多因素應(yīng)力疊加沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)應(yīng)力增量取值實(shí)測分析

孫立田，孔 賀，張立明，田國慶，李登月

(1.肥城礦業(yè)集團(tuán)礦業(yè)管理服務(wù)有限公司雙合煤礦，山東 濟(jì)寧 272600；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083；3.北京安科興業(yè)礦山安全技術(shù)研究院有限公司，北京 102299；4.山東安科興業(yè)智能裝備有限公司，山東 濟(jì)南 250002；5.山東雙合煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272600)

沖擊地壓是世界范圍內(nèi)井工煤礦開采中遇到的嚴(yán)重動(dòng)力災(zāi)害，對煤礦安全高效開采構(gòu)成嚴(yán)重威脅，威脅礦井職工生命安全[1-6]。為了有效地控制沖擊地壓事故的發(fā)生，國內(nèi)外諸多專家學(xué)者在沖擊地壓防控方面開展了大量研究，取得了大量研究成果。例如，竇林名等[7]研究了動(dòng)載與靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的能量和應(yīng)力條件，系統(tǒng)地提出了動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的原理，并分析了煤礦動(dòng)靜載特征，根據(jù)應(yīng)變率對煤礦載荷狀態(tài)進(jìn)行了界定。潘俊鋒[8]以沖擊地壓物理演化過程分解為突破口，采用理論與工程案例結(jié)合的方法，著重對沖擊地壓的沖擊啟動(dòng)原理進(jìn)行了分析，在補(bǔ)充完善沖擊地壓啟動(dòng)理論的基礎(chǔ)上，建立煤礦沖擊地壓啟動(dòng)理論及其成套技術(shù)體系。夏永學(xué)等[9]采用微震和地音監(jiān)測系統(tǒng)對千秋煤礦煤巖震動(dòng)信息進(jìn)行了聯(lián)合監(jiān)測，研究確定了千秋煤礦評價(jià)沖擊危險(xiǎn)性的微震和地音指標(biāo)。姜福興、譚運(yùn)亮等[10-12]為解決復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)預(yù)警的難題，通過研究煤礦復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理和發(fā)生前兆的關(guān)聯(lián)性，提出了針對復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性的臨場預(yù)警、中期預(yù)警以及遠(yuǎn)期預(yù)警的關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)理念，研究開發(fā)了沖擊地壓綜合監(jiān)控預(yù)警平臺；同時(shí)提出了一種基于自重應(yīng)力基礎(chǔ)之上疊加各個(gè)沖擊危險(xiǎn)性因素產(chǎn)生的應(yīng)力增量的沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)方法，該方法能使回采工作面沖擊危險(xiǎn)評價(jià)更趨量化，從而提高評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性。

沖擊危險(xiǎn)性預(yù)評價(jià)，劃分沖擊危險(xiǎn)區(qū)及危險(xiǎn)等級，可以指導(dǎo)工程現(xiàn)場針對不同的沖擊危險(xiǎn)區(qū)采取相應(yīng)的防治措施，是避免沖擊地壓事故發(fā)生的重要途徑之一。姜福興等[11]提出了一種基于應(yīng)力疊加的工作面沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)方法，該方法通過建立坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系內(nèi)對所有沖擊地壓影響因素引起的應(yīng)力增量進(jìn)行疊加估算，可以通過多因素耦合疊加估算得到煤體總應(yīng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)趨于定量化的預(yù)評價(jià)。該方法已在我國近百個(gè)沖擊地壓礦井應(yīng)用，為現(xiàn)場沖擊地壓的防治提供了指導(dǎo)，效果良好。但是，該方法中應(yīng)力增量的確定，尤其是構(gòu)造應(yīng)力增量、采動(dòng)應(yīng)力增量、見方區(qū)域應(yīng)力增量的確定多為工程經(jīng)驗(yàn)。研究成果[13-16]在沖擊地壓理論發(fā)展方面做出了有益探索，且主要集中在沖擊地壓危險(xiǎn)性監(jiān)測方面，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測參數(shù)并反饋于沖擊地壓危險(xiǎn)性評價(jià)方面仍存在一定不足。本文針對文獻(xiàn)[11]中應(yīng)力增量確定中存在的不足，通過現(xiàn)場布設(shè)應(yīng)力監(jiān)測測點(diǎn)，對不同沖擊地壓影響因素下最大應(yīng)力增量進(jìn)行監(jiān)測分析，探索了不同影響因素下最大應(yīng)力增量，可為相鄰工作面及條件相似工作面沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)提供參考。

1 工作面概況

1.1 工作面地質(zhì)及開采技術(shù)條件

雙合煤礦主采3煤層，工作面平均采深約900m，工作面一側(cè)為實(shí)體煤，一側(cè)為采空區(qū)，區(qū)段煤柱設(shè)計(jì)寬度為5m，煤層平均厚度3.3m，單軸抗壓強(qiáng)度為1.56MPa，工作面巷道內(nèi)斷層落差不大于10m。現(xiàn)場安裝了煤體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，測點(diǎn)按深淺孔布置(8m和14m)，測點(diǎn)組間距約25m，每條巷道布置11組，監(jiān)測工作面超前約250m范圍內(nèi)煤體應(yīng)力變化，推采速度控制在2.4m/d，且已完成安全回采，工作面測點(diǎn)布置及預(yù)評價(jià)沖擊危險(xiǎn)區(qū)劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 應(yīng)力測點(diǎn)布置及預(yù)評價(jià)危險(xiǎn)區(qū)劃分結(jié)果

1.2 工作面基于多因素應(yīng)力疊加的沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)

工作面存在斷層地質(zhì)構(gòu)造，斷層落差不大于10m，其中預(yù)評價(jià)結(jié)果重點(diǎn)對工作面回采過斷層地質(zhì)構(gòu)造、覆巖結(jié)構(gòu)演化期間進(jìn)行了分析評價(jià)，綜合工作面回采期間沖擊地壓影響因素，判定回采期間兩順槽初次來壓、工作面見方、過斷層期間為強(qiáng)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)，其余區(qū)域?yàn)橹械葲_擊地壓危險(xiǎn)區(qū)，在危險(xiǎn)區(qū)劃分上工作面兩巷差異性較小。

2 基于應(yīng)力監(jiān)測的應(yīng)力增量分析與評價(jià)優(yōu)化

2.1 基于應(yīng)力監(jiān)測的應(yīng)力增量分析

工作面回采期間沖擊地壓主要受到上覆巖層自重應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力、采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力、斷層構(gòu)造應(yīng)力等影響，在工作面回采過程中存在一種或多種影響因素疊加的情況。通過沖擊地壓影響因素分析，劃分了五種類型，見表1。不同沖擊地壓影響因素影響區(qū)域均布置了應(yīng)力監(jiān)測測點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)工作面回采過程中煤體應(yīng)力變化量實(shí)時(shí)監(jiān)測。

表1 不同沖擊地壓因素疊加區(qū)域統(tǒng)計(jì)表

2.1.1 類型Ⅰ下應(yīng)力監(jiān)測曲線統(tǒng)計(jì)

在初始打壓值均為5MPa前提下，為得到工作面見方、采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力、斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加影響下應(yīng)力變化量，統(tǒng)計(jì)了該區(qū)域內(nèi)多個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)的應(yīng)力曲線，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)軌道巷9深孔應(yīng)力曲線具有代表性，如圖2所示。

圖2 類型Ⅰ下應(yīng)力監(jiān)測曲線

通過工作面見方、采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力、斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加影響下數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力最大值為14.4MPa，該類型下疊加應(yīng)力增量為9.4MPa。

2.1.2 類型Ⅱ下應(yīng)力監(jiān)測曲線統(tǒng)計(jì)

為得到采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力、斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加影響下應(yīng)力變化量，統(tǒng)計(jì)了該區(qū)域內(nèi)多個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)的應(yīng)力曲線，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)軌道巷14淺孔、12(補(bǔ))淺孔應(yīng)力曲線具有代表性，如圖3所示。

圖3 類型Ⅱ下應(yīng)力監(jiān)測曲線

通過統(tǒng)計(jì)分析側(cè)向支承壓力、采動(dòng)應(yīng)力、斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加影響下軌道巷14淺孔最大值為12.2MPa，應(yīng)力增量為7.2MPa；軌道巷12補(bǔ)淺孔最大值為11.6MPa，應(yīng)力增量為6.6MPa，平均應(yīng)力增量為6.9MPa。

2.1.3 類型Ⅲ影響應(yīng)力曲線分析

為得到采動(dòng)應(yīng)力、工作面見方影響下應(yīng)力變化量，統(tǒng)計(jì)了該區(qū)域內(nèi)多個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)的應(yīng)力曲線，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸巷13深、淺孔應(yīng)力曲線具有代表性，如圖4所示。

圖4 類型Ⅲ下應(yīng)力監(jiān)測曲線

統(tǒng)計(jì)得到采動(dòng)應(yīng)力、工作面見方疊加影響下運(yùn)輸巷13淺孔最大值為12.2MPa，應(yīng)力增量為7.2MPa；運(yùn)輸巷13深孔最大值為10.1MPa，應(yīng)力增量為5.1MPa，平均應(yīng)力增量6.15MPa。

2.1.4 類型Ⅳ下應(yīng)力監(jiān)測曲線統(tǒng)計(jì)

為得到采動(dòng)應(yīng)力、采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力疊加影響下應(yīng)力變化量，統(tǒng)計(jì)了該區(qū)域內(nèi)多個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)的應(yīng)力曲線，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)軌道巷5深孔、6深孔應(yīng)力曲線具有代表性，如圖5所示。

圖5 類型Ⅳ下應(yīng)力監(jiān)測曲線

基于采動(dòng)應(yīng)力、采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力疊加影響下軌道巷5深孔最大值為10.1MPa，應(yīng)力增量為5.1MPa；軌道巷6深孔最大值為10.7MPa，應(yīng)力增量為5.7MPa，平均應(yīng)力增量為5.4MPa。

2.1.5 類型Ⅴ下應(yīng)力監(jiān)測曲線統(tǒng)計(jì)

為得到采動(dòng)影響下應(yīng)力變化量，統(tǒng)計(jì)了該區(qū)域內(nèi)多個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)的應(yīng)力曲線，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸巷11深、淺孔應(yīng)力變化曲線具有代表性，如圖6所示。

圖6 類型Ⅴ下應(yīng)力監(jiān)測曲線

基于工作面運(yùn)輸巷采動(dòng)影響下測點(diǎn)應(yīng)力增量分析發(fā)現(xiàn)，工作面采動(dòng)影響下運(yùn)輸巷11深孔應(yīng)力最大值為10.1MPa，應(yīng)力增量為5.1MPa；運(yùn)輸巷11淺孔最大值為7.1MPa，應(yīng)力增量為2.2MPa，平均應(yīng)力增量為3.65MPa。

通過對不同類型下應(yīng)力測點(diǎn)最大應(yīng)力增量分析，估算得到了單一影響因素下最大應(yīng)力增量，見表2。

表2 不同類型下應(yīng)力數(shù)據(jù)

通過上述統(tǒng)計(jì)分析，在同一工作面測點(diǎn)初始壓力均為5MPa前提下，統(tǒng)計(jì)得到采動(dòng)應(yīng)力、采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力、斷層構(gòu)造應(yīng)力和工作面見方疊加影響下煤體最大應(yīng)力增量為9.40MPa；采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力、斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加影響下煤體最大應(yīng)力增量為6.90MPa；采動(dòng)應(yīng)力和工作面見方疊加影響下煤體最大應(yīng)力增量為6.15MPa；采動(dòng)應(yīng)力和采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力疊加影響下煤體最大應(yīng)力增量為5.40MPa；采動(dòng)影響下煤體最大應(yīng)力增量為3.65MPa?；诙嘁蛩貞?yīng)力疊加評價(jià)方法和不同區(qū)域煤體應(yīng)力變化量實(shí)測分析，得到采動(dòng)影響下應(yīng)力增量系數(shù)取值1.73，斷層應(yīng)力增量系數(shù)1.3，采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力增量系數(shù)1.35，見方影響下應(yīng)力增量系數(shù)為1.5。

2.2 工作面評價(jià)結(jié)果優(yōu)化

通過統(tǒng)計(jì)工作面不同沖擊地壓影響因素下的煤體相對應(yīng)力曲線，同時(shí)結(jié)合礦壓顯現(xiàn)情況和鉆屑檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)優(yōu)化調(diào)整，基于現(xiàn)場實(shí)測的單工作面見方期間鉆屑檢驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖7所示，優(yōu)化后沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)劃分如圖8所示。

圖7 鉆屑檢驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

圖8 基于現(xiàn)場實(shí)測的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)劃分

對比圖7(a)和圖7(b)鉆屑檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，軌道巷側(cè)統(tǒng)計(jì)7組鉆屑檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中4組出現(xiàn)吸鉆情況，統(tǒng)計(jì)期內(nèi)吸鉆占比57%；運(yùn)輸巷側(cè)無吸鉆情況，僅出現(xiàn)2組見矸情況?；阢@屑檢驗(yàn)揭示的軌道巷側(cè)煤體應(yīng)力高于運(yùn)輸巷側(cè)。

軌道巷側(cè)在采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力、覆巖結(jié)構(gòu)演化疊加影響下井下礦壓顯現(xiàn)較大，主要表現(xiàn)為現(xiàn)場煤炮和鉆檢吸鉆情況，因此判定沿空側(cè)該區(qū)域?yàn)閺?qiáng)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)；在采動(dòng)應(yīng)力、采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力、斷層構(gòu)造疊加影響下同樣出現(xiàn)了礦壓顯現(xiàn)較大情況，因此判定為強(qiáng)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)。在運(yùn)輸巷側(cè)采動(dòng)應(yīng)力和覆巖結(jié)構(gòu)演化疊加影響下井下礦壓顯現(xiàn)較軌道巷側(cè)低，主要表現(xiàn)在煤炮和鉆屑檢驗(yàn)情況，綜上可知，工作面未受采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力影響的工作面巷道，沖擊危險(xiǎn)性降低。

3 結(jié) 論

1)根據(jù)不同影響因素下應(yīng)力測點(diǎn)實(shí)測曲線分析可知，采動(dòng)應(yīng)力、采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力、斷層構(gòu)造應(yīng)力和工作面見方疊加影響下煤體最大應(yīng)力增量為9.40MPa；采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力、斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加影響下煤體最大應(yīng)力增量為6.90MPa；采動(dòng)應(yīng)力和工作面見方疊加影響下煤體最大應(yīng)力增量為6.15MPa；采動(dòng)應(yīng)力和采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力疊加影響下煤體最大應(yīng)力增量為5.40MPa；采動(dòng)影響下煤體最大應(yīng)力增量為3.65MPa。

2)分析得到工作面采動(dòng)應(yīng)力增量系數(shù)為1.73，斷層應(yīng)力增量系數(shù)為1.3，采空區(qū)覆巖傳遞應(yīng)力增量系數(shù)1.35，見方影響下應(yīng)力增量系數(shù)為1.5。

3)現(xiàn)場實(shí)測分析得到不同影響因素應(yīng)力增量，可以為相鄰工作面或條件相似工作面沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)中應(yīng)力增量的確定提供參考。

4)煤體應(yīng)力變化受多種影響因素制約，本文針對特定工作面，采用煤體應(yīng)力監(jiān)測，對煤體最大應(yīng)力增量進(jìn)行了實(shí)測分析，不同地質(zhì)及開采技術(shù)條件影響下的工作面將存在一定的差異，更加符合現(xiàn)場實(shí)際的最大應(yīng)力增量取值，需要在現(xiàn)場實(shí)踐中不斷積累與優(yōu)化。