《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》：Determination of critical stress for rockburst warning: A model incorporating borehole-sensor interaction and its validation
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岩爆实时监测与预警系统需基于钻孔周围应力传感器的定量交互建立阈值理论模型。通过分析钻孔收敛与岩爆发生的力学关系，推导出传感器油压与临界矿压的数学关联，提出综合考虑岩体强度、脆性、矿压及钻孔尺寸的预警阈值确定方法，并以中国典型矿井为例验证误差范围为4.2%-6.5%。
戴连鹏|赵欣|鞠明和|潘一山|王爱文|徐连满|田子腾
辽宁大学灾害岩石力学研究所，沈阳，110036，中国
摘要
岩爆实时监测和预警系统依赖于安装在巷道周围钻孔中的传感器来感知应力。建立基于传感器与钻孔之间定量相互作用的理论方法，以确定这些应力传感器的监测阈值，是缓解岩爆的基本要求。在本研究中，我们分析了钻孔收敛和岩爆发生背后的驱动力，建立了岩爆易发巷道中应力传感器与钻孔之间相互作用的理论损伤模型。推导出了描述钻孔与应力传感器之间相互作用的特征公式和曲线，并讨论了主要控制因素及其相互作用规律。基于这些发现，提出了岩爆控制的设计原则和监测阈值。结果表明，由岩爆发生所需的临界采矿应力驱动，钻孔收敛曲线与应力传感器的挤压变形曲线的交点对于定量确定监测阈值至关重要。最后，我们提出了一种理论标准和方法来确定应力传感器的预警阈值，该阈值直接与岩石强度、岩石脆性、采矿应力和钻孔尺寸相关。通过对中国典型岩爆矿区的案例研究，验证了该标准的工程适用性，理论预警阈值与实际预警阈值之间的误差范围为4.2%–6.5%。
引言
岩爆是一种在高地应力作用下岩石体发生动态破坏和动能释放的现象。1, 2, 3, 4, 5 这被认为是国际采矿和岩石力学领域的主要问题，6 中国95%以上的岩爆发生在巷道中。7, 8, 9, 10 随着煤矿开采的不断深入，岩爆的频率和强度都在增加，11 例如2023年11月28日，黑龙江省双阳煤矿发生了11人死亡的事故；2021年10月11日，陕西省胡家河煤矿发生了4人死亡的事故；2018年10月20日，山东省龙云煤矿发生了21人死亡的事故。岩爆发生的主要原因是巷道周围的高采矿应力。12, 13 因此，使用安装在巷道周围钻孔中的传感器进行应力感知是岩爆监测和预警最常用的方法之一。14, 15 确定应力预警阈值的应力传感器与钻孔之间相互作用的定量计算是有效控制岩爆的首要前提。16, 17
目前，全球范围内已经研究了基于应力监测确定岩爆预警阈值的方法。例如，沈等人18开发了一套实时连续的三维应力监测系统，可以实现应力传感器与煤体的有效耦合，从而对多维应力及其变化规律进行定向测试。此外，沈等人19在澳大利亚的一个地下煤矿的岩壁附近开发了一个集成监测系统，该系统配备了微地震检测器、应力传感器和伸长计，用于获取长壁开采过程中的矿山地震和应力变化数据。蔡等人20提出了四种技术方案，通过结合微地震监测、液压支护压力监测和地震波速度层析成像来定量评估静态和动态应力。谭等人21提出了一种基于机器学习算法的空间推导模型，利用有限的监测数据来表征整个空间内的采矿应力分布，克服了传统应力监测方法（如使用应力传感器）的局限性。李等人22研究了深部煤矿中的岩爆机制，并通过联合部署微地震和电磁辐射监测系统进行了局部应力监测。陈等人23提出了一种基于“灌浆固化”预处理的新应力监测方法，以解决由于钻孔损坏导致传统应力传感器监测结果不准确甚至无效的问题。该方法的有效性通过实验室测试、数值模拟和现场应用得到了验证。李等人24研究了一种基于压力激励电流的新方法，通过实验反映了煤体应力的变化，用于岩爆监测。拉谢德等人25在不同深度的支柱中安装了钻孔应力传感器，以测量支柱中的垂直应力变化。监测结果为优化不同深度和地质条件下的煤柱肋支撑提供了依据。王等人26通过实验研究和现场验证，提出了一种利用电磁辐射监测和预测岩压的综合技术。傅和张27通过现场监测分析了两个工作面之间的煤柱变形和应力分布，以确定确保安全和效率的最佳煤柱宽度。辛格等人28对印度一个煤田中具有不同地质和采矿条件的16个煤柱回收工作面进行了现场监测，更准确地研究了采空区边界处煤柱垂直应力的变化规律。刘等人29通过结合原位微地震监测和数值模拟（RFPA2D-Flow）研究了岩爆易发巷道的应力演变和损伤特性，揭示了巷道的不稳定性机制。张等人30综合使用了现场监测、理论分析、数值模拟、钻孔监测等方法，研究了初次开采作用下宽煤柱内部支护压力的分布和演变规律。余等人31使用不同的介质模拟煤体，并形成了不同的测试方案，使用KS和KSE钻孔应力传感器进行测试。通过对测试数据的回归分析，系统地研究了测量误差，并有效提高了测量精度。
尽管进行了广泛的研究，但基于应力监测准确确定岩爆的临界监测阈值仍面临以下挑战：（1）没有描述钻孔与巷道周围应力传感器之间相互作用的定量方程。因此，无法建立应力传感器油压与岩爆临界应力之间的关系。（2）现有的确定临界预警阈值的方法往往没有考虑跨尺度效应（从实验室尺度到工程尺度），并且没有考虑岩石脆性、应力传感器刚度和钻孔尺寸。（3）当前的工程实践通常采用固定的安装深度（8米、12米或14米），而不考虑岩石性质（软或硬）。这种方法机械且片面，无法准确反映周围岩石的损伤规律。
因此，我们提出了一种基于钻孔与巷道周围应力传感器之间定量相互作用来确定应力传感器预警阈值的方法。我们建立了一个描述岩爆巷道中应力传感器与钻孔之间相互作用的损伤力学模型。推导出了描述钻孔与应力传感器之间相互作用的特征公式和曲线，并讨论了主要控制因素及其相互作用规律。最后，提出了一种与岩石强度、岩石脆性、采矿应力和钻孔尺寸直接相关的理论标准和方法，以确定应力传感器的预警阈值。
部分摘录
传感器的预警原理定性描述
深部巷道开挖后，周围岩石会形成软化和断裂区；深部弹性区的周围岩石会产生采矿应力集中P_m，受到原位应力P的作用。从能量的角度来看，由于弹性能量的积累，弹性区成为岩爆发生的核心区域。当围绕岩石的采矿应力P_m接近岩爆发生的临界采矿应力时，就会发生巷道岩爆。
关系：传感器值p_g与采矿应力P_m
钻孔应力传感器是一种直接利用油压变化来测试周围岩石极限平衡区内采矿应力的元件。图4显示，在岩爆工作面进行采矿作用时，巷道前方的采矿应力P_m逐渐增加，接近岩爆发生的临界采矿应力P_mcr。然后，在临界采矿应力作用下确定油压读数
确定预警阈值的原则
确定应力传感器预警阈值的主要依据是传感器挤压变形曲线与由岩爆临界采矿应力驱动的钻孔收敛曲线之间的交点。应力传感器应采用尽可能小的钻孔尺寸。在确保应力传感器顺利安装的合理钻孔尺寸范围内，更优选较小的钻孔直径，其范围为
验证
我们以中国吉林某煤矿的5#煤层为例，验证了岩爆控制中应力传感器预警阈值的定量方法。5#煤层的平均厚度和埋深分别为8.03米和984米，平均单轴抗压强度为15 MPa。表1列出了5#煤层巷道和应力传感器预警阈值的基本参数。
应力传感器布置在513S的采矿巷道中
结论
推导出了描述钻孔与应力传感器之间相互作用的理论公式，并提出了相应的特征曲线。我们提出了一种理论标准和方法，通过钻孔收敛曲线与应力传感器挤压变形曲线的交点来确定应力传感器的预警阈值。主要结论如下：
(1)确定应力传感器预警阈值的方法
作者贡献声明
戴连鹏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，数据管理。赵欣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理。鞠明和：撰写 – 原稿，方法论，数据管理。潘一山：撰写 – 审稿与编辑，方法论，数据管理。王爱文：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。徐连满：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。田子腾：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金 [52304133]、 CAST青年精英科学家资助计划 [2024QNRC001]、辽宁省高等教育基本研究计划 [LJ222510140001] 以及深部地下工程智能建造与健康运维国家重点实验室 [SDGZK2402] 的财政支持。
