基于多因素分析的孤島工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測

左凌云

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云長春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

近年來，隨著我國煤炭資源開采強(qiáng)度和深度不斷增加，沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的頻度和強(qiáng)度也顯著增大[1-4]，受到?jīng)_擊地壓威脅的礦井?dāng)?shù)量也急劇增加[5，6]。特別是兩面、三面或四面采空的孤島工作面，由于受相鄰采空區(qū)應(yīng)力疊加影響，孤島工作面附近應(yīng)力集中程度、覆巖運(yùn)動(dòng)程度更大，相比常規(guī)工作面開采沖擊危險(xiǎn)性更高[7-9]。孤島工作面由于開采地質(zhì)條件和采掘情況的復(fù)雜性，難以準(zhǔn)確進(jìn)行沖擊地壓的危險(xiǎn)性評價(jià)和危險(xiǎn)區(qū)域劃分，從而影響制定合理有效的孤島工作面沖擊地壓防治措施。因此進(jìn)行沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測是有效防治沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害，保證礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)和前提。

針對孤島工作面沖擊地壓的危險(xiǎn)性預(yù)測方面，已有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。劉曉斐等[10]采用綜合指數(shù)法和數(shù)值模擬方法進(jìn)行采前沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測，采用鉆屑法和電磁輻射法進(jìn)行開采沖擊危險(xiǎn)性局部預(yù)測，所得預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際吻合度較好。于正興和姜福興等[11]提出以綜合指數(shù)法和沖擊地壓發(fā)生可能性指數(shù)診斷法進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)的宏觀評價(jià)方法對濟(jì)三煤礦53下05孤島工作面進(jìn)行沖擊地壓危險(xiǎn)性評價(jià)，評價(jià)結(jié)果為工作面提前采取卸壓措施提供了可靠依據(jù)。宋來智和王同旭等[12]采用可能性指數(shù)診斷法對葛亭礦2323半孤島工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行了評價(jià)。以往的研究成果對特定條件下的孤島工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性評價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義，但仍具有一定的局限性。

兗州礦區(qū)南屯煤礦存在多個(gè)孤島工作面，且在2007年及2010年曾發(fā)生過震級(jí)2.8級(jí)和3.2級(jí)的沖擊地壓事故，造成多名工人受傷，巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)損壞，給礦井造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。該礦73上29工作面同樣為孤島工作面，存在沖擊地壓災(zāi)害的威脅，因此合理劃定可能存在沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域?qū)χ笇?dǎo)該工作面安全生產(chǎn)，防治沖擊地壓災(zāi)害具有非常重要的意義[13-15]。

1 工作面概況

73上29工作面位于七采區(qū)，工作面走向長度為744m，傾斜長度為184m，埋深約為331.5～403.5m；所采煤層為3上煤，煤層厚度為1.6～7.5m，平均為6.1m；煤層傾角平均為5°，普氏硬度為f=2～3。經(jīng)鑒定，3上煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性。該工作面為孤島工作面，西部靠近73上28工作面采空區(qū)，東部靠近73上26等工作面采空區(qū)，北部靠近風(fēng)氧化帶，南部鄰近風(fēng)氧化帶及73上13等工作面采空區(qū)。該工作面煤層及頂?shù)装鍘r層分布情況如圖1所示。

圖1 工作面煤層及頂?shù)装鍘r層分布情況

2 工作面沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)

2.1 綜合指數(shù)法評價(jià)

2.1.1 地質(zhì)因素確定沖擊危險(xiǎn)等級(jí)

根據(jù)79上29工作面地質(zhì)條件及影響沖擊地壓發(fā)生危險(xiǎn)的因素確定了各地質(zhì)因素的危險(xiǎn)指數(shù)，見表1。

表1 地質(zhì)條件影響下73上29工作面危險(xiǎn)性等級(jí)

將表1中各地質(zhì)因素的危險(xiǎn)指數(shù)具體參數(shù)代入式(1)，得到73上29工作面地質(zhì)因素影響下沖擊危險(xiǎn)指數(shù)Wt1為0.84。

式中，Wi為第i個(gè)影響因素的實(shí)際指數(shù)；Wimax為第i個(gè)影響因素的最大的危險(xiǎn)指數(shù)；n1為影響因素的個(gè)數(shù)。

2.1.2 開采因素確定沖擊危險(xiǎn)等級(jí)

根據(jù)79上29工作面開采技術(shù)條件及影響沖擊地壓發(fā)生危險(xiǎn)的因素確定了各開采技術(shù)因素的危險(xiǎn)指數(shù)，見表2。

表2 開采技術(shù)條件影響下73上29工作面危險(xiǎn)性等級(jí)

將工作面開采技術(shù)因素的危險(xiǎn)指數(shù)具體參數(shù)代入式(2)，得到73上29工作面開采技術(shù)因素影響下沖擊危險(xiǎn)指數(shù)Wt2為0.51。

2.1.3 綜合評價(jià)結(jié)

綜合地質(zhì)因素以及開采技術(shù)因素分析，得到Wt=max{Wt1，Wt2}=max{0.84，0.51}=0.84，即通過綜合指數(shù)法可以確定73上29工作面沖擊危險(xiǎn)性綜合指數(shù)為0.84，具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。

2.2 可能性指數(shù)法評價(jià)

2.2.1 可能性指數(shù)

工作面開采前的應(yīng)力集中系數(shù)為1.4～1.8，平均值為1.6；73上29工作面煤層為強(qiáng)沖擊傾向性煤層，單軸抗壓強(qiáng)度為27.42～36.41MPa，平均值為31.92MPa。設(shè)“應(yīng)力”和“煤層沖擊傾向性”為誘發(fā)沖擊地壓的因素。

2.2.2 應(yīng)力對“沖擊地壓”事件的隸屬度

73上29工作面煤層平均埋深331.55m，代入式(3)可得UIC=0.407×0.5=0.204。

式中，k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為巖石重度，N/m3；H為采深，m；[σc]為煤層單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

2.2.3 煤層沖擊傾向性對沖擊地壓事件的隸屬度

實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果顯示，73上29工作面煤層的彈性能量指數(shù)為8.54～10.83，平均值為9.69。根據(jù)式(4)計(jì)算得到，煤巖的沖擊傾向性對“發(fā)生沖擊地壓”事件的隸屬度UWET為1.0。

式中，WET為沖擊傾向性彈性能量指數(shù)。

2.2.4 計(jì)算沖擊地壓發(fā)生的可能性指數(shù)

基于上述計(jì)算，73上29工作面基于可能性指數(shù)的沖擊地壓評價(jià)結(jié)果為U=0.602，具備了發(fā)生沖擊地壓的條件。

3 工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分與等級(jí)確定

3.1 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)的影響

3.1.1 老頂?shù)某醮纹茢嚯A段

頂板以砂巖為主，73上29工作面初次破斷來壓期間，考慮不利因素，理論垮落帶巖層高度為：

可見理論垮落帶巖層高度為18.01m，考慮最不利因素，整個(gè)垮落帶老頂巖層作為一層分層整體破斷垮落，初步計(jì)算老頂分層梁式斷裂的極限跨距為：

式中，h為老頂?shù)谝环謱雍穸龋罁?jù)中粒砂巖的厚度，取17.71m；RT為極限抗拉強(qiáng)度，依據(jù)中粒砂巖極限抗拉強(qiáng)度的平均值，取7.59MPa；q為根據(jù)組合梁原理計(jì)算的均布載荷，中粒砂巖老頂控制的巖層載荷為0.43MPa。

計(jì)算得到老頂?shù)某醮蝸韷翰骄?5.91m，根據(jù)老頂初次來壓前后20m為主要影響范圍，則工作面主要影響范圍為距切眼區(qū)域66～106m。73上29工作面開采過程中，中粒砂巖老頂初次垮落期間，工作面壓力急劇升高，發(fā)生沖擊地壓的可能性較大，應(yīng)加強(qiáng)頂板支護(hù)，提高支架的初撐力。

危險(xiǎn)區(qū)域劃分：老頂初次來壓前后20m為中等危險(xiǎn)區(qū)域。

3.1.2 工作面“見方”階段

工作面推進(jìn)至距切眼185m(工作面面長)時(shí)為“一次見方”階段，此時(shí)采空區(qū)頂板巖層受力發(fā)生變化，易發(fā)生沖擊地壓事故，主要受影響范圍為前后50m范圍。因此73上29工作面初次“見方”、二次“見方”和三次“見方”階段與開切眼間距見表3。

危險(xiǎn)區(qū)域劃分：初次“見方”段前后50m范圍為嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)域，二次“見方”、三次“見方”階段前后20m范圍為中等危險(xiǎn)區(qū)域。

表3 73上29工作面見方階段與切眼距離

根據(jù)以上對73上29工作面初次破斷及見方區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性分析，劃分了3類沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，并將這些危險(xiǎn)區(qū)域劃分為：嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)域、中等危險(xiǎn)區(qū)域、一般危險(xiǎn)區(qū)域。73上29工作面危險(xiǎn)區(qū)域劃分(覆巖運(yùn)動(dòng))如圖2所示。

圖2 73上29工作面危險(xiǎn)區(qū)域劃分(覆巖運(yùn)動(dòng))

3.2 采空區(qū)煤柱影響

采空區(qū)邊界煤柱一般承載了較高的集中應(yīng)力，極易可能誘發(fā)沖擊地壓危害。73上29工作面周圍采空區(qū)內(nèi)分布有多條區(qū)段煤柱，將對該工作面的安全回采造成不同程度的影響。同時(shí)由于該工作面為孤島工作面，上覆巖層自重應(yīng)力將全部集中在前方煤體和周邊煤柱上，承載煤體經(jīng)歷了多次開采擾動(dòng)內(nèi)部破壞程度較高，承載能力已大幅降低，對73上29工作面安全回采造成顯著影響。

危險(xiǎn)區(qū)域劃分：區(qū)段煤柱及前后20m范圍為嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)域，煤柱前后20～50m范圍為中等危險(xiǎn)區(qū)域。73上29工作面危險(xiǎn)區(qū)域劃分(采空區(qū)煤柱)如圖3所示。

圖3 73上29工作面危險(xiǎn)區(qū)域劃分(采空區(qū)煤柱)

3.3 工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分與等級(jí)確定匯總

根據(jù)以上對73上29工作面沖擊危險(xiǎn)性的多因素評價(jià)，劃分出了不同影響因素下的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，其不同影響因素造成的沖擊地壓危險(xiǎn)水平是不同的。對于73上29工作面，通過單個(gè)因素影響范圍的疊加，并結(jié)合每類因素所造成的危險(xiǎn)水平的不同，將這些危險(xiǎn)區(qū)域劃分為三類：嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)域5個(gè)，中等危險(xiǎn)區(qū)域6個(gè)，其他為一般危險(xiǎn)區(qū)域。具體危險(xiǎn)區(qū)域劃分見表4。

表4 73上29工作面危險(xiǎn)區(qū)域統(tǒng)計(jì)表

4 工作面沖擊地壓防治措施及效果檢驗(yàn)

4.1 大直徑鉆孔卸壓

掘進(jìn)期間迎頭應(yīng)力較大，掘進(jìn)前在兩個(gè)工作面巷道的掘進(jìn)頭，垂直于掘進(jìn)斷面打超前卸壓鉆孔，鉆孔直徑150mm，鉆孔深度20m，鉆孔呈正三花眼和倒三花眼交替布置，如圖4所示，卸壓鉆孔完成后，可以開始掘進(jìn)巷道。開掘至距超前卸壓鉆孔底部5m時(shí)停止掘進(jìn)，并開始打下一輪的超前鉆孔，如此往復(fù)。

圖4 巷道掘進(jìn)迎頭大直徑鉆孔卸壓方案

4.2 煤體爆破卸壓

若大直徑鉆孔卸壓未能起到預(yù)期的卸壓效果，鉆屑量監(jiān)測超過臨界值或在鉆進(jìn)過程中有吸鉆、卡鉆、頂鉆等動(dòng)力現(xiàn)象及其他監(jiān)測手段監(jiān)測到的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，可采取煤體爆破卸壓措施，降低區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)程度，之后再次進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測，直到?jīng)_擊危險(xiǎn)性消除或應(yīng)力明顯降低后方可進(jìn)行正常施工。在異常區(qū)域進(jìn)行煤體爆破卸壓時(shí)，確定孔距的原則為：爆破后所形成的破壞區(qū)(壓碎區(qū)和破裂區(qū))應(yīng)相互貫通，以便使兩者連接形成完全的卸壓帶，爆破鉆孔間距優(yōu)化如圖5所示，因此根據(jù)壓碎區(qū)和破裂區(qū)的寬度就可確定爆破孔間距。

圖5 爆破鉆孔間距優(yōu)化

煤體卸壓爆破鉆孔施工位置為監(jiān)測沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域前后10m范圍，鉆孔深度不小于10m，間距5～10m，孔徑42mm，單孔裝藥量3～5kg，封孔長度不小于6m。煤體卸壓爆破布置如圖6所示。

圖6 煤體卸壓爆破布置

4.3 沖擊地壓防治措施效果檢驗(yàn)

對73上29工作面兩巷發(fā)生沖擊地壓的一般危險(xiǎn)區(qū)域和中等危險(xiǎn)區(qū)域采用在掘進(jìn)迎頭施工大直徑鉆孔的方案進(jìn)行卸壓，在嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)域采用在掘進(jìn)迎頭施工大直徑鉆孔配合煤體卸壓爆破的方案進(jìn)行卸壓防沖，并通過鉆屑法對卸壓效果進(jìn)行監(jiān)測和檢驗(yàn)，監(jiān)測結(jié)果顯示鉆屑量普遍小于規(guī)定的臨界值且沒有出現(xiàn)吸鉆、卡鉆、頂鉆等動(dòng)力現(xiàn)象，說明采取的解危措施有效，達(dá)到了降低或消除沖擊地壓危險(xiǎn)的目的。

5 結(jié) 論

1)綜合指數(shù)法確定工作面沖擊危險(xiǎn)性綜合指數(shù)為0.84，具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)；工作面基于可能性指數(shù)的沖擊地壓評價(jià)結(jié)果為U=0.602，具備了發(fā)生沖擊地壓的條件。

2)受工作面覆巖運(yùn)動(dòng)的影響劃分2個(gè)嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)域、5個(gè)中等危險(xiǎn)區(qū)域；受采空區(qū)煤柱影響的區(qū)段煤柱及前后20m范圍為嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)域，煤柱前后20～50m范圍為中等危險(xiǎn)區(qū)域；根據(jù)沖擊危險(xiǎn)性的多因素分析，劃分為5個(gè)嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)域，6個(gè)中等危險(xiǎn)區(qū)域。回采過程中應(yīng)在以上危險(xiǎn)區(qū)域做好預(yù)警監(jiān)測工作，并及時(shí)采取有效卸壓措施。

3)針對不同沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，采用大直徑鉆孔卸壓以及煤體爆破卸壓的方式進(jìn)行沖擊地壓解危處理，監(jiān)測結(jié)果顯示解危措施合理有效。