近年来，掘进巷道冲击地压事故频发，造成了大量人员伤亡及经济损失，例如2011-11-03河南义马千秋煤矿21221下巷掘进巷道冲击，2013—2014年新疆硫磺沟煤矿多处掘进工作面冲击，陕西高家堡煤矿多次冲击地压显现也发生在掘进工作面，因此，对掘进工作面围岩冲击危险性进行高效、准确评价，继而指导支护及解危工作，具有重要的现实意义。
冲击危险性评价的传统方法包括综合指数法、冲击地压可能性指数诊断法、动态权重法等[1-3]，这些方法大多从宏观层面上对冲击危险性进行静态评价;基于实时监测数据的冲击危险性评价方法，包括地音法、微震法、震波CT探测法和电磁波CT法，其中地音法是对煤岩层中高频低能的震动进行监测，它的优点是可以对未来一段时间的危险性进行预测，局限是不能确定危险区域的位置[4-8]。微震法是对井田大范围煤岩层中低频高能的震动进行监测，它的优点是能够确定震源的位置及能级，局限是仅对处于微震探头(或拾震器)包围的区域探测精度较高[5-6,9-10]，而掘进工作面为“独头”，通常位于微震系统包围网络之外，导致监测与评价误差较大。震波CT探测的现场实施需要一巷激发一巷接收，适合回采工作面等大范围区域的探测，无法对掘进工作面进行探测[11]。
地下电磁波法(CT)借鉴工业CT和医学CT[12-13]，依据电磁波在地下有耗介质中传播规律及一定的物理和数学关系反演透视剖面上的构造、裂隙带、煤厚变化以及陷落柱等[14-18]分布，最终以图像形式呈现。电磁波CT探测操作方便，仅需打两个钻孔;探测频率最高可达32 MHz，能够实现掘进工作面的精确探测。应用中如果逢掘必探，安全性得以保障，但对生产影响较大，因此探测时机的选择就成了电磁波CT应用的关键问题。
通过比较上述冲击危险评价方法的优点与局限，笔者建立一种基于地音监测与电磁波CT探测的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法，该方法按照常规时间的地音实时监测，预警后近场围岩的电磁波CT探测的实施流程，实现了掘进工作面冲击地压预警及危险区域划分的双重功能，提高了掘进工作面冲击地压防治的效率与准确性，对掘进工作面冲击危险区治理具有实际意义。
1 掘进工作面冲击危险性的层次化评价方法
1.1 层次化评价方法及其数学表达
1.1.1 层次化评价方法
掘进工作面自身尺度较小，地音探头的监测范围可以覆盖掘进工作面超前及其后方区域，通过地音系统对掘进工作面附近较大范围区域进行监测，由此获得冲击地压发生的前兆信息，从而进行预警。
当地音发出预警后，采用电磁波CT探测技术对掘进工作面近场围岩支承压力区等小范围区域进行精准探测，划分危险区域。巷道近场围岩支承压力区蕴藏较多弹性能，是主要的冲击地压启动区域，也是解危措施的实施区域[13]。对探测到的危险区域采取松散煤体的方式，降低煤体的强度和冲击倾向性，使得应力高峰向煤体深部转移，并降低应力集中程度，释放煤体蕴藏的弹性能，从而降低围岩的冲击危险性[19]。
综上，通过掘进工作面大范围地音实时预警与近场围岩小范围电磁波CT精准探测相结合的层次化评价方法对其冲击危险状态进行识别，层次化评价模型如图1所示。
图1 掘进工作面冲击危险性的层次化评价模型
Fig.1 Hierarchical assassment model for risk assessment of rock burst of heading face
1.1.2 评价方法的数学表达
为了明确井下冲击危险性层次化评价方法的内在逻辑关系及结构，对该方法的数学表达进行初步分析。煤岩体的冲击危险性与时间、空间均相关，层次化评价方法将冲击危险性评价目标层在时间和空间上进行分解，分解成时间和空间两层次级;第1次级为冲击危险性识别的时间层，第2次级为危险性识别的空间层，两层次级间的关系为第1次级的执行结果是第2次级的执行判据，由此建立冲击危险性层次化评价方法的层次结构图，如图2所示。
图2 冲击危险性层次化评价方法的层次结构
Fig.2 Hierarchical structure diagram of risk assessment method of rock burst
目标层上，冲击危险等级V为给定四维空间R4上的函数，其自变量为时间t、空间坐标(x,y,z):
V=f(t,x,y,z)
(1)
时间层上，冲击危险等级V1为给定一维空间R1上的函数，其自变量为时间t，根据地音系统的监测半径L设定约束条件，其中|x0|，|y0|，|z0|为空间各点至监测探头的距离在x，y，z三个方向上的分量:
V1=f1(t)，|x0|<L,|y0|<L,|z0|<L
(2)
空间层上，冲击危险等级V2为给定三维空间R3上的函数，其自变量为空间坐标(x,y,z)，以时间层的执行结果和约束条件为执行判据:
V2{V1(t0)>Vc,|x|<L,|y|<L,|z|<L}=
f2(x,y,z)
(3)
其中，Vc为地音系统的冲击危险预警的临界值。
这里仅对评价方法的数学表达进行初步分析，具有一定局限，但可以反映该方法的内在逻辑关系与结构。并且由于时间层和空间层的执行均是通过现场实测，时间层和空间层具体的数学表达式均是依据现场实测结果来确定，不对具体数学表达式进行推导。
1.2 冲击危险评价时间层的地音系统识别
1.2.1 地音监测预警原理
采用地音系统进行掘进工作面冲击危险性评价。岩体中地音活动及能量强度的变化反映岩体内应力的变化及冲击地压危险性的变化。掘进工作面冲击危险性评价以地音偏差量作为危险性评价的主要指标，包括地音活动频次指数ω1，地音能量强度指数ω2。对于一个给定的时间单元T，通常可以设定为1 d(24 h)或单个工作班(6或8 h)，强度和能量偏差依据下式计算:
(4)
其中，
分别为前10个时间单元地音活动和能量的平均值;在算法起步阶段，参与评价的时间单元不足10次时，偏差的平均值
依据下式确定:
(5)
式中，NT为算法运算中的时间单元数目(NT≤10);Pp最大概率的指标值;Pm为NT个时间单元的平均指标值。
1.2.2 地音监测预警标准
监测区域冲击危险性大小，根据地音能量异常系数和频次异常系数进行判断，按异常系数值划分4个危险等级:危险等级为a，无危险，<0.25;危险等级为b，弱危险，0.25～1.0;危险等级为c，中等危险，1.0～2.0;危险等级为d，强危险，>2.0[4-5]。根据不同的危险等级需要制定不同的防治对策，以确保安全生产。
1.3 冲击危险评价空间层的电磁波CT识别
1.3.1 电磁波CT探测原理
电磁波CT法是利用无线电波在两个钻孔中分别发射和接收，根据不同位置上接收的场强大小，来确定地下不同介质分布的一种地下地球物理勘查方法，它的工作频率最高可达32 MHz。下式为电磁波CT法中的场强观测值公式[20-21]:
(7)
式中，E为接收点的场强值，
为初始辐射常数，无量纲;β为吸收系数，即介质中单位距离对电磁波的吸收值，dB/m;f(θ)为收发天线的方向因子函数;r为发射与接收点之间的距离，m;ω为天线圆频率，Hz;ε为介电常数，F/m;μ为磁导率，H/m;σ为电导率，1/(Ω·m)。
当电磁波在地下同一性质的介质中传播时，破裂带和结构面的存在会减弱电磁波，煤体破坏程度越高对电磁波的吸收系数越高，从而电磁波的衰减程度越大，利用这一差异反映围岩破裂区的分布情况及发育程度。
1.3.2 评价模型的建立
巷道开挖后会在两帮内形成支承压力区，而局部裂隙发育会导致支承压力分布发生变化，破裂区应力有所降低，与其相邻的完整区应力则会升高。通常破裂区裂隙发育程度越高，应力降低值越大，从而相邻的完整区应力升高值和越大，完整区应力集中程度越高，煤体冲击危险性随之增大。同时，随裂隙发育程度的升高，裂隙区与完整区之间的应力变化梯度将会增大。相比于均匀受力的煤体，应力变化梯度较大的煤体更容易发生失稳[10]，具有更高的冲击危险性。
总之，裂隙分布的不均匀性和变化梯度越大的煤体，其冲击危险性也越高。由电磁波探测的原理可知，煤体裂隙越发育对电磁波的吸收系数越高，从而裂隙分布不均匀和变化梯度较大的煤体，对电磁波的吸收系数分布也会表现出较大的不均匀性和变化梯度，因此可以通过煤体内电磁波吸收系数的不均匀性和变化梯度，对煤体冲击危险性进行评价。
1.3.2.1 吸收系数异常指数
考虑电磁波吸收系数对围岩冲击危险性的影响，构建吸收系数异常指数的表达式如下:
(8)
式中，β为吸收系数的实测值，dB/m;β0为测区内围岩对电磁波吸收系数的平均值，dB/m;βmax为测区内围岩对电磁波吸收系数的最大值，dB/m;α为动压显现特征参数。
吸收系数异常变化与煤岩体裂隙发育程度之间的关系为:正吸收系数异常指数(IB≥0)表征电磁波衰减异常与围岩破坏程度的关系，数值越大说明破坏程度越高，此时对于支护围岩该值越大则支护质量越差，而对于支护外围岩则是应力释放越充分;负吸收系数异常指数(IB<0)表征电磁波衰减异常与围岩完整程度的关系，数值越小说明完整性越好;此时对于支护围岩该值越小则支护质量越好，而对于支护外围岩则是应力越集中。根据以往实测案例及实验结果，α在强动压显现区域取1.0，弱动压显现区域取1.1，无动压显现区域取1.2[11]。
1.3.2.2 吸收系数梯度指数
考虑电磁波吸收系数的变化梯度对冲击危险性的影响，构建吸收系数梯度指数的表达式如下:
(9)
式中，Gβ为测区内围岩某点吸收系数的梯度，dB/m2;Gβmax为现场条件下测区内围岩吸收系数梯度的最大值dB/m2;α为动压显现特征参数，取值同前。
吸收系数梯度Gβ为测区内某点相邻四周吸收系数变化率最大值。在离散数据中，一般先对周围8个节点求取一阶方向导数，最后取其中最大值，如图3所示，中心网格(m，n)的波速梯度可表示为
(10)
式中，d为网格边长;x，y分别为周围每一个网格的纵、横向编号。
图3 离散数据梯度计算示意
Fig.3 Sketch of gradient calculation using discrete data
1.3.2.3 评价模型
对巷道近场围岩的探测将支护区内和支护区外分开考虑。在支护区内围岩完整性越好，说明巷道抵抗冲击的能力越强，从而冲击危险性越低。而在支护区外，围岩完整性越差，说明围岩卸压越充分，从而冲击危险性越低。基于上述分析，综合反映吸收系数大小和变化梯度对围岩冲击危险性的影响，最终建立巷道近场围岩的冲击危险性评价模型。
支护围岩评价模型:
(11)
非支护围岩评价模型:
(12)
式中，Ds为支护围岩的冲击危险性指数;Dn为非支护围岩的冲击危险性指数;h为探测深度，m;hs为支护结构的范围，m。
目前基于现场实测的冲击危险评价方法多采用各因素间等权重分配，取得了较好的评价效果[9,11]，本模型同样采用等权重分配，两指标的权重系数a，b均取0.5。
根据统计、模糊数学、实验室试验和大量的现场实测等，将冲击危险定量化分为4个等级，分别为无冲击危险、弱冲击危险、中等冲击危险和强冲击危险，模型中Ds,Dn与冲击危险等级对应标准见表1[11,22-23]。危险性指数Ds和Dn的最大值均为1，由于吸收系数异常指数BI存在负值，相应的危险性指数也存在负值;在支护围岩中负危险性指数表示支护质量较好，在支护外的围岩中负危险性指数表示卸压效果较好。
表1 掘进工作面围岩冲击危险等级划分
Table 1 Classification of danger grade of rock burst of heading face
1.3.2.4 钻孔附近及煤壁处吸收系数的修正
由于钻孔施工中会造成其附近煤体裂隙发育程度升高，导致钻孔孔壁煤体所表现的冲击危险性与实际存在差异，因此当钻孔孔壁煤体对电磁波的吸收系数大于距离钻孔1 m处煤体的吸收系数时，将钻孔孔壁煤体的吸收系数按照距离钻孔1 m处的吸收系数进行修正。
同时，巷道煤壁处由于部分电磁波会以面波的形式在壁面上传播，导致探测结果出现偏差，此时测得的信号强度偏大，从而反演得到的衰减系数相应的偏小。因此这里依据距离深度1 m处煤体的吸收系数对煤壁的吸收系数进行修正。
1.4 掘进工作面冲击危险的层次化评价流程
掘进工作面冲击危险的层次化评价流程如图4所示，具体包括:首先采用地音系统对掘进工作面的冲击危险性进行实时评价，评价结果可分为4个等级，分别为强、中等、弱和无冲击危险;当实时评价结果为弱和无冲击危险时，继续掘进，当实时评价结果为中等和强冲击危险时，停止掘进，采用电磁波CT对掘进工作面近场围岩进行探测，确定危险区域的位置，相应的采取卸压措施，最后通过电磁波CT和地音系统对卸压效果进行检验，确定危险解除后继续掘进。
图4 掘进工作面冲击危险性层次化评价的实施流程
Fig.4 Flow chart of hierarchical evaluation of risk assessment of rock burst of heading face
2 工程实践
2.1 工程背景
试验地点为内蒙古某矿068回风巷掘进工作面，埋深492 m，煤层平均厚度17.2 m，倾角30°，具有弱冲击倾向，煤层顶板为抗压强度147 MPa的灰绿岩，具有强冲击倾向，底板为砂岩，具有弱冲击倾向;068工作面长度99 m，068回风巷开始掘进时为临空巷道，其一侧的阶段煤柱宽度8 m，巷宽为4.5 m，后期巷道掘过采空区后，将沿井口边界煤柱边缘掘进，采掘平面图如图5所示。探测区域附近无大型地质构造(断层、褶曲)的影响。
图5 068回风巷采掘工程平面
Fig.5 Map of mine working of 068 return air way
2.2 掘进工作面冲击危险的地音系统实时评价
2.2.1 地音评价方案
在068回风巷掘进工作面后方30 m处布置地音探头，并随掘进工作面的推进，当探头距掘进工作面超过50 m时及时挪移地音监测探头，避免地音监测探头距离工作面过远无法进行有效监测，如图6所示。
图6 地音传感器在井下安装布置
Fig.6 Installation layout of acoustic emission sensors under mine
2.2.2 地音探测结果
图7为068回风巷掘进工作面地音系统监测曲线，因为掘进速度较慢，将地音预警的时间单元设定为1 d(24 h)。由图7可知，2016-07-10，068回风巷掘进工作面掘过上区段采空区开切眼，进入井口边界煤柱区46 m时出现中等及强冲击危险，此时停止掘进，采用电磁波CT系统对掘进工作面及其后方煤体进行探测，以划分冲击危险区域。
图7 068回风巷掘进工作面地音监测曲线
Fig.7 Acoustic emission monitoring curve of heading face of 068 return air way
2.3 掘进工作面冲击危险的电磁波CT探测
2.3.1 评价方案
采用电磁波CT对回风巷掘进工作面附近区域进行探测，具体探测区域与测区布置如图8所示。探测孔的深度均为14 m，掘进工作面和下帮仰角10°，上帮顺层打孔，孔径76 mm。两巷掘进工作面超前探测，即1号测区，探测孔深16 m，孔间距为3 m;而掘进工作面后方探测中，2号和3号测区的孔间距需跨过综掘机，分别设定为22.5和23.5 m，4号测区孔间距为20 m，5号测区是对4号区域卸压后的效果检验，孔间距22.5 m。具体施工参数详见表2。
图8 掘进工作面孔间电磁波CT探测区域及测区布置
Fig.8 Electromagnetic wave CT detection area and measuring area layout between two holes in heading face
表2 掘进工作面孔间电磁波CT探测参数
Table 2 Parameters of electromagnetic wave CT detection between two holes in heading face
2.3.2 评价结果及分析
图9～12为068回风巷在煤柱区边缘掘进期间冲击危险性指数分布云图及等值线图，区域内D最大值为0.89，最小值为-0.38。总体来看，测区内绝大部分区域冲击危险性指数小于0.5，存在小部分区域的冲击危险性指数处于0.5≤C<0.75，极少区域的冲击危险性指数处于0.75≤C。
图9 掘进工作面超前区域冲击地压危险性指数探测结果
Fig.9 Evaluation results of rock burst risk assessment in advance area of heading face
图10 掘进工作面后方3.5～26 m煤柱帮冲击地压危险性指数探测结果
Fig.10 Results of risk assessment of rock burst in the 3.5～26 m coal pillar section of heading face back
图11 掘进工作面后方3.5～27 m非煤柱帮冲击地压危险性指数探测结果
Fig.11 Results of risk assessment of rock burst in the 3.5～27 m non coal pillar section of heading face back
图12 掘进工作面后方26～46 m煤柱帮冲击地压危险性指数探测结果
Fig.12 Results of risk assessment of rock burst in the 26～46 m coal pillar section of heading face back
依据表1所示的分类标准，用相应表征方式将各冲击危险区域划定，其中0.5等值线包围的区域具有中等冲击危险区，0.25等值线包围的区域具有弱冲击危险，无强冲击危险区域。以下进行具体分析:
(1)由图9可知，掘进工作面超前16 m范围内，局部区域处于弱冲击危险，10 m范围危险区域面积较大，说明10 m范围内煤体较为完整，在掘进工作面超前支承压力的影响下，形成了应力集中区，具有一定的冲击危险。
(2)由图10和11可知，掘进工作面的两帮在掘进工作面后方3.5～8.5 m，局部区域具有弱冲击危险，同时小面积区域具有中等冲击危险，主要由于在掘进扰动下支护内煤体的破碎性较高，并且在回采帮内出现了少量的应力集中。而在掘进工作面后方8.5～26 m两帮无冲击危险，说明现有围岩完整性较好，抗冲击能力较强。
(3)由图12可知，掘进工作面的煤柱帮在掘进工作面后方26～46 m，冲击危险等级相对于8.5～26 m有所升高，弱冲击危险以及中等危险区域的面积都在扩大，在支护内和支护外均有分布，表明回风巷在煤柱区掘进时掘进工作面后方26～46 m为冲击危险性区域，推断其原因在于:068回风巷掘进工作面后方26～46 m位于上阶段采空区边缘附近，采空区上方坚硬辉绿岩顶板难以垮落形成悬顶，对其造成影响;同时，掘进巷道自身形成的支承压力区通常也位于掘进工作面后方30 m以外;此外，掘进巷道与井口边界煤柱的平距为70 m，是在煤柱高应力区边缘掘进，受煤柱与坚硬顶板形成的高应力区的影响，巷道掘出一段时间后应力升高速度较快，煤体裂隙随之迅速发育，因此边界煤柱仅影响了滞后掘进工作面一段距离。
2.3.3 对卸压及支护的指导
根据探测结果，对掘进工作面附近冲击危险区域及其危险等级进行划分，如图13所示，具体如下:
(1)煤柱区掘进期间，掘进工作面超前16 m内局部煤体具有弱冲击危险性，由此需要定期对该区域开展卸压工作，保证前方10 m范围始终处于卸压范围内，以降低掘进工作面的冲击危险性。
(2)煤柱区掘进期间，掘进工作面后方3.5～8.5 m帮部围岩大部分具有弱冲击危险，支护内很小面积具有中等及强冲击危险，因此要保证对该范围及时支护，以避免在远场强动载扰动下该区域的破坏失稳。在掘进工作面后方26～46 m，支护外的冲击危险均有所升高，存在弱及中等危险区域，需要采取卸压措施，在掘进工作面后30～40 m，支护内的冲击危险均有所升高，存在弱及中等危险区域，需要补强支护。
图13 掘进工作面附近冲击危险区域及其危险等级
Fig.13 Rockburst hazard zone and hazard grade
2.4 解危效果检验
根据电磁波CT探测结果，对掘进工作面后方26～46 m的巷道帮部，采取爆破卸压，孔深12 m，药量4 kg，封孔7 m，孔间距4 m。爆破卸压后，再次对该区域进行电磁波探测，发现卸压后大部分探测区域无冲击危险，仅有小面积区域具有弱冲击危险，没有中等冲击危险区域，如图14所示。
图14 卸压解危后冲击地压危险性指数探测结果
Fig.14 Index detection results after relieving stress
对比图14和图12可知，爆破卸压降低了探测区域中部的煤体强度，使得煤体中部的应力向深部转移，尤其是向煤体深度转移，中等和弱冲击危险区域的面积均有所减小;也表明了现有卸压措施比较充分的释放了支承压力区内的弹性能，并对支护的损伤较小，卸压与支护耦合性较好。
由图7可知，针对电磁波CT探测到的危险区域开展集中卸压后，地音预警指标快速降低，也验证了CT探测结果的准确性，表明层次化评价方法提高了掘进工作面冲击地压的防治效率。
综上，本文建立的冲击危险性层次化评价方法应用于某煤矿068回风巷掘进工作面，并依据评价结果，开展了卸压措施，补强了巷道支护;目前该巷道已顺利掘过煤柱区，没有出现灾害性冲击地压显现，验证了本文提出的评价方法的有效性。
3 讨 论
3.1 层次化评价与掘进生产的关系
工程实践的内蒙古某矿由于巷道成形不好，掘进速度较慢，小于4 m/d;但是许多冲击地压矿井掘进速度较快，大于5 m/d，此时如果依然以1 d为时间单位进行预警，将会导致当天已掘进至危险区域，次日才会预警，造成安全隐患。为此，需要缩短地音监测预警的时间单位，例如将地音监测预警的时间单位调整至1个小班(6或8 h)，当班如出现危险，下个小班立即停止掘进，开展探测，进而对危险区域开展卸压措施。但是如何确定地音监测预警的最优时间单位，从而与掘进速度更好的契合，需要通过研究不同掘进速度下应力集中形成的时长加以确定。
3.2 层次化评价在高应力区掘进时的作用
目前冲击地压矿井掘进工作面大多贯彻“逢掘必卸”，在常规掘进期间可以较好的降低掘进工作面附近的冲击危险性。但是，当巷道掘进至大型地质构造、采空区附近或煤柱区等应力集中区时，掘进工作面附近的应力环境极可能有所变化，并且单次卸压往往不能完全消除冲击危险;此时应用基于地音、电磁波CT的层次化评价方法，能够对掘进工作面的卸压效果进行检验，同时确定在不同类型的高应力区掘进时掘进工作面附近冲击危险区的分布特征，进而优化掘进工作面卸压范围及参数，在一定程度上能够提高在应力集中区掘进时的安全系数。
4 结 论
(1)建立了一种基于地音监测与电磁波CT探测的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法，该方法克服了基于单一监测或探测手段的评价方法在掘进工作面应用中存在的不足，对掘进工作面冲击危险区治理具有实际意义。
(2)该方法将冲击危险性评价目标层在时间和空间上进行分解，通过地音实时监测确定冲击危险性评价的时间层，通过电磁波CT探测确定冲击危险性评价的空间层，以时间层的执行结果做为空间层的执行判据;实现了掘进工作面冲击地压实时预警及危险区域划分的双重功能。
(3)层次化评价方法的工程实践表明，地音系统预警后，通过电磁波CT探测划分了掘进工作面冲击危险区域，确定了危险程度，通过对危险区域集中卸压与补强支护降低了冲击危险，验证了本评价方法的有效性。
提出的评价方法在内蒙古某矿得到成功应用，还需要通过在更多矿井的应用中不断完善，对不同掘进条件下评价方法的适用性和实用性做进一步研究。
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