低抗壓強度煤體工作面沖擊地壓危險性修正應力因數評價方法

秦 帥，劉 懿

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司， 贊比亞 基特韋 22592;2.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院， 北京 100083)

低抗壓強度煤體工作面沖擊地壓危險性修正應力因數評價方法

秦 帥1，劉 懿2

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司， 贊比亞 基特韋 22592;2.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院， 北京 100083)

綜合分析討論了目前國內評價沖擊地壓危險性時采用的一般方法，在此基礎上指出采用單軸抗壓強度指標作為主要依據的應力泛定量評價法在評價礦井沖擊危險性以及指導現(xiàn)場支護和沖擊地壓治理方面的優(yōu)勢，針對該方法在評價低抗壓強度煤體工作面時存在的評價結果偏于保守，沖擊危險性結論高于真實結果的問題，提出了引入應力修正因數指標對評價結果進行修正。以最新的煤體沖擊傾向性鑒定國家標準為理論依據，建立了煤體單軸抗壓強度與應力修正因數之間的函數關系式，完善了沖擊危險性應力泛定量評價法，構建了可用于低抗壓強度煤體礦井的沖擊危險性評價方法，擴大了應力泛定量評價法的適用范圍。

軟煤；低抗壓強度；沖擊地壓；危險性評價；修正應力因數

0 引 言

隨著國民經濟的飛速增長，我國對煤炭的需求量也在不斷增加，然而經過多年的煤炭開采，淺部的資源越來越少，深部資源逐漸成為開采的主要目標[1]。在大采深條件下，采掘活動造成的擾動容易誘發(fā)具有沖擊傾向性的煤巖體突然破壞并且大量拋出，造成巨大的人員傷亡和財產損失。然后由于地應力顯現(xiàn)的突發(fā)性和復雜性，形成沖擊地壓的機理和其預評估方法一直是專家和學者們探討的課題。

國內眾多專家學者對如何評價沖擊危險提出了不同的理論和方法，其中應力泛定量評價方法是由姜福興教授提出，因其具有快速簡便，易獲得相關數據等特點，在我國多個省份得到廣泛的應用。然而該方法的適用條件具有一定的局限性，在煤體單軸抗壓強度偏低的條件下，評價的結論偏于保守，誤差增大。

按照已有工程經驗，松軟煤體(單軸抗壓強度很低的煤體)一般不具有沖擊危險，在深部高應力條件下，低抗壓強度煤體的礦山由于深部的高原巖應力也會存在沖擊地壓事故。因此，行業(yè)內急需一種能夠適用于低抗壓強度煤體沖擊危險性評價的方法。

為擴大應力泛定量評價方法的適用范圍，本文提出，在對單軸抗壓強度較低煤體的工作面進行沖擊危險性評價時，需要針對其低抗壓強度，引入應力修正因子，保證沖擊危險性評價能夠更加符合實際，減少沖擊危險程度的誤判，避免評價區(qū)域的防沖措施制定過激，引起人力和財力的浪費，造成工人緊張情緒，耽誤礦山正常生產的有序進行。

1 沖擊危險性評價方法

1.1 沖擊危險性影響因素

目前專家和學者們對于沖擊地壓發(fā)生的機理的認識尚未統(tǒng)一[2]，但是對于影響沖擊危險性的因素大約可以劃分為以下3類：

(1) 煤巖體的沖擊傾向性。對于存在沖擊災害的礦山，其煤層在積蓄巨大能量以后，突然發(fā)生破壞并瞬間釋放大量彈性變形能，然而在幾乎相同的地質條件和技術條件下，煤層發(fā)生沖擊的幾率是不同的，證明各類煤層的儲蓄能量和產生突然破壞的能力也不一樣[3]。

(2) 地質條件。地質因素為煤巖發(fā)生沖擊提供了主要力源，同一煤層在不同位置處，其受力狀態(tài)是不同的[4]。地質條件因素包括開采深度、頂底板巖層結構、褶曲、斷層等地質構造。

(3) 開采技術條件。開采技術條件的不同也會導致煤層內部所受的應力集中程度不同，不合理的采掘布置會導致局部煤體處于高應力狀態(tài)，極易發(fā)生沖擊地壓[5]。開采技術條件主要包括開采方法、采掘順序、巷道布置、采空區(qū)處理方法、煤柱布置等因素。

1.2 國內沖擊危險性評價方法

沖擊地壓的危害是巨大的，是煤礦生產當中應當重點防治的動力災害。為了保證生產安全，一般國內礦山都會提前對即將采掘的工作面進行沖擊危險性評價，以期掌握工作面的沖擊危險性，在后續(xù)生產中針對危險制定相應的防范和治理措施。

由于沖擊地壓的危害之大，引起了人們對煤礦安全生產的高度重視，經過多年研究，國內專家和學者在沖擊地壓方面已取得了很多研究成果。如竇林名等[6]針對地質因素與采礦因素對沖擊地壓的影響，提出了沖擊地壓危險性評價的綜合指數法。雷毅采用數量化理論，根據所研究問題的不同目的，用數量化預測方法(Ⅰ類問題)和數量化判別方法(II類問題)建立了沖擊地壓危險性綜合評價模型[7]。張開智等[8]根據屬性識別理論，建立了有沖擊危險煤巖的沖擊危險程度綜合評價的變權識變模型。姜諳男[9]提出了最小二乘支持向量機模式識別的沖擊危險性預測方法。秦子晗等[10]提出基于模糊物元模型的沖擊危險性評價方法。葛志會[11]采用模糊數學方法結合層次分析法，建立了沖擊地壓危險性的模糊綜合評價方法。

以上學者提出的理論從不同角度評估了煤巖的沖擊危險性，對實踐有一定的指導作用。但現(xiàn)有方法基本都屬于靜態(tài)綜合性評價，給出的是整個被評價的工作面沖擊危險程度的結論，并沒有針對礦山的具體現(xiàn)場條件，指出采掘生產過程中，工作面內部具體區(qū)域的動態(tài)沖擊危險性情況，用于指導礦山制定具體的沖擊地壓防治措施的可操作性較低；另外，很多評價方法所用到的數據通常需要復雜的現(xiàn)場測量和多次實驗過程才能夠得到，還有些數據需要專門的測量設備和技術人員，這些要求對于一般的礦山不易達到。基于這些原因，姜福興教授提出了將垂直應力與煤體單軸抗壓強度的比值和煤層沖擊傾向性指數之一的彈性能量指數兩個指標用于模糊評價煤體沖擊危險性[12]。通過泛定量計算工作面各個區(qū)域包括垂直應力、構造應力、超前應力、覆巖運動動壓等多因素耦合疊加后煤體內部的垂直應力狀態(tài)，將其與單軸抗壓強度的比值作為判斷沖擊危險性的依據，指導礦山根據不同區(qū)域的危險程度制定不同防治措施，避免了措施過量或者不足。該評價方法已經在山東、內蒙古、黑龍江等多個省份及自治區(qū)得到廣泛應用。

單軸抗壓強度因其易于獲得并具有一定的工程指導意義，廣泛應用于煤礦開采工程中的礦壓、支護及沖擊地壓防治。結合礦山原有的生產地質資料，應力泛定量評價法采用煤體單軸抗壓強度就能夠劃出不同級別的危險區(qū)域，是一種快速有效的評價方法。然而該方法在用于煤體單軸抗壓強度較低的礦井將出現(xiàn)評價結果偏于保守，沖擊危險性比實際偏高的問題。針對該問題，在應力泛定量評價過程中加入應力修正過程，引入應力修正因數，保證最后的評價結果更加符合工程實際。

2 應力泛定量評價的應力修正因數

2.1 應力泛定量評價法存在的問題

應力泛定量評價法在評價沖擊地壓危險性時，采用礦井巖體內某一點處垂直應力與其單軸抗壓強度的比值IC來判定該點處沖擊危險性，如式(1)。這是在現(xiàn)有技術與理論條件下廣泛運用于煤礦及金屬礦山的評價沖擊地壓(巖爆)危險性的有效方法。

(1)

式中，IC為沖擊危險性系數；σy為某點處的垂直應力水平；[σC]為煤、巖體的單軸抗壓強度。

根據式(1)，煤、巖體的單軸抗壓強度與沖擊危險性系數呈反比例關系，即在垂直應力不變的條件下，單軸抗壓強度減小，沖擊危險性將增加。這顯然需要一定的適用范圍，否則就會出現(xiàn)與日常工程經驗相矛盾的結論。例如在單軸抗壓強度極低的情況下，計算所得沖擊危險性系數會非常大，但顯然煤巖體在極軟弱的條件下是難以發(fā)生沖擊危險的。因此引入應力修正因數，保證最后的評價結果更加符合工程實際。

2.2 應力修正因數

2.2.1 應力修正因數的理論依據

為了擴大應力泛定量評價方法在低抗壓強度條件下的適用性，引入應力修正因數，該因數的數值應當與煤體的單軸抗壓強度密切相關。建立應力修正因數與煤體單軸抗壓強度之間數量關系的重點在于找到煤的單軸抗壓強度與其沖擊傾向性的關系。

齊慶新教授通過對多個具有沖擊傾向性的礦山研究發(fā)現(xiàn)沖擊傾向性與單軸抗壓強度有著密切關系，因此提出將單軸抗壓強度作為鑒定沖擊傾向性的指標之一，同時給出了鑒定范圍[13]。其實驗結果表明，對于無沖擊傾向性煤層，單軸抗壓強度通常小于7 MPa；對于中等沖擊傾向性煤層，單軸抗壓強度為7～21 MPa；對于強沖擊傾向性煤層，單軸抗壓強度為13～36 MPa[12]。

根據最新的《國家標準》[14]，煤的沖擊傾向性的強弱由動態(tài)破壞時間、彈性能量指數、沖擊能力指數及單軸抗壓強度四個指數進行綜合衡量，分別用DT、WET、KE和RC來表示。當DT、WET、KE、RC的測定值存在矛盾關系時，其分類可采用模糊綜合評判方法，4個指標的權重分別為0.3，0.2，0.2，0.3。

按4個指標數值的大小分，煤巖的沖擊傾向性看可以分為3類，見表1。

表1 煤的沖擊傾向性分類

從表1可知，將單軸抗壓強度指標用于評價煤體沖擊傾向性，可選用7 MPa及14 MPa兩個值作為區(qū)分沖擊傾向性類別的分界點。若煤體的單軸抗壓強度低于7 MPa，普遍認為不具有沖擊傾向；若煤體單軸抗壓強度高于14 MPa，認為具有強沖擊傾向。在擬定應力修正因數時，借鑒了該《國家標準》的分界指標。

2.2.2 應力修正因數指標

根據《國家標準》附錄A中綜合評判結果表，當煤體單軸抗壓強度小于7 MPa時，其他3項因素的不同組合可以使得沖擊傾向性綜合評判結果出現(xiàn)無沖擊、弱沖擊、強沖擊3種情況。因此在實際進行沖擊危險性評價時，某礦的煤體單軸抗壓強度很低時，也不能認定該礦沒有沖擊危險性，只是在煤體單軸抗壓強度逐漸趨近于0的過程中，其沖擊危險性逐漸減小，逼近于無沖擊危險；而當煤體單軸抗壓強度很大時，由于高強度的煤體破壞前所能夠承受的最大垂直應力增大，失穩(wěn)破壞過程中所釋放的彈性能量更大，造成的沖擊事故后果更為嚴重，沖擊危險性也相應增高，此時不存在低強度條件對于應力泛定量評價方法產生的影響效應，應力修正因數的取值應當使沖擊危險性系數的表達式回歸初始形態(tài)。

針對以上分析，嘗試采用二次拋物型隸屬函數，建立煤層單軸抗壓強度σC與應力修正因數μ之間的關系見式(2)：

(2)

作出單軸抗壓強度σC與應力修正因數μ的關系，如圖1所示。

圖1 應力修正因數隸屬函數曲線

因此，將應力修正因數代入到式(1)中，得到修正后的沖擊危險性系數表達式為：

(3)

以IC修正的值為1.5，2.0和2.5分別作為一般、中度和高度危險區(qū)的判別依據，相應的預警危險應力σ采用下式計算：

(4)

通過應力泛定量評價方法計算出煤體內部的垂直應力狀態(tài)，即可根據式(2)和式(4)判斷該點處的沖擊危險性。

3 應力修正因數的應用

為驗證引入應力修正因數后，采用應力泛定量評價方法評價低抗壓強度煤體的礦井沖擊危險性結果的合理性，選擇山東某礦進行沖擊危險性評價。

3.1 工作面條件

(1) 開采深度。12305工作面開采水平為-680 m，地面標高為+35 m左右，工作面標高為-839.8～-905.4 m，深度在950 m左右。

(2) 頂板巖層結構特征。12305工作面煤層老頂中砂巖，厚度9～14 m。淺灰-灰白色，石英長石為主，次圓狀，分選中等，中部夾泥質條紋，顯平行層理，下部見垂直裂隙發(fā)育，裂隙面全填充，此類巖層易積蓄大量彈性能。

(3) 煤的沖擊傾向性。根據鑒定結果，煤層具有弱沖擊傾向性，煤層頂板巖層具有強沖擊傾向性，底板巖層具有弱沖擊傾向性。經過單軸抗壓強度試驗，工作面區(qū)域內煤體平均強度為11.63 MPa。

(4) 地質構造。12305工作面范圍內造復雜，兩順槽及切眼實際揭露3條斷層，落差2 m以上斷層1條。12305切眼外側有2條斷層對回采沒有影響。工作面內含有兩條隱伏斷層：F106斷層傾角75°，落差0～5 m，F(xiàn)107斷層傾角75°，落差0～7 m。

12305工作面范圍內存在向斜構造，兩側巷道均穿過向斜翼部應力集中區(qū)域。

3.2 沖擊危險性應力泛定量評價

綜合某煤礦地質資料和巷道掘進情況，造成工作面發(fā)生沖擊地壓災害的原因有：

(1) 垂直應力與采動應力相互作用導致的沖擊；

(2) 采動應力與構造應力相互作用導致的沖擊；

(3) 堅硬頂板運動誘發(fā)的沖擊；

(4) 采動應力與沿空巷道側向支承壓力疊加誘發(fā)沖擊。

根據以上分析，以切眼處為坐標原點，巷道離切眼的距離為自變量，分別建立兩條巷道在各項因素影響下的應力值與切眼距離的函數關系。

3.2.1 垂直地應力

根據12305工作面軌道、皮帶順槽地質剖面圖，將巷道按照標高劃分為幾個不同的區(qū)段，采用分段函數表達每個區(qū)段的垂直應力。

3.2.2 斷層構造應力

為了便于定量的分析斷層兩側應力的分布狀態(tài)，將斷層兩側應力分布情況近似為等腰三角形分布，如圖2所示。

圖2 斷層集中應力計算模型

計算出兩條巷道受斷層影響的應力分布為：

3.2.3 褶曲構造應力

取褶曲引起的應力集中程度系數為1.1，計算褶曲影響范圍內的煤體應力水平。

3.2.4 側向支承應力

12305工作面西北部12303老空區(qū)，受“S”型覆巖空間結構控制，應力較大的地區(qū)分布在接近采空區(qū)一側的軌道順槽附近。取側向支承應力集中系數為1.2。

3.2.5 覆巖運動應力

根據同煤層礦壓觀測結果，取老頂初次來壓應力集中系數為2.0，老頂周期來壓應力集中系數為1.2，在其影響范圍內的最大動壓分別為：

根據應力增量原則，將以上各個因素影響下的垂直應力值進行疊加，作出兩順槽在回采期間煤體所受的垂直應力曲線，將煤體單軸抗壓強度的1.5倍、2.0倍、2.5倍3個數值分別作為一般危險性(綠色)、中度危險性(黃色)、高度危險性(紅色)的判定指標，曲線高于某一指標的區(qū)域，即為相應的危險區(qū)，劃分沖擊危險區(qū)域如圖3所示。

3.3 引入修正因數的評價結果

將該礦3層煤單軸抗壓強度11.6 MPa值代入式(4)，可計算出一般、中度、高度沖擊地壓危險性程度的判定線分別為18.9，25.2，31.5 MPa。沖擊危險區(qū)域劃分結果見圖4。

圖4 沖擊危險區(qū)域修正評價結果

從圖4中可以看出，應力泛定量法在引入應力修正因數后，對該工作面進行沖擊危險性評價劃分的危險區(qū)域明顯減少，危險程度顯著降低。

應用結果表明，引入應力修正因數可以擴大應力泛定量評估法的適用范圍，保證了其在低抗壓強度煤體工作面的沖擊危險性評估的準確性。

4 結 論

(1) 討論了影響煤層沖擊地壓危險性的因素，對現(xiàn)有的評價方法進行了分析，在此基礎上指出采用單軸抗壓強度指標作為主要依據的應力泛定量評價法在評價礦井沖擊危險性以及指導現(xiàn)場支護和沖擊地壓治理方面的優(yōu)勢；

(2) 指出并分析了應力泛定量評價法用于評價低抗壓強度煤體工作面時存在的問題，提出了采用應力修正因數來對應力泛定量評價法在低抗壓強度煤體工作面應用時出現(xiàn)的誤差進行修正；

(3) 以最新的煤體沖擊傾向性鑒定國家標準為理論依據，建立了煤體單軸抗壓強度與應力修正因數之間的函數關系式，完善了沖擊危險性應力泛定量評價法，構建了可用于低抗壓強度煤體礦井的沖擊危險性評價方法，擴大了應力泛定量評價法的適用范圍。對某沖擊地壓礦井的沖擊危險性進行了評價，表明了本方法具有合理性。

需要指出的是，由于現(xiàn)場工程條件的復雜性，且應力修正后的泛定量評價方法并非完全基于沖擊地壓發(fā)生機理本質的一種評價方法，因此其用于生產實踐中仍不可避免出現(xiàn)一定的偏差。沖擊地壓事故在松軟煤體礦井發(fā)生的機理尚不明確，仍需要進行進一步深入的理論研究，建立完整的致災理論體系，才能夠從根本上實現(xiàn)沖擊地壓危險性的準確評估。

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