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王健达1,2,3，秦 凯2,3，邓志刚2,3，赵善坤2,3，安 赛2,3，欧阳振华4
(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；4.华北科技学院，河北 三河 065201)
摘 要：为了提高我国冲击地压预警的准确性，结合光纤光栅测量领域已取得的研究成果，利用光纤光栅钻孔应力计、解调分站作为煤矿井下1孔多点采动应力数据的采集、解调装置，以应力控制理论为指导，研发了以采动应力监测系统软件为数据采集、分析软件，应力梯度为预警指标的冲击地压动态预警技术，集成了基于采动应力测试技术的冲击地压预警系统。研究结果表明：该系统可应用于煤矿工作面采动应力监测和冲击地压动态预警，能准确揭示工作面受采动影响应力的变化情况，推导出工作面应力场的时空演化规律。为矿井冲击地压灾害的预测预警增加一种新方法，从而有效减少冲击地压事故的发生。
关键词：冲击地压；应力梯度；监测预警；应力测试；光纤光栅
中图分类号：TD324
文献标志码：A
文章编号：0253-2336(2019)06-0126-07
WANG Jianda1,2,3,QIN Kai2,3, DENG Zhigang2,3, ZHAO Shankun2,3, AN Sai2,3, OUYANG Zhenhua4
(1.China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 2.Mine Safety Technology Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;3.StateKey Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，Beijing 100013，China; 4.North China Institute of Sciences and Technology， Sanhe 065201，China)
Abstract:In order to improve the accuracy of rock burst monitoring，combined with the research results obtained in the field of fiber grating measurement, the fiber grating borehole stress meter and demodulation substation are used as the acquisition and demodulation of the multi-point mining stress data of the next hole in the coal mine, guided by stress control theory, the early warning system of rock burst was established based on the technique of mining stress monitoring, which collecte data by developed borehole stress meter, and demodulate data by fiber grating substation, and analyze data by the R&D mining stress system software.The study results showed that the system can be applied to the mining stress monitoring and dynamic pressure warning of coal mine working face, which can reveal the change of the working surface affected by mining dynamic stress accurately and derive the temporal and spatial evolution law of stress field.The system was added as a new method for prediction and early warning of mine rock burst disaster, thus effectively reducing occurrence of rock burst accidents.
Key Words:rock burst; stress gradient; monitoring and early warning; stress testing;fiber-grating
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王健达,秦 凯,邓志刚,等.基于光纤光栅采动应力测试的冲击地压预警技术研究[J].煤炭科学技术,2019,47(6)：126-132.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.019
WANG Jianda,QIN Kai, DENG Zhigang，et al.Study on early warning technology of rock burst based on mining stress monitoring by fiber grating[J].Coal Science and Technology，2019，47(6)：126-132.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.019
收稿日期：2018-12-15
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(51574150)；煤科院基础研究基金资助项目(2017JC06)
作者简介：王健达(1993—)，男，河北邢台人，硕士。E-mail：240550774@qq.com
冲击地压是矿山井巷和采场周围煤岩体中积聚的变形能在瞬间释放而产生的一种动力灾害，具有突发、急剧和猛烈的特点[1-2]，是采矿工程和岩石力学与工程领域中面临的国际性难题。国内外专家、学者多年来进行了大量研究工作，提出了强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、变形失稳理论、“三准则”理论、“三因素”理论等。随着非线性动力学、断裂力学、损伤力学和分形几何学等理论的发展，近年来出现了大量的研究成果。谢和平等[3]利用分形几何学、损伤力学分析了冲击地压机理，认为冲击地压是微裂发展成宏观裂隙的过程，岩石微裂隙发展时分形维数不断文献减小，减至最小值时冲击破坏发生。文献[4-5]提出了变形系统扰动响应稳定性判断准则；窦林名等[6-7]提出了冲击矿压动静载叠加原理和弱化减冲击原理。
这些理论都表明应力集中是冲击地压发生的充分条件，冲击地压是原岩应力和采动应力共同作用的结果。原岩应力场在空间上分布不均匀，但对于采矿工程来说，可将他视为相对稳定的应力场。康红普[8]认为原岩应力大小在很大程度上决定了采动应力的大小，在一定范围内，原岩应力越大，采动应力越高。由于采动应力具有时间效应，主要分布在采掘活动影响的一定范围内，而冲击地压多发生在掘进和回采期间，因此采动应力对冲击地压起主导作用。煤岩体在受采动影响之后，内部的应力场发生变化，如果在具有冲击危险性的煤岩体中出现应力集中现象，就有可能导致冲击地压的发生[9]。
现有的冲击地压防治工作多是通过改变应力场分布和煤岩体性质而展开的，主要方法有开采解放层、采区合理布置、煤层注水、卸载爆破、断顶爆破、水压致裂等。虽然防治措施不少，但由于冲击地压基础理论研究还很薄弱，这些防治技术措施不能从根本上消除煤岩动力灾害的潜在威胁。在目前冲击地压 “发生机理不清、防治措施不力、监管体制不全”的形势下，预测预警成为防止事故发生的有效手段之一。
20世纪60年代在德国首先提出的钻屑法[10]，将钻孔排粉极限量、巷帮高应力位置、动力效应和钻屑粒度作为冲击地压评价的主要指标。齐庆新等[11-12]通过对煤岩体相对应力变化的监测来衡量围岩的冲击危险，并提出应力梯度的概念。王恩元等[13]根据煤岩受载变形破裂过程中产生的电、声等物理现象来评价煤岩的受损情况，进而评估其冲击危险。文献[14-16]等通过国外微震监测系统实现了冲击地压灾害的预测预报。文献[17-19]研发了一套具有完全自主知识产权的自震式微震监测系统，并将该系统成功应用于煤岩动力灾害预警。
虽然冲击地压监测预警方法多种多样[20-21]，但仍然无法对已经装备了国内外先进监测设备的河南义马煤业集团千秋煤矿发生的“11·3”冲击地压事故做出预测预报，这也正好反映了当前我国冲击地压预警技术水平的现状。
因此，笔者从冲击地压实时动态预警的关键技术着手，研究一种基于采动应力测试技术的冲击地压监测预警方法，提高我国冲击地压矿井抗风险能力、减少煤岩动力灾害事故发生次数以及受此影响而造成的损失。
从众多学者对冲击地压发生机理的分析中发现矿井冲击地压发生时，煤岩体内部都存在应力集中现象。因此，准确监测矿井工作面采动应力大小及分布情况有利于工作面冲击危险性区域划分和冲击地压等煤岩动力灾害预测。目前，常用的采动应力测试技术分为以下4种：
1)钻孔应力测试技术，工作面采动应力监测中多采用钻孔应力监测技术。测量时，在煤岩体中先打测压钻孔，然后将应力计安装在指定位置，设置一定初压，埋入煤岩体中实时监测钻孔周围应力变化情况。
2)电磁辐射监测技术，国内外大量研究表明，煤岩体在受载变形过程中伴随着电磁辐射强度的变化，且二者具有较好的一致性，载荷愈大，电磁辐射的强度也愈高。现场应用时，可以通过监测工作面周围电磁辐射强度，测定工作面前方煤体应力的集中程度和分布变化情况。
3)电荷感应监测技术，煤岩体变形破裂过程伴随着电荷产生，利用这一现象发展出了电荷感应监测技术。随着研究的深入，研究人员发现煤岩变形破裂过程产生的电荷信号与煤岩动力过程密切相关，通过分析电荷感应信息可得到煤岩的应力状态和破裂情况。
4)微震监测技术，微震事件常发生于受之前开采影响的后支撑压力增高区、受当前工作面开采影响的应力集中区和特殊地质构造引起的应力异常区。通过对区域煤岩体微震事件的监测，分析事件的时空分布特征，推导出区域内的应力分布情况。
各类采动应力监测手段，大多采用非接触式测定工作面回采过程中前方煤岩体的应力分布情况和变化规律，对接触式的研究相对较少；而且间接测量受煤矿井下环境干扰大，采集的数据处理难度高，无法直接显示煤岩体的应力集中区，实现动态、连续化难度大。
而接触式能相对较好的实现采动应力的实时监测。但目前现有的钻孔应力测试技术应用到工作面采动应力监测系统中时(图1)，通常出现以下问题：①无法测量倾向上的应力分布情况；②初始压力设定得不同，对测量结果的准确性影响很大；③钻孔应力计测试时容易出现漏油现象，导致测点失效；且自身的设计无法实现1孔多点的测量方式，1个钻孔只能布置1个测点，测量值不足以反应工作面整体的应力分布状态。
图1 传统的钻孔应力测试布置
Fig.1 Layout of traditional borehole stress test
5)光纤光栅分布式应力测量技术。为了在工作面采动应力监测中实现测压钻孔1孔多点、实时动态测量技术，考虑到光纤光栅分布传感技术在测量应变方面具有良好的特性，且利用波分复用的原理能轻松解决1孔多点的测量要求。因此，采用基于光纤Bragg光栅传感原理的应力测试技术来实现煤矿工作面周围煤岩体应力的实时、动态监测[22]。
Bragg光栅是光纤光栅产品中最普遍、使用最多的一种。光通过光栅时发生衍射，满足光栅方程的光干涉加强成为新的模式在光纤中传播，而不满足光栅方程时，对其传输没有影响，如图2所示。
图2 光纤Bragg光栅结构及其波长选择原理
Fig.2 FBG structure and principle of wavelength selection
光在光纤Bragg光栅中传播时，若某一中心波长的光满足Bragg条件，在经过每个光栅平面时，光反射回来且逐步累加，最终在光传输的反向形成一个反射峰。结合光传输过程中的动量和能量守恒，得到Bragg条件的基本表达式
λB=2neffΛ
(1)
式中：λB为自由空间折射波长；neff为等效折射率；Λ为Bragg光栅周期。
定义有效弹光系数pα，光纤Bragg光栅的波长漂移ΔλBS和它所受的纵向应变Δε的关系即
ΔλBS=λB(1-pα)Δε
(2)
Bragg光栅轴向应变灵敏系数Sε为单位轴向应变εz所引起的Bragg光栅中心反射波长的相对偏移量ΔλB，可以表示为
(3)
温度变化量ΔT对光纤Bragg光栅的中心反射波长相对偏移量ΔλB的影响，可以表达为
ΔλB=(ξ+α)λBΔT
(4)
式中：ξ为光栅热光系数；α为光栅热膨胀系数。
由于应力、超声波、强磁场、加速度等物理量都可以转化为应变来测量，所以在测量这些参数时以上公式依然适用。考虑到温度对Bragg光栅中心反射波长的影响，可以测试环境中固定一个温度补偿光栅，消除温度对测量结果的影响。
系统硬件选用煤炭科学技术研究院有限公司自主研发的1孔多点光纤光栅钻孔应力计和隔爆兼本安型的光纤光栅解调分站完成数据的采集和上传。该应力计量程0～60 MPa，适用钻孔直径为45～50 mm。
图3 光纤光栅波分复用系统示意
Fig.3 Schematic diagram of FBG wave length division multiplexing system
1孔多点的钻孔应力计在不同的测点安装应力计，每个测点的光栅反射峰会在各自的波长区间内变化，最后利用解调仪器分析出所有的光栅的反射光谱，从而实现利用同一个传感光纤实现多个测点的测量。测试装置包括光纤光栅钻孔应力计、安装杆、铠装光纤和测温装置4部分，如图4所示。煤矿井下现场钻孔应力测试时，多个光纤光栅钻孔应力计之间由若干根安装杆连接，安装杆的数量根据实际需要确定，光纤光栅钻孔应力计之间通过熔接好的铠装光纤联接。测温装置实为钻孔应力计的测力钢梁和加工在其表面的光纤光栅，以此来进行温度补偿。
图4 1孔多点钻孔应力计测试示意
Fig.4 Schematic diagram of borehole stress meter test with one hole and multiple points
采动应力监测系统软件可分为2个部分：数据采集部分和数据分析预警部分，主要包括监测数据的采集、存储、数据的处理与分析、冲击地压动态预警以及预警信息发布等功能。
系统采用“应力计→数据传输光纤→光纤光栅解调分站→矿井工业环网→数据接收计算机”的数据传输路径，如图5所示。
采集软件主要完成控制采集的开始与停止，实时读取解调分站的光波数据，并上传至中心站；查询光纤光栅传感器的相关信息，包括初始波长值和计算物理量用的相关系数；检测系统中的各设备运行状态等。分析软件完成了矿井数据的统一管理；解析波长数据，并与钻孔应力计逐一对应；绘制曲线、柱状图和应力云图；不同矿井、工作面预警指标管理，系统自动巡检、实时监测煤矿工作面开采过程中煤体应力的变化情况，如遇危险情况及时报警，并以云图的形式将工作面的应力情况显示出来。数据处理流程如图6所示。
图5 煤矿井下光纤光栅采动应力监测系统结构
Fig.5 Structure of FBG mining stress monitoring
system in coal mine
图6 采动应力监测系统软件数据处理流程
Fig.6 Software data processing flow of mining stress monitoring system
数据分析软件的主要功能如下：
1)数据管理模块，系统测量部分采用“1孔多点”的测量方式，1个测压钻孔采集到的波长数据转化成为应力数据时需要利用多个数据实体、查询多个数据表。这些均要求数据管理模块必须建立规范的数据管理系统，设计合适的数据表现形式以及合理的数据间的关系，数据管理模块的主要功能是用于管理巷道、钻孔、应力计等信息，将钻孔应力计采集到的波长数据转换成应力数据并和相应的钻孔匹配。
2)数据分析模块，数据分析模块主要用于查询系统中心站数据库中储存的应力数据，并以曲线、柱状图和云图的形式显示出来，可根据条件查询得到某一测压钻孔一段时间内的应力变化情况、同一工作面不同测压钻孔同一时刻的应力分布情况以及工作面在一段时间内应力分布云图，结合AutoCAD三维建模技术，准确显示应力集中位置，帮助矿井工作人员分析工作面采动应力的分布、变化情况，便于科学决策。
1)预警指标，冲击地压灾害通常发生在煤岩体应力集中区域，因此通过比较工作面中不同时刻每个测点的相对应力的变化量(应力梯度)，形成具有统一标准的应力梯度等值线，比较应力梯度等值线的变化，并结合工作面煤岩体物理属性、采场条件等具体分析，制定对应的冲击地压预警指标，即可评价工作面的冲击危险性和冲击危险区域。其中应力梯度的数学表达式为：
Δσn,t=(Δσn,t2-Δσn,t1)/(t2-t1)
其中：Δσn,t为某位置某时刻的相对应力值；t1、t2为时间。
将Δσn,t作为采动应力实时监测系统预警冲击地压的指标，通过比较Δσn,t的变化，确定工作面的
应力状态，一旦Δσn,t超过某一阈值，即发出预警信号。根据矿井实际情况，设置第1预警值P1和第2预警值P2。冲击地压动态预警之前，需根据矿井实际条件和工作面应力分析结果，在软件中设定预警指标ΔP1和ΔP2，当ΔP≤ΔP1时属“绿色预警”，冲击地压发生的可能性较低，工作面回采可以正常进行；当ΔP1<ΔP≤ΔP2时属“黄色预警”，冲击地压发生的可能性微增，需要采取一定措施保障工作面回采工作的进行；当ΔP > ΔP2时属“红色预警”，冲击地压发生的可能性较高，必须采取有效的应力集中解危措施，否则停止工作面回采工作。
2)预警方法，为了掌握工作面回采过程中采动应力大小、分布情况及时空演化规律，绘制出工作面不同位置处的采动应力在垂直方向和水平方向随回采距离的变化及分布曲线，应在受工作面回采影响区域布置测点，但必须存在3～4组测压钻孔位于采动范围外，且各测点实时、连续监测，才能得到工作面在回采期间应力场的重新分布情况。测压钻孔的布置应满足以下要求：①能够监测工作面回采期间前方实体煤中应力的分布、变化情况和集中程度；②能够监测到工作面区域冲击危险性划分所需应力分布情况及变化规律；③安装位置应结合工作面地质概况、巷道掘进和回采期间的资料，将大部分测点布置在未受工作面回采影响的实体煤中；④测压钻孔的布置应平行于煤层倾角，尽量不布置穿煤层钻孔；⑤测压钻孔应避开卸压孔、瓦斯抽放孔、煤层注水孔等，在钻孔施工过程中应注意观察钻屑量，若出现钻屑量异常、严重塌孔、喷孔时，应放弃该测点或钻孔。
一般每组测孔内布置4个测点，分别在5、10、15、20 m处各布置1台钻孔应力计，每组测孔相距20 m，选用的光纤光栅钻孔应力计适用钻孔直径为45～50 mm。考虑到部分矿井小直径钻孔施工深度的问题，也可酌情修改测孔内的测点间距及数量，但需要配置相应的安装杆。测点布置示意如图7所示。
图7 测点布置示意
Fig.7 Schematic diagram of measuring point layout
通过采集到的工作面回采过程中测点应力，利用插值计算的方式得到工作面整体应力分布格网数据，详细地描述工作面各个节点的应力。冲击地压动态预警技术是以工作面采动应力的变化梯度作为冲击地压动态预警的指标，结合工作面应力分布算法，计算一定时间间隔的应力变化值，以该应力变化值的大小作为判断冲击地压发生危险性的依据。可根据现场实际监测结果设定时间间隔与应力变化值，确定预警指标。
1)对冲击地压发生机理和事故的分析表明，应力集中是冲击地压发生的必要因素，采用应力作为冲击地压预警的指标，是科学和客观的；传统的采动应力测试技术大多存在布置测点少、测量结果非直接测量、动态实时测量难度大等缺点，而光纤光栅应力测试技术具有直接测量、1孔多点、动态实时监测的优点。
2)基于钻孔应力计和光纤光栅解调分站等采集设备，开发了光纤光栅采动应力测试系统软件，实现了煤岩体采动应力数据的采集、存储、可视化、实时分析等功能。
3)集成采动应力测试系统软、硬件，以光纤光栅钻孔应力计和解调分站作为煤矿井下1孔多点采动应力数据采集装置，以煤矿井下工业环网为井上下数据传输通道，以采动应力监测系统为数据采集、分析软件，同时融合以应力梯度为监测指标的冲击地压动态预警技术，开发了基于采动应力测试技术的冲击地压预警系统，为矿井冲击地压灾害的预测预警增加一种新方法，从而减少冲击地压事故的发生。
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