有了這個，煤礦開發更安全

安全生產是煤礦開發的重要前提，但是近些年來，衝擊地壓的頻繁發生對煤礦安全生產造成了嚴重影響。衝擊地壓具有突發性，造成的破壞和損失巨大，是威脅煤礦安全生產的重大災害之一。

衝擊地壓，又稱為「岩爆」，是一種岩體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下的突然猛烈釋放，導致岩石爆裂並彈射出來的現象。

經過長期的地質力學作用，富煤地層處於應力與位移的平衡狀態。在煤礦開採過程中，煤層開採破壞了這種平衡狀態，造成了煤體與上覆岩體應力狀態的重分布，在重分布過程中積聚了大量彈性能。當能量積聚到一定程度後，應力將達到煤、岩體強度，彈性能就會突然釋放，造成煤岩體突然破壞、垮落或拋出，並伴有巨大聲響和岩體震動，經常造成支架折損、片幫冒頂、巷道堵塞、人員傷亡，對煤礦安全生產造成巨大威脅。

圖1 衝擊地壓示意圖。（a）彈性能積聚示意圖；（b）彈性能釋放示意圖。

世界上幾乎所有煤炭大國均不同程度地受到衝擊地壓災害的威脅，如前蘇聯、南非、德國、美國、加拿大、印度等。在中國，衝擊地壓最早於1933年發生在撫順勝利煤礦。隨著我國煤礦開採深度與強度的不斷增加，衝擊地壓礦井分布越來越廣，衝擊地壓問題將更加突出。

圖2 礦井衝擊地壓造成人員傷亡與設備廢棄

為了精準/有效預防衝擊地壓，保障煤礦的安全生產，國內外眾多科研人員進行了不斷的探索和研究，以期建立有效/可靠的監測預警機制。

目前，解釋衝擊地壓的理論主要有強度理論、剛度理論、能量理論、衝擊傾向理論和失穩理論。而強度理論是煤礦生產過程中監控衝擊地壓災害最常運用的理論。強度理論認為，當煤岩體所受荷載達到其承載極限時，煤岩體會發生失穩破壞，產生衝擊地壓。

因此，準確監測岩體三維應力，認識開採過程中煤岩體中三維應力的演化規律，將有助於揭示衝擊地壓的機理，進而採取對應措施降低衝擊地壓的發生概率。

圖3 衝擊地壓機理示意圖

但目前技術還沒有辦法實現岩體三維應力的長期、動態監測，主要有兩方面的原因。首先，硬體問題，還沒有滿足要求的岩體三維應力感測器。目前廣泛採用的電阻應變片式感測器監測頻率低（<1Hz）、易發生溫度漂移、基材長期穩定性差、且受電磁干擾，無法滿足岩體三維應力長期、動態監測的要求。其次，軟體問題，缺少岩體三維真實應力的在線監測與預警平台。由於衝擊地壓災害具有突發性，因此，岩石三維應力需實時在線監測。

近年來，中國科學院武漢岩土力學研究所施工過程力學組研究人員進行了深入研究，自主研製出一套煤礦衝擊地壓動態監測預警系統。

首先，科研人員運用光纖光柵感測原理自主研發了一種岩體三維應力感測器，該感測器具有精度高(<0.3%)、採集頻率快(>5k Hz)、長期穩定性好、不受電磁干擾等特點，從而解決了岩體三維應力無法長期、準確監測的難題。

此外，科研人員運用高速區域網實現數據長距離無損傳輸，採用智能優化演算法與雲計算平台實現數據高效分析與處理，從而建立了采場圍岩三維應力場的智能化監測系統。同時，科研人員還對採集的應力狀態信息進行數據挖掘和智能學習，建立了衝擊地壓風險預警指標和模型，為煤礦安全生產提供強有力的技術支撐。

研究成果正在兗礦集團東灘煤礦、濟三煤礦等國內多處地下工程現場驗證。根據現場驗證情況，該系統可以準確實時監測采動過程中頂板岩層三維應力的動態變化。該研究也豐富了礦山壓力理論，對揭示衝擊地壓的發生機理提供了強有力支撐。今後，科研人員還將繼續深入研究及改進，希望能應用到更多的煤礦中，為我國的煤礦安全生產保駕護航。

作者：趙武勝 高厚

來源：中國科學院武漢岩土力學研究所