生 `, , 曲效成 `, , 杜 建华叫 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室、北京 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 乙 通信作者 , 一, 、、 川、 、,尤, , 摘 要 采用抛物线型隶属函数分别建立了基于应力值和应力变化速度的冲击危险性指数计算公式, 利用最大隶属度原 则计算多因素冲击危险性指数, 使用云 图的方式全面 、直观地反映工作面支承压力及冲击危险性的空间分布规律, 最终 建立 了基 于云 图的冲 击危 险性预警 系统 该 系统 己在全 国 多个具有 冲击 危险 性 的煤矿 得到应 用 , 并取得 良好 的效果 关键词 冲击地压 危险性评价 实时系统 监测 分 类号 一 洲 万` 六 一 够 浏 蒯 刃` 凡一 。。`、 , 五右麟 一人 、 `, 爪 。一。人 。`·, 刀 五 一人。。 , · · 一 入 卜 说 , 、、 ,飞 , 于 飞 , , , 、 肠 , 劝 , 困 沧 ￡ 一 一 〔 一 , 印 一 一 一 、 一 地震台采用的钻孔应变仪 `一 可同时进行高精 度应力监测和地震波监测, 由于安装环境 、技术要 求 、价格等原因使该设备不适于井下工作面 日常应 力监测 基于应力解除法的原岩应力测量技术 可 以准确测量原岩的三向应力状态 , 但不适于工作面 应力状态的连续实时监测 钻孔应力计作为一种可 以直接反映岩体 内应力变化规律的监测技术, 在预 防冲击地压的生产 实践中得到广泛应用 “一 由于 监测预警理论和监测系统软硬件条件的限制, 常规 钻孔应力监测系统主要通过人工读数或间断传输的 方式进行监测 , 没能实现实时在线监测 预警方式 主要通过人工分析应力变化的规律, 依据应力最大 值或变化趋势进行预警, 没有明确的冲击危险性计 算公式及预警判据 , 也没有进行多个应力监测点数 据的空间分析, 不能得到监测区域整体应力分布规 律及冲击危险性分布规律 随着煤矿开采深度 的增加, 煤岩性质及应力状 态发生显著变化 , 冲击地压 、矿震等动力灾害对矿 区安全生产造成 的危害 日益严重 “一” 因此, 研制能 够实时在线采集与处理数据的钻孔应力监测系统, 探索基于监测数据的冲击危险性定量计算公式及预 警判据 , 研究直接反映监测区域应力分布规律及冲 击危险性分布规律的展示及分析技术 , 进而实现冲 击地压实时预警具有重要意义 冲击地 压 实时 监测 系统 原理 及构 成 冲击 地压在孕育及 突发过程 中通常伴随着应 力集中和应力突变 , 通过煤岩体应力动态的有效观 收稿 日期 一 书 基金项 目 国家重点基础研究发展计划资助项 目 “十一五” 国家科技支撑计划资助项 目 国家 自然科学基金资助项 目 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.01.007
.22 北京科技大学学报 第35卷 测，结合工作面地质条件、采矿工程进度及矿山压 地压实时监测系统为主，以钻屑法、微震监测法、电 力理论，分析工作面矿山压力变化规律，是冲击地 磁辐射法14等其他监测方法为辅的综合监测体系， 压预警的有效途径10 实现高精度、高可靠性、远程和实时的监测预警.该 由于钻屑法的单位孔深排粉量和钻进过程中 系统是一套网络化、分布式处理系统，任何一台接 的动力效应可以综合反映煤岩的物理力学特性和钻 入网络的终端经过认证后均可实时访问监测数据， 孔附近应力状态，使其成为鉴别冲击地压危险程度 并接受报警信息，系统原理如图1所示，监测状态 的有效方法，并得到广泛应用1-13；但该方法存 Web查询窗口如图2所示，该查询窗口可以查询任 在需要人工现场操作、工作强度大、施工具有危险 意时刻的传感器状态、监测数据直方图及云图等. 性、结果受人为因素影响大、不能进行空间和时间 2基于应力动态监测的冲击危险性 上的连续监测等缺点 工作面冲击地压危险性受多种因素影响，冲击 地压的触发机理也有多种理论0,15-16，本文主要 研究基于应力动态实时监测的冲击危险性问题 数据处理服务器 地终端 2.1基于相对应力值的冲击危险性 远程终端 应力集中和应力突变是触发冲击地压的根本 井上交换机 原因.按照冲击地压的强度理论，只有当煤岩体的 防火墙 应力达到或超过其强度极限后，才可能产生岩体破 坏，进而触发冲击地压.由于冲击地压机理的复杂 井下数据采集机 性，单独基于钻孔应力计所检测到的围岩相对应力 井下交换机 难于直接判断冲击危险性，而钻屑法用于冲击地压 钻孔压力计 预测是行之有效的方法.本系统计算及设置预警值 主要基于通过现场实测及理论分析得出的被监测工 图1冲击地压在线监测系统原理图 作面极限钻屑量与围岩应力的对应关系.山东某煤 Fig.1 Schematic illustration of an on-line monitoring sys 矿工作面冲击地压应力阈值设置如图3所示，通 tem for rock bursts 过图形可以得到一定钻孔深度下对应的参考应力阈 值.同时还要考虑煤岩体强度、应力计参数、相似工 程数据、安全系数等因素.在常规监测范围内，影响 阙值的主要因素是钻孔深度，通常测点位置越深围 压越大，岩石抗压强度越大，应力阈值也越大.另 外，监测过程中，阈值需要依据实测的钻屑量及动 压显现特征进行动态调整 实测曲线 =036T+.9 计算曲线 正常区 D=3.33r 正常区 黄色预警区 黄色预警区 hululLwm 05a390m40m435m440m5m510m55m560m685m 红色预报区 红色预报区 图2监测信息的web查询 Fig.2 Web query of monitoring information 605040302010 24681012 采用新型钻孔应力计监测煤岩内部相对应力 最大应力/MPa 钻屑量/(Lm) 状态以及最新通信、网络及计算技术构成完整的数 图3冲击地压预警指标的确定1 据采集、传输、处理及预警系统；在预警参数设置 Fig.3 Determination of warning indices for rock bursts 时，参照基于现场工程试验及理论研究得出的钻屑 量与围岩应力对应关系，形成基于钻屑法的冲击地 大量岩石实验证明，岩石抗压强度峰值前典型 压实时预警系统，在具体的工程实施中形成以冲击 应力-应变曲线分为三个阶段（如图4所示），分别为
北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 测, 结合工作面地质条件 、采矿工程进度及矿山压 力理论, 分析工作面矿 山压力变化规律, 是冲击地 压预警的有效途径 ` 由于钻屑法 的单位孔深排粉 量和 钻进过 程中 的动力效应可 以综合反映煤岩的物理力学特性和钻 孔附近应力状态 , 使其成为鉴别冲击地压危险程度 的有效方法 , 并得到广泛应用 `一` 但该方法存 在需要人工现场操作 、工作强度大 、施工具有危险 性 、结果受人为因素影响大 、不能进行空 间和时间 上的连续监测等缺 点 地压实时监测系统为主, 以钻屑法 、微震监测法 、电 磁辐射法 等其他监测方法为辅的综合监测体系, 实现高精度 、高可靠性 、远程和实时的监测预警 该 系统是一套网络化 、分布式处理系统 , 任何一台接 入网络的终端经过认证后均可实时访 问监测数据, 并接受报警信息, 系统原理如图 所示 监测状态 叭飞 查询窗 口如图 所示, 该查询窗 口可以查询任 意时刻 的传感器状态 、监测数据直方图及云图等 数据处理 远程终端 井 卜交换机 井下数据采集机 井下交换机 孔压力计 图 冲击地压在线监测系统原理图 卜 了 终 护 , 甲 一 、 弓 弓母 , 河 甲 , ` 吧 口 封… 闷 , 分 二 绍… , 月侧 ` 曰二 峨 … , 务, , , 匕 于 带 补` 一也 卑 , , 眺 二 , , 鱼 吞 军 、 」 ` 弓, 甲井 ` 争 , 弓, … 肖二 一, 已 一 号协 一 , 甲幽 一 为, 心 呻咨翻 哟协瓜 呢呀二 、 华咬 口 石甲口 、 , 一 , , 翻 一 心, 几 一 电甲哪 一 气早二 币呀已 母 呀祖 ` 二 , 招 一 自 一喃 基于应 力动态监测的冲击危险性 工作面冲击地压危险性受多种因素影响, 冲击 地压的触发机理也有多种理论 '。, ' 一' , 本文主要 研究基于应力动态实时监测的冲击危险性 问题 基于相对应 力值的冲击危 险性 应 力集中和应力突变 是触 发冲击 地压的根本 原因 按照冲击地压 的强度理论 , 只有 当煤岩体的 应力达到或超过其强度极 限后, 才可能产生岩体破 坏 , 进而触发冲击地压 由于冲击地压机理的复杂 性 , 单独基于钻孔应力计所检测到的围岩相对应力 难于直接判断冲击危险性 , 而钻屑法用于冲击地压 预测是行之有效的方法 本系统计算及设置预警值 主要基于通过现场实测及理论分析得 出的被监测工 作面极 限钻屑量与围岩应力 的对应关系 山东某煤 矿工作面冲击地压应力阐值 设置如 图 所示, 通 过图形可以得到一定钻孔深度下对应的参考应力阑 值 同时还要考虑煤岩体强度 、应力计参数 、相似工 程数据 、安全系数等因素 在常规监测范围内, 影响 闭值的主要因素是钻孔深度, 通常测点位置越深围 压越大 , 岩石抗压强度越大 , 应力闲值也越大 另 外 , 监测过程中, 阑值需要依据 实测的钻屑量及动 压显现特征进行动态调整 ﹃。﹃一 实测曲线 吐尸日冲氏 一乡、 一` 到二坦 丝卫坦 』卫卫 狡 员皿封 里 妇袅塑互迪理 司 丘址 乓吕皿卿 朋 吞川 图 监测信息的 、崛 查询 从 飞 采用新型钻孔应 力计监测煤岩 内部相对应力 状态 以及最新通信 、网络及计算技术构成完整的数 据采集 、传输 、处理及预警系统 在预警参数设置 时, 参照基于现场工程试验及理论研究得出的钻屑 量与围岩应力对应关系 , 形成基于钻屑法的冲击地 压实时预警系统 , 在具体 的工程实施中形成 以冲击 图 冲击地压预警指标的确定 大量岩石实验证明, 岩石抗压强度峰值前典型 应力一应变曲线分为三个阶段 如图 所示 , 分别为
第1期 王进强等：冲击危险性及其实时预警云图技术 23· 孔隙压密阶段(OA段)、线弹性变形阶段(AB段) 式中：t为应力变化速度，t1和t2为起始时间与终 和非稳定破裂发展阶段(BC段).在BC段微破裂 止时间，P和P2为对应于t1和t2的应力值，t1和 的发展出现质的变化，应力增加会导致应变迅速增 t2之间的时间段称为长时窗W,为降低历史数据 大，并导致试样破裂.基于冲击地压的强度理论，煤 波动性给计算结果造成的影响，取以1为中心的 岩体的冲击危险性随着应力增加而增大，在接近强 短时窗W内采样值的均值作为时刻t1的应力值， 度极限值时急速增大，也即煤岩体的冲击危险性适 即 宜采用戒下型抛物线隶属函数唯象地描述，具体计 /m,P≥0 (3) 算公式如下式所示，隶属函数曲线如图5所示 1=l11 2 ,0≤P<kPh; 式中，条件P≥0指滤掉不合理的负数采样值，n 4(P)= kPR (1) 1,P≥kPR 指满足条件的采样值个数.短时窗长度的选取应考 虑系统的采样频率、数据的波动性等因素，通常短 式中，4(P)为基于相对应力值的冲击危险性系 时窗为长时窗W:的1/10左右，对于波动剧烈的信 数，P为实测相对应力值，为应力的阈值，k 号源可适当增加短时窗长度 为安全系数 实时应力曲线 2 0 应力 时刻/s 图4抗压强度峰值前岩石的应力-应变曲线 图6应力变化速度计算示意图 Fig.4 Stress-strain curve of the rock before reaching the Fig.6 Schematic diagram of calculating the stress change peak value of compressive strength rate 为提高系统的敏感性，P的取值不采用短时 1.0 窗均值的方法，直接采用当前采样值.在信噪比小 的系统中也可采用短时窗加权平均的方法计算应力 值，给较近的采样值以较大权重系数，在计算结果 0.5 的稳定性和敏感性之间取得平衡. 长时窗宽度的选取应考虑工作面推进速度、老 顶的周期来压步距、应力变化的剧烈程度、采样频 应力→ 率等因素，通常取长时窗为1h,应力变化速度的 图5冲击地压危险性隶属函数曲线 单位为MPah-1. Fig.5 Membership function curve of rock burst risk (2)应力变化速度阙值的设置.定义测点应力变 2.2基于应力变化速度的冲击危险性 化速度与应力阙值的比值为应力变化指数，反映应 基于应力的冲击危险性反映应力的静态特征， 力的相对变化速度，即 而应力的变化速度反映应力的动态特征，应力突变 是诱发煤岩体失稳破坏的重要因素，对冲击地压预 (4) 警预测具有重要意义. (1)应力变化速度计算.由于实时监测数据的波 式中，r,为应力变化指数 动性，采用一段时间内应力变化的平均速度为应力 因各测点应力阈值不同，变化速度阙值也不相 变化速度，计算公式如下式所示，计算过程如图6 同，但各测点应力变化指数阈值基本一致，应力变 所示. 化速度阈值可表示为 4=B-乃 t2-t1 (2) VR =TR PR. (5)
第 期 王进强等 冲击危险性及其实时预警云图技术 孔 隙压密阶段 段 、 线弹性变形阶段 段 和非稳定破裂 发展阶段 段 在 段微破裂 的发展出现质的变化 , 应力增加会导致应变迅速增 大 , 并导致试样破裂 基于冲击地压的强度理论, 煤 岩体的冲击危险性 随着应力增加而增大, 在接近强 度极限值 时急速增大 , 也即煤岩体的冲击危险性适 宜采用戒下型抛物线隶属 函数唯象地描述, 具体计 算公式如下式所示 , 隶属函数 曲线如图 所示 式中 , 为应力变化速度, 和 为起始 时间与终 止时间, 和 几 为对应于 , 和 的应力值 , 和 之间的时间段称为长时窗 为降低历史数据 波动性给计算结果造成的影 响, 取以 为中心 的 短时窗 内采样值的均值作为时刻 艺 的应力值 , 即 。一爹` 一只一 , 朔,一脚, 无几,。··只· 式 中, 川 为基于相对应 力值 的冲击 危险性系 数 , 只 为实测相 对应力值 , 践 为应 力的闭值 , 人 为安全系数 式 中, 条件 指滤掉不合理的负数采样值 , 指满足条件 的采样值个数 短时窗长度的选取应考 虑系统 的采样频率 、数据的波动性等因素, 通常短 时窗为长时窗 哄 的 左右, 对于波动剧烈的信 号源可适当增加短 时窗长度 沪 晰 只侧运月 圳 侧 应力 图 抗压强度峰值前岩石的应力一应变曲线 一 图 时刻 应力变化速度计算示意图 为提高系统的敏感性 , 几 的取值不采用短时 窗均值 的方法, 直接采用 当前采样值 在信噪比小 的系统中也可采用短时窗加权平均 的方法计算应力 值, 给较近的采样值 以较大权重系数, 在计算结果 的稳定性和敏感性之间取得平衡 长时窗宽度 的选取应考虑工作面推进速度 、老 顶的周期来压步距 、应力变化 的剧烈程度 、采样频 率等因素, 通常取长时窗为 , 应力变化速度 的 单位为 一` 应力变化速度阐值的设置 定义测点应力变 化速度与应力阑值的比值为应力变化指数, 反映应 力的相对变化速度 , 即 勺工 担嫂扫望全, 匕 `匕二一 一 — 一 一— 一 ,— 一一一 应力 图 冲击地压危险性隶属函数曲线 基于应 力变化速度的冲击危险性 基于应力 的冲击危险性反映应力 的静态特征 , 而应 力的变化速度反映应力的动态特征 , 应力突变 是诱发煤岩体失稳破坏的重要因素 , 对冲击地压预 警预测具有重要意义 应力变化速度计算 由于实时监测数据的波 动性 , 采用一段时间内应力变化的平均速度为应力 变化速度, 计算公式如下式所示 , 计算过程如图 所 示 刃 ` 二耳 式中, 。为应力变化指数 因各测点应力阑值 不同, 变化速度阐值也不相 同, 但各测点应力变化指数闽值基本一致 , 应力变 化速度闽值可表示为 几 一 — 艺 一 帐 几
.24 北京科技大学学报 第35卷 式中，？为应力变化速度阙值，为应力变化指 地显示出应力大小及空间分布特征.其中第1组23 数阙值.之所以采用应力变化速度和应力变化指数 号传感器，埋深8m,实测相对应力13.1MPa,达 两个概念是因为应力变化速度物理含义更直观，而 到红色预警值I2MPa,由于云图的红色特征值设 应力变化指数的阈值设置更方便 为15，所以在应力云图上只显示为橙色，而非红色 基于应力变化速度的煤岩体冲击危险性指数 在图8所示的冲击危险性云图上，同样位置明显显 也采用戒下型抛物线隶属函数，计算公式为 示为红色，表明该区域为冲击危险区.另外，在距 顺槽煤壁8~10m位置有一浅黄色色带，表明这一 0,W<0: )2 区域是监测重点，而这一现象在应力云图上根本没 (VE)= KTRPR ,0≤M<KTR PR; (6) 有显现 l,W≥kTR PR. 轨道巷应力云图 20 15 2.3 多因素冲击危险性 由于应力及应力变化速度均可触发系统预警， 在计算多因素构成的冲击危险性系数时需重点关注 56 最危险的因素，并赋以最高的权重，即采用最大隶 组编号 属度优先原则计算多因素冲击危险性指数，计算公 图7轨道巷应力云图 式为 Fig.7 Cloud picture of stress in the track lane 4(P,V)=(P)Uμ(V) (7) 轨道巷冲击危险性云图 2 2.4预警云图 16 冲击危险区 云图通过不同的色彩反映参数（如应力）的空 间分布状态，如红色表示高应力区，蓝色表示低应 3 456 78 力区.经过插值计算后的云图比原来的散点数据能 组编号 更全面的表现数据的区域特性，具有直观、形象、 图8轨道巷冲击危险性云图 空间分布连续、反映信息全面及使用方便的特点 Fig.8 Cloud picture of rock:burst risk in the track lane 将钻孔应力计沿工作面顺槽规则布设，形成一 个监测面，依据监测数据及测点的空间坐标，经数3应用实例 据插值、等值线绘制、色彩映射、色彩填充等步骤 山东某煤矿3305工作面采深平均为950m,煤 形成各种专题云图，包括应力云图、应力变化速度 层具强冲击倾向性，顶、底板坚硬、厚大，工作面内 云图、冲击危险性云图等.应力云图是最基本的云 断层发育，工作面综合评价为中等冲击危险性.实 图形式，通过云图全面反映被检测区域应力场的状 施以冲击地压实时监测预警系统为主，以钻屑法和 态及应力集中情况 电磁辐射法为辅的监测预警系统.分别在上下顺槽 由于各测点的应力阈值不同，通过应力云图无 内安装钻孔应力计，从距切眼20m位置开始，上 法直接反映测区冲击危险性分布，甚至造成低阈值 下顺槽分别布设10组应力计，组间距25m,每组 测点漏报或高闽值测点误报的错误.尤其对于浅孔布设2个应力计，埋深分别为8m和14m. 测点，因距离煤壁较近，强度较小，而且有可能处 依据现场实测和理论分析，8测点的应力红、 于超前支承压力的峰值区，其应力指标对于冲击地 黄预警值分别设为10MPa和12MPa,14m测点 压预测具有重要意义，但因其应力阈值通常小于深 的应力红、黄预警值分别设为l3MPa和15MPa 部钻孔阈值，即使其应力已经达到或超过预警值，应力变化指数的红、黄预警值分别设为0.2和0.15. 只要没有达到云图的红色阈值，在应力云图上仍然 通道状态采用应力和变化指数双指标预警机制，预 显示为安全颜色，从而造成漏报.冲击危险性云图 警模型如下： 直接反映被测区域冲击危险性分布，更适于进行工 红，P≥PRUTy≥TR 作面危险性区域分析及用于指导卸压设计， 通道状态= 黄，PY≤P<PRUry≤r<rR: 图7和图8分别为山东某煤矿3305工作面切 绿，P<ynr<rY. 眼距离37m时，同一采样时间的轨道巷应力云图 (8) 和冲击危险性云图.在图7所示应力云图上，清楚 式中，P为应力黄色预警值，Y为应力变化指数
北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 式 中, 妹 为应 力变化速度闽值 , 为应力变化指 数 阑值 之所 以采用应力变化速度和应力变化指数 两个概念是因为应力变化速度物理含义更直观, 而 应力变化指数 的阑值设置更方便 基 于应 力变化速度的煤岩体冲击危 险性指数 也采用戒下型抛物线隶属函数 , 计算公式为 , ` ,认 。、 认 、 “ 拜 城少之 亏 — 二一 , 娇 人 长 又匕少 凡 饰 ,从 珠 · 地显示出应力大小及空间分布特征 其中第 组 号传感器, 埋深 , 实测相对应力 , 达 到红色预警值 , 由于云 图的红色特征值设 为 , 所以在应力云图上只显示为橙色, 而非红色 在 图 所示的冲击危险性云图上 , 同样位置明显显 示为红色, 表明该区域 为冲击 危险区 另外, 在距 顺槽煤壁 、 位置有一浅黄色色带, 表明这一 区域是监测重点, 而这一现象在应力云图上根本没 有显现 轨道 巷应 力云图 多因素冲击危险性 由于应力及应力变化速度均可触发系统预警 , 在计算多因素构成的冲击危险性系数时需重点关注 最危险的因素, 并赋以最高的权重, 即采用最大隶 属度优先原则计算多因素冲击危险性指数 , 计算公 式为 ` ,认 拜 口, 巧 预警云图 云图通过不 同的色彩反映参数 如应力 的空 间分布状态, 如红色表示高应力区, 蓝色表示低应 力区 经过插值计算后 的云图比原来的散点数据能 更全面 的表现数据 的区域特性 , 具有直观 、 形象 、 空间分布连续 、反映信息全面及使用方便的特点 将钻孔应力计沿工作面顺槽规则布设 , 形成一 个监测面 , 依据监测数据及测点的空间坐标, 经数 据插值 、等值线绘制 、色彩映射 、色彩填充等步骤 形成各种专题云 图, 包括应力云图 、应力变化速度 云图 、冲击危险性云图等 应力云图是最基本 的云 图形式, 通过云图全面反映被检测区域应力场 的状 态及应力集中情况 由于各测点的应力闭值不同, 通过应力云图无 法直接反映测区冲击危险性分布 , 甚至造成低 闽值 侧点漏报或高闭值测点误报 的错误 尤其对于浅孔 测点 , 因距离煤壁较近 , 强度较小, 而且有可能处 于超前支承压力的峰值区, 其应力指标对于冲击地 压预测具有重要意义 , 但因其应力闭值通常小于深 部钻孔阂值 , 即使其应 力己经达到或超过预警值, 只要没有达到云图的红色闽值 , 在应力云图上仍然 显示为安全颜色 , 从而造成漏报 冲击危险性云图 直接反映被测区域冲击危险性分布 , 更适于进行工 作面危险性区域分析及用于指导卸压设计 图 和图 分别为 山东某煤矿 工作面切 眼距离 时, 同一采样 时间的轨道巷应 力云图 和冲击危 险性云图 在图 所示应力云图上 , 清楚 组编号 图 轨道巷应 力云图 一 玉 轨道巷冲击危险性石图 迷剩 红编 号 图 轨道巷冲击危险性云图 , 一 应用 实例 山东某煤矿 工作面采深平均为 , 煤 层具强冲击倾向性 , 顶 、底板坚硬 、厚大 , 工作面内 断层发育, 工作面综合评价为 中等冲击危险性 实 施以冲击地压实时监测预警系统为主, 以钻屑法和 电磁辐射法为辅的监测预警系统 分别在上下顺槽 内安装钻孔应力计, 从距切 眼 位 置开始 , 上 下顺槽分别布设 组应 力计 , 组间距 , , 每组 布设 个应力计, 埋深分别为 , 和 , 依据现场实测和理论分析 , , 测点的应力红 、 黄预警值分别设为 和 , 测点 的应力红 、黄预警值分别设为 和 应力变化指数的红 、黄预警值分别设为 和 通道状态采用应力和变化指数双指标预警机制, 预 警模型如下 , 八, , 了孙 蕊只 蕊 。 , 只 了匆 自几, 红黄绿 ,、、 一 一 通 道状态 式中, 场 为应力黄色预警值 , 为应力变化指数
第1期 王进强等：冲击危险性及其实时预警云图技术 .25· 黄色预警值. observation.Recent Dev World Seismol,2004,301(1):7 在回采过程中，实时监测预警系统在老顶初次 (邱泽华，谢富仁，苏恺之，等.发展钻孔应变观测的战略 来压、工作面见方、过断层带、大规模周期来压等 构想.国际地震动态，2004,301(1)：7) 关键节点均发出可靠预报，在冲击危险性云图的指 [2]Qiu Z H,Kan B X,Tang L.Conversion and application 导下，及时采取大直径卸压钻孔等卸压措施，并通 of 4-component borehole strain meter data.Earthquake 过监测系统及时反馈卸压效果，实现了“有震无灾 2009,29(4:83 (邱泽华，阚宝祥.唐磊.四分量钻孔应变观测资料的换算 的控制目标，保证了回采作业安全 和使用.地震，2009,29(4)：83) 图9为监测过程中典型的应力变化曲线.随着 [3]Cai M F,Liu W D,Li Y.In-situ stress measurement at 工作面的推进，钻孔应力不断变化，当钻孔应力值 deep position of linglong gold mine and distribution law of 达到设定阈值或应力变化指数达到设定阈值时，系 in-situ stress field in mine area.Chin J Rock Mech Eng, 统以图像、声音等形式进行报警，现场依据云图反 2010,29(2:227 映的冲击危险区位置及程度采取卸压措施，图中还 (蔡美峰，刘卫东，李远.玲珑金矿深部地应力测量及矿 清晰地反映了卸压后应力下降的情形 区地应力场分布规律.岩石力学与工程学报，2010,29(2)： 227) N [4]Wang Y D,Yu L J,Jin S D,et al.Application of borehole 5 stress tester monitoring in the prevention and control of 14 pressure bumps.China Coal,2009,35(6):55 (王英德，于立军，金思德，等南屯矿钢铉钻孔应力计监 10 预警点 测在冲击地压防治中的应用.中国煤炭，2009,35(6)：55) 6 [5]Yu Z X,Jiang F X,Wang L F.Experiment to improve 卸压后 accuracy of borehole stressmeter to monitor and measure coal and rock stress.Coal Sci Technol,2010,38(11):53 (于正兴，姜福兴，王洛锋.提高钻孔应力计监测煤岩应力 14:50:6020:37:2110:09:311606:5421:59:2203:46:22 的精度试验.煤炭科学技术，2010,38(11)：53) 2010-02-072010-02-07201002-082010-02-082010-02-082010-02-00 时刻 [6]Rong T,Hu C H,LiZ H.In-situ monitoring on the stabil- 图9钻孔应力曲线图 ity of roadway group under mining.Nonferrous Met Min Sect,2009,61(4:37 Fig.9 Curve of borehole stress (我涛，胡春红，李振华.采动作用下巷道群稳定性的现场 监测研究.有色金属：矿山部分.2009,61(4：37) 4结论 [7]Fu D B,Qi Q X,Qin H T,et al.Design for mining stress (1)冲击地压实时监测预警系统对揭示工作面 monitoring system.Coal Min Technol,2009,14(6):13 支承压力分布及其变化规律，进行冲击地压预警、 (付东波，齐庆新，拳海涛，等.采动应力监测系统的设计， 预报具有重要意义. 煤矿开采，2009,14(6)：13) (2)抛物线型隶属函数及隶属度最大准则适用 (8]Jiang F X,Qu X C,Yu Z X,et al.Real time monitoring 于冲击危险性指数计算，反映了冲击危险性评价的 and measuring early warning technology and development of mine pressure bumping.Coal Sci Technol,2011.39(2): 本质特性 59 (3)通过应力变化速度指标反映应力变化剧烈 (姜福兴，曲效成，于正兴，等.冲击地压实时监测预警技 程度，该指标具有物理意义明确、便于使用的特点， 术及发展趋势.煤炭科学技术，2011,39(2：59) 通过应力变化指数设置变化速度预警值，即考虑了 [9]Jiang F X,Wang C W,Yang S H,et al.Micro seismic 各个测点应力阙值的不同又可以简化设置过程. mnonitoring and measuring technology for pumping pres- (4)采用云图技术直观展示应力及冲击危险性 sure,coal and gas outburst and water inrush.Coal Sci 的空间分布特征，便于进行应力集中及冲击危险性 Technol2007,35(1):26 的区域分析，更好地发挥监测系统的效能。 (姜福兴，主存文，杨淑华，等.冲击地压及煤与瓦斯突出 和透水的做震监测技术.煤炭科学技术，2007,35(1上26) [10]Qian M G.Review of the theory and practice of strata 参考文献 control around longwall face in recent 20 years.J China Univ Min TechnoL,2000,29(1):1 (1]Qin Z H,Xie F R,Su K Z.ct al.New era of borehole strain (钱鸣高.20年来采场围岩控制理论与实践的回顾。中国
第 期 王进强等 冲击危险性及其实时预警云图技术 黄色预警值 在回采过程 中, 实时监测预警系统在老顶初次 来压 、工作面 见方 、过断层带 、大规模周期来压等 关键节点均发 出可靠预报, 在冲击危险性云图的指 导下, 及时采取大直径卸压钻孔等卸压措施 , 并通 过监测系统及时反馈卸压效果, 实现 了 `有 震无灾 ” 的控制 目标 , 保证 了回采作业安全 图 为监测过程中典型的应力变化 曲线 随着 工作面的推进 , 钻孔应力不断变化, 当钻孔应力值 达到设定 闽值或应力变化指数达到设定闽值时, 系 统 以图像 、声音等形式进行报警 , 现场依据云图反 映的冲击 危险区位置及程度采取卸压措施 , 图中还 清晰地反映了卸压后应力下降的情形 预警点 卸压后 只常探侄乙巴允 门今山︺幻︹ 一一一一一一上一 一 ` 一〔 一〔 〔卜 一〔 川 一 一 〔卜〔 一 川 一 一 污 〔 一〔 一 时刻 图 钻孔应力曲线图 结论 冲击地压实时监测预警系统对揭示工作面 支承压力分布及其变化规律 , 进行冲击地压预警 、 预报具有重要 意义 抛物线型隶属函数及隶属度最大准则适用 于冲击危险性指数计算, 反映了冲击危险性评价的 本质特性 通过应力变化速度指标反映应力变化剧烈 程度 , 该指标具有物理意义明确 、便于使用 的特点 通过应力变化指数设置变化速度预警值 , 即考虑 了 各个测点应力闽值的不同又可以简化设置过程 采用云图技术直观展示应 力及冲击危险性 的空间分布特征 , 便于进行应力集 中及冲击危险性 的区域分析, 更好地发挥监测系统的效能 参 考 文 献 、 , , 二亡 , , 邱泽华, 谢富仁, 苏恺之, 等 发展钻孔应变观测的战略 构想 国际地震动态, , 一 【」 , 一 一 仔, , 邱泽华, 阐宝祥 唐磊 四分量钻孔应变观测资料的换算 和使用 地震, , , , 。 、 一 几 几夕, , 蔡美峰 , 刘卫东, 李远 玲珑金矿深部地应力测量及矿 区地应力场分布规律 岩石力学与工程学报, , 【」 台 , , , 飞 , , 王英德 , 于立军, 金思德 , 等 南屯矿钢铱钻孔应力计监 测在冲击地压防治中的应用 中国煤炭, , 【」 , , , , 于正兴, 姜福兴, 王洛锋 提高钻孔应力计监测煤岩应力 的精度试验 煤炭科学技术, , 【」 , , 一 , 叻 三 , ` 五乞几 , 戎涛, 胡春红, 李振华, 采动作用下巷道群稳定性的现场 监测研究 有色金属 矿山部分 , , , , 、 几了乞。 , , 付东波, 齐庆新, 秦海涛, 等 采动应力监测系统的设计 煤矿开采, , 一 【」 , , , 乞 二 , , 姜福兴, 曲效成 于正兴, 等 冲击地压实时监测预警技 术及发展趋势 煤炭科学技术 , 」 , 八 , , 王 一 一 , 朋 二 , , 姜福兴 王存文 杨淑华, 等 冲击地压及煤与瓦斯突出 和透水的微震监测技术 煤炭科学技术, , 」 卜 酬 阮 ” 了激 乞二 流 , , 械 二 , , 钱鸣高, 年来采场围岩控制理论与实践的回顾 中国
26· 北京科技大学学报 第35卷 旷业大学学报，2000,29(1)：1) for coal/rock bursts.Chin J Rock Mech Eng,1987,6(3): [11]Wang E Y,He X Q,Dou L M,et al.Electromagnetic ra 197 diation characteristics of coal and rocks during excavation (章梦涛.冲击地压失稳理论与数值模拟计算.岩石力学与 in coal mine and their application.Chin J Geophys,2005, 工程学报.1987,6(3)：197) 48(1片216 (16)Pan Y S,Li Z H,Zhang M T.Distribution,type,mech- (王恩元，何学秋，窦林名，等.煤矿采掘过程中煤岩体电 anism and prevention of rockrust in China.Chin J Rock 磁辐射特征及应用.地球物理学报，2005,48(1)：216) Mech Eng,2003,22(11:1844 [12 Wang L J.Test of drilling cutting quantity of outburst (潘一山，李忠华，章梦涛.我国神击地压分布、类型、机 prediction index.Saf Coal Mines,2008 (9):1 理及防治研究.岩石力学与工程学报，2003,22(11：1844) (王路军.突出预测指标钻屑量的实验研究。煤矿安全， [17]Cai M F.Wang J A.Wang S H.Analysis on energy dis- 2008(9:1) tribution and prediction of rock burst during deep mining [13]Yin G Z,Li X Q,Zhao H B,et al.In-situ experimental study on the relation of drilling cuttings weight to ground excavation in Linglong Gold Mine.Chin J Rock Mech Eg,2001,20(1):38 pressure and gas pressure.J Univ Sci Technol Beijing (蔡美峰，王金安，王双红，玲珑金矿深部开采岩体能量 2010,32(1):1 (尹光志，李晓泉，赵洪宝.等，钻屑量与矿山压力及瓦斯 分析与岩爆综合预测.岩石力学与工程学报.2001,20(1)： 压力关系现场实验研究.北京科技大学学报，2010,32(1)： 38) 1) [18 Qu X C.Jiang F X.Yu Z X,et al.Rockburst monitoring [14]Dou L M,Cao Q W,He X Q,et al.EME monitoring and precaution technology based on equivalent drilling re- technique of rock burst.Ground Pressure Strata Control, search and its applications.Chin J Rock Mech Eng,2011. 2002(4):89 30(11):2346 (爽林名，曹其伟，何学秋，等.冲击矿压危险的电磁辐射 (曲效成，姜福兴，于正兴，等。基于当量钻屑法的冲击地 监测技术.矿山压力与顶板管理，2002(4)：89) 压监测预警技术研究及应用.岩石力学与工程学报.2011. [15 Zhang M T.Instability theory and mathematical model 30(11):2346)
2 6 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 矿业大学学报, , , , · ,鳍 于 , 夕 夕 , , 王恩元, 何学秋, 窦林名, 等 煤矿采掘过程中煤岩体电 磁辐射特征及应用 地球物理学报, , 【」 ,, 、, , 盛 占, 王路军 突出预测指标钻屑量的实验研究 煤矿安全, 【 , , 一“ ` , , 价 ` 几 二 。勺二夕, , 尹光志, 李晓泉, 赵洪宝 等 钻屑量与矿山压力及瓦斯 压力关系现场实验研究 北京科技大学学报, , 功 」 , , , 一 , 阳 ,,几 搜 、 牡理 艺 ” 即 , 窦林名, 曹其伟, 何学秋, 等 冲击矿压危险的电磁辐射 监测技术 矿山压力与顶板管理、 【 , ,` 无 翻 , , 章梦涛 冲击地压失稳理论与数值模拟计算, 岩石力学与 工程学报 , ,, , , 。, , 「 , , ,,、。 几 对“ ,`夕, , 潘一山, 李忠华, 章梦涛 我国冲击地压分布 、类型 、机 理及防治研究 岩石力学与工程学报, , 招 , 叭认 , , 、 。, 群 一 一注 、 , , , 几 倪夕, , 蔡美峰 , 王金安, 王双红, 玲珑金矿深 部开采岩体能量 分析与岩爆综合预测 岩石力学与工程学报 , 、, , , , 叭 , 、 , ,, 飞《〕 一 一 , 倪 ` , `夕, , 又 曲效成 姜福兴, 于正兴, 等 基于 当量钻屑法 的冲击地 压监测预警技术研究及应用 岩石力学与 工程学报,