0 引言

随着中国煤炭资源开采重点逐渐进入深地阶段，冲击地压发生区域、频度逐年增加[1-3]，如近5 a新增了内蒙古鄂尔多斯矿区、陕西彬长矿区、山西平朔及长治矿区4个冲击地压矿区。这些矿区都是煤炭优质资源区，也是重要的新兴资源区。冲击地压对开采强度的要求，严重制约大型先进设备能力的发挥，也制约了巨大先进产能释放。

随着互联网+、大数据、人工智能和自动化开采技术的迅速发展，中国煤矿井下采掘装备自动化、智能化水平迅速提高，神华神东煤炭集团有限责任公司锦界煤矿、陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿等已实现工作面智能化少人生产[4-6]。减少井下作业人员，实现井下煤炭少人化、无人化智能开采，是中国煤矿未来发展的必然趋势，也是提高煤矿职工生命安全保障和幸福生活水平的必由之路[7-10]。但是对于深部矿井，传统的冲击地压灾害人工防控方法是制约煤矿智能化开采大范围推广的重要因素。治灾救灾过程中连锁重大事故时有发生，如2011年11月3日，义马煤业(集团)有限责任公司千秋煤矿冲击地压导致防冲与生产人员共计10人遇难、65人受伤；2018年10月20日，山东龙郓煤业有限公司冲击地压导致防冲与生产人员共计21人遇难、1人重伤。在国外，2007年8月6日，美国犹他州克兰德尔峡谷煤矿冲击地压造成6人遇难，8月16日救援过程中又发生冲击地压，造成3人遇难、6人受伤；2016年2月25日，俄罗斯科米共和国北方煤矿780 m深处发生冲击地压，造成30人遇难，2月28日救援过程中矿井发生瓦斯爆炸，造成6人遇难。探索煤矿冲击地压智能防控方法，实现冲击地压少人、无人防控，是国内外学者与工程技术人员共同面临的问题。

为了解决冲击地压威胁深部智能开采与防控人员安全问题，本文首次提出了深部冲击地压智能防控方法研究命题。从载荷源角度，基于基础静载荷诱发冲击地压启动的关键作用，对基础静载荷进行智能探测与卸载，从而提高工作面推进过程中获取增量静载荷、动载荷的门槛，达到冲击地压防控目标。研究结果可为国内外冲击地压智能防控提供理论指导。

1 深部围岩基础静载荷智能探测原理

诱发冲击地压启动的能量可以是采动围岩近场系统内集中静载荷，也可以是远场系统外集中动载荷。但从根本上说，系统内集中静载荷必须达到临界条件。也就是说，若系统外集中动载荷参与，即是帮助系统内集中静载荷达到临界条件；若系统内集中静载荷不够大，系统外集中动载荷传递到静载荷集中区时将被消耗，难以诱发冲击地压启动。将冲击危险区域获得增量静载荷、动载荷之前已有的、必须的集中静载荷称为基础静载荷，则深部冲击地压智能防控的理论基础是自动探测采掘空间内围岩基础静载荷，并实现智能化、精准化降低其集中程度，以提高后期获取增量静载荷、动载荷的门槛，从而达到冲击地压防控目的。

冲击地压发生的根本原因是开采及地质因素引起的煤岩体应力过度集中，因此，研究煤岩体应力分布是预测冲击地压危险性的基础。本文采用地震波CT技术对基础静载荷进行智能探测：通过地震层析成像技术对探测区域内煤岩波速分布情况进行CT成像,然后根据应力与地震波波速的良好对应关系确定煤岩应力分布情况，进而分析冲击危险区域。

根据冲击地压启动理论[11-13]，设系统内集中静载荷能量为ES，系统外集中动载荷能量为ED，则冲击地压启动条件为

ES+ED-EC>0

(1)

式中EC为煤岩体冲击地压启动所需最小能量。

式(1)中任何一种载荷的增加都将加剧冲击地压危险程度。

系统内集中静载荷能量ES在采动应力场形成后，以采动围岩中的集中压缩弹性能、顶底板(岩层)弯曲断裂前产生的弯曲弹性能为主。对于某处围岩近场，静载荷水平越高，则冲击地压危险程度越大。实验室及现场测试结果表明，纵波波速随应力的增加而增大，且不同岩性对应力增量的敏感程度有所不同。因此，可认为在静载条件下，高的地震波波速表明高的应力集中程度，进而预示高的冲击地压危险程度。

远场震源发生后，能量将以应力波形式向外传播。在应力波传播过程中，传播方向上的应力、质点速度和波速之间的关系可根据动量守恒定律导出：

σ=ρ vPVP

(2)

τ=ρ vSVS

(3)

式中：σ为纵波作用产生的正应力；ρ为介质密度；vP，vS分别为纵横波引起的质点震动速度；VP，VS分别为纵横波波速；τ为横波作用产生的剪应力。

由于介质质点震动近似于简谐运动，其震动速度的周期性变化表明应力波对煤岩的作用实际上是一个动态过程，其在煤岩体中产生的应力也是一种动态应力，其作用效果取决于质点震动的峰值速度。系统外集中动载荷能量ED取决于震源能量和应力波在传播路径上的衰减作用。ED越大，则质点震动峰值速度越大，由式(2)、式(3)可知，形成的动态应力越大。同时，动态应力与煤岩地震波波速呈正比，在其他条件一致的前提下，地震波波速高的区域因相同能量地震波作用而产生的应力越大，其冲击地压危险程度越高。

可见，无论从系统内集中静载荷还是系统外集中动载荷的角度分析，高的地震波波速一般表征高的应力集中程度，也就预示着高的冲击地压危险程度。该结论为利用地震波波速分析冲击地压危险程度提供了理论基础。

此外，受地质及开采技术条件影响，采煤工作面不同区域应力往往具有较大的差异性。存在应力梯度的煤岩体在某一方向上的受约束能力相对较弱，在总载荷一致的情况下比均匀受载的煤岩体更易发生变形破坏。应力梯度成为煤岩体稳定性评价的重要因素。根据应力与地震波波速的对应关系可知，高应力梯度区域对应高波速梯度区域。矿震及地震领域实测研究表明，强震不仅发生在高波速区域，也发生在高波速向低波速过渡区域，即高波速梯度区域。因此，利用地震波波速进行冲击危险性评价时，应考量地震波波速梯度的影响。

大量工程实践表明，对于探测范围内的煤岩体，波速相对较高的区域一般分布在致密完整的煤岩体处、应力集中区及煤层变薄区；波速较低区域主要分布在疏松破碎的煤岩体处、应力松弛带。对整个探测煤岩体范围而言，若内部无异常区域，地震波的穿透速度应是相对均匀的；当有应力异常或地质结构存在时，该部分区域将在反演结果中表现为波速异常。利用震动波运动学和动力学参数，结合相关地质资料和开采条件进行一定的地质学与力学分析，可准确得到煤岩体结构特征及应力状态的时空变化信息。

2 基于基础静载荷的深部冲击地压智能防控方法

2.1 冲击地压智能防控流程

地震波CT技术可探测煤岩层中波速、波速梯度、波速异常区最小临空距等，这些参数可反映煤层中静载荷集中程度[14-16]。根据该原理，本文建立了基于基础静载荷的深部冲击地压智能防控流程,如图1所示。该流程中煤矿冲击地压智能防控系统包括智能探测模块、数据智能处理模块和自主决策模块，可对煤层基础静载荷智能探测及卸压进行协调控制。智能探测模块控制地震波CT智能探测系统定期对煤层基础静载荷进行原位探测。目前成熟的技术是将静载荷探测设备(图2)安装在运输巷接收信号，在回风巷放小炮制造震源，如图3所示。地震波CT智能探测系统是在回风巷设置在线机械震源，定期自动发震。数据智能处理模块对探测数据进行即时处理，探测结果如图4所示，其中红色为冲击地压危险区域。自主决策模块根据基础静载荷处理结果确定卸压区域、卸压路径、卸压孔深度、卸压孔间距等参数，并将卸压指令发送至井下智能无人钻车。智能无人钻车根据参数自动实施卸压措施。之后智能探测模块再次控制地震波CT智能探测系统对基础静载荷进行原位探测，检验卸压效果。当探测结果显示无冲击地压危险时，智能探测模块恢复定期探测模式；当探测结果显示有冲击地压危险时，数据智能处理模块将探测结果发送给自主决策模块，自主决策模块控制井下智能无人钻车继续实施卸压措施。

图1 深部冲击地压智能防控流程
Fig.1 Intelligent prevention and control flow of deep rock burst

图2 静载荷探测设备
Fig.2 Static load detection equipment

图3 煤层基础静载荷原位探测
Fig.3 In-situ detection of foundational static load in coal seam

2.2 深部冲击地压智能防控方法

深部冲击地压智能防控方法如图5所示。以回采工作面巷道冲击地压智能防控方法为例进行说明。其包括5个步骤，均为自动完成。

图4 煤矿冲击地压探测结果
Fig.4 Detection result of coal mine rock burst

1—弱冲击地压危险区域；2—强冲击地压危险区域；3—中等冲击地压危险区域；4—预警临界值；5—冲击地压危险性曲线；6—煤矿冲击地压智能防控系统；7—中继站；8—卸压钻孔；9—中等冲击地压危险区域卸压孔间距；10—中等冲击地压危险区域卸压孔深度；11—强冲击地压危险区域卸压孔深度；12—智能无人钻车卸压路径；13—卸压区域；14—强冲击地压危险区域卸压孔间距；15—弱冲击地压危险区域卸压孔深度；16—弱冲击地压危险区域卸压孔间距；17—回采工作面；18—检波器；19—钻车等候硐室；20—智能无人钻车；21—地震波；22—在线机械震源；23—工作面巷道。

图5 深部冲击地压智能防控方法
Fig.5 Intelligent prevention and control method of deep rock burst

(1) 将地震波CT智能探测系统的在线机械震源布置在回采工作面一侧巷道内，将检波器布置在回采工作面另一侧巷道内。智能探测模块在常规情况下，每个班次向地震波CT智能探测系统下达1次探测指令。地震波CT智能探测系统接收到指令后，通过震源激发地震波，对2条工作面巷道之间的区域进行探测，期间智能无人钻车在钻车等候硐室内等候指令。

(2) 地震波CT智能探测系统在完成回采工作面全部探测工作后，通过中继站将探测数据发送至煤矿冲击地压智能防控系统，通过数据智能处理模块对数据进行即时处理，得到探测区域内强、中等、弱冲击地压危险区域，并绘制卸压前冲击地压危险性曲线。当该曲线局部超过预警临界值时，数据智能处理模块将曲线发送至自主决策模块，进而确定卸压区域、智能无人钻车卸压路径，以及强、中等、弱冲击危险区域卸压孔深度和卸压孔间距等参数，并通过中继站将卸压指令发送至智能无人钻车。智能无人钻车根据卸压指令施工卸压钻孔。

(3) 智能无人钻车将全部卸压钻孔施工完以后，退回至钻车等候硐室内待命。智能探测模块下达探测指令，地震波CT智能探测系统对回采工作面进行探测，获得卸压后冲击地压危险性曲线。

(4) 当冲击地压危险性曲线小于预警临界值时，卸压工作结束，恢复每个班次进行1次探测的工作模式，否则重复步骤(2)、(3)，继续开展卸压及效果检验工作。

(5) 重复步骤(2)—(4)，形成煤矿冲击地压智能防控方法，以在无人条件下降低煤矿采掘空间冲击地压危险性。

智能探测模块、数据智能处理模块和自主决策模块在不同时期有不同作用：工作面形成初期，发挥预评价和预卸压作用；在工作面出现冲击地压危险时，发挥冲击地压解危作用；在每次卸压工作完成后，发挥卸压效果检验作用。

3 深部冲击地压智能防控研究发展路径

随着人工智能、大数据、云平台等先进通用技术的发展，为了给深部煤炭资源创造智能化开采环境，杜绝防控与救援过程事故发生，以提供低应力开采环境为目的的深部冲击地压智能防控正处于探索阶段，存在以下问题亟需研究。

(1) 冲击地压灾害多源信息主动调度理论与方法。研究煤矿冲击地压灾害数字信息与挖掘技术；基于灾前征兆与灾害时空演化规律基础，研究冲击地压灾害智能响应、防控调度、信息交互理论与方法；研究冲击地压多源信息智能调度与自主决策理论与方法。从根本上认知采动条件下冲击地压灾害数字信息，建成煤矿冲击地压“人-机-环”多相、多场、多元信息主动调度理论与技术途径。

(2) 多源信息融合的防灾治灾方案专家库。研究冲击地压灾害历史案例与防控条件；研究冲击地压灾害随掘、随采、随钻多源信息实时探测技术；研究冲击地压防灾治灾预案与实时多源信息自适应技术；研究冲击地压灾害不同防治方案反演与存储技术；研究基于大数据的案例处置与专家评分体系。基于大数据技术，得到各类冲击地压灾害多源信息，结合历史案例，形成未知灾害处置预案，得到冲击地压防灾治灾预案与实时多源信息自适应技术，建成基于大数据的多源信息融合的防灾治灾方案专家库。

(3) 高速交互智慧机器人与信息化装备。研究冲击地压灾害防控模式与工艺；在满足重大灾害防控执行条件与基础前提下，研究冲击地压防控智能机器人与信息化装备；研究井下灾害防治机器人-车协同作业技术。开发适应于高危、高温等环境恶劣条件下，可实现“人-机-环”多相、多场、多元信息主动调度并自主决策的高速交互防灾治灾智慧机器人与信息化装备。

(4) 冲击地压灾害智能治理与复合灾害自适应技术。研究冲击地压重大灾害防控能力自评估技术；研究冲击地压灾害智能治理流程与过程监控技术；研究各类冲击地压、煤与瓦斯突出灾害相互耦合或转化智能辨识技术；研究复合灾害矿井治灾方法智能调整技术。开发煤矿重大单一灾害及复合灾害智能治理与自适应技术。

(5) 重大灾害防控效能自评价技术。研究单一冲击地压灾害防控效果自评价方法；研究复合灾害综合防控与效果评价方法；研究冲击地压灾后防控机器人自学习、自总结技术。实现重大冲击地压灾害防控机器人自学习、自总结，提高灾害防控效率与成功概率。

4 结论

(1) 深部冲击地压智能防控的理论基础是探测冲击地压危险区域采掘空间基础静载荷，实现有效智能化降低其集中程度，提高具有不确定性的增量静载荷、动载荷诱发冲击地压启动的门槛，从而达到冲击地压防控目的。

(2) 基于基础静载荷在各类冲击地压启动中的内因作用，首次探索了深部冲击地压智能防控方法，并提出了未来深部冲击地压智能防控研究的发展路径。

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