義能煤礦3#煤層沖擊危險性評價與防治

宋冠忠 劉士法 李少濤

（1.山東裕隆礦業(yè)有限公司，山東 曲阜 272000；2.山東義能煤礦有限公司，山東 濟寧 272000）

1 工程背景

義能煤礦位于山東省汶上縣東15 km 處，生產(chǎn)能力核定為60 萬t/a，立井開拓。義能煤礦現(xiàn)主采3#煤層，3#煤層目前布置2 個采煤工作面同時開采，工作面采用走向長壁后退式采煤法。周邊礦區(qū)沖擊地壓頻發(fā)，故需對義能煤礦3#煤層進行沖擊危險性評價。礦井位置如圖1 所示。

對3#煤頂?shù)装暹M行鉆孔取樣后，測定巖石力學參數(shù)情況見表1。

表1 3#煤層頂?shù)装迩闆r一覽表

2 沖擊危險性評價因素

沖擊危險性評價需要考慮多個方面，綜合成因需考慮三個方向：地質(zhì)、技術(shù)與組織管理，如圖2所示[1-3]。

圖1 礦井位置

圖2 沖擊地壓發(fā)生原因

原巖應(yīng)力主要考慮自重應(yīng)力與水平應(yīng)力?，F(xiàn)在煤炭開采日趨深部化，地下空間所承受的上覆巖重也日漸增加，對沖擊地壓起重要作用的彈性能也在煤巖體中積聚增加，能量增加的同時帶來了沖擊危險性的增加。原巖應(yīng)力增大后，支護問題愈發(fā)棘手，對沖擊地壓的發(fā)生也有一定增益作用。采深與沖擊地壓危害的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 采深與沖擊地壓關(guān)系

煤巖體固有強度也是沖擊危險性衡量的主要指標。工作面開采后帶來的煤巖體中應(yīng)力、能量集聚，容易在巷道等臨空面發(fā)生煤巖體離層、崩壞等現(xiàn)象，產(chǎn)生強烈動力災(zāi)害。煤巖體強度與沖擊參數(shù)C1關(guān)系如圖4 所示。

圖4 強度與C1 之間的關(guān)系

巷道上部巖層結(jié)構(gòu)，尤其是巷道距上部空間中堅硬厚頂板的距離，是評價沖擊危險性的主要指標之一。因為上部堅硬頂板之類的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，一方面堅硬不易垮落，另一方面由于變形量小積聚了大量彈性能，如此類堅硬結(jié)構(gòu)發(fā)生破斷或者位移變化等變化，積聚的能量會瞬間涌出，造成大量能量波動，給地下空間帶來重大事故。圖5 為沖擊地壓次數(shù)與巷道距穩(wěn)固結(jié)構(gòu)距離之間的關(guān)系[4]。

圖5 沖擊地壓次數(shù)與巷道距斷層距離之間的關(guān)系

3 沖擊性評價

3.1 沖擊性因素分析

沖擊危險性由于影響因素眾多，需綜合考慮，使事故發(fā)生概率降到最低。在分析各因素對沖擊危險性帶來的影響后，使用綜合指數(shù)法建立評價模型，對不同因素進行評價后綜合評判礦井某區(qū)域是否有沖擊危險性。即對前文提出的各因素權(quán)重賦參，綜合建立評價機制，預(yù)測危險性。此種方法由于考慮全面，故可靠性更高。

如前文所述，煤體上部賦存的堅硬頂板總厚度對評價沖擊危險性有重要意義，主要考慮100 m 范圍內(nèi)巖性堅硬且厚度較大的砂巖厚度：

式中：hi為100 m 范圍內(nèi)堅硬頂板總厚度，m；ri為巖層間弱化傳導系數(shù)。

計算得頂板厚度特征值為：

同樣的標準也適用于采掘空間周邊地質(zhì)條件。

用式（2）確定此因素對沖擊地壓影響指數(shù)Wt1。

式中：Wt1為地質(zhì)因素影響權(quán)重；Wimax為第i個地質(zhì)因素最大指數(shù)；Wi為第i 個地質(zhì)因素實際指數(shù)；n1為地質(zhì)因素的數(shù)目。

通過試驗測定3#煤層單軸抗壓強度RC為12.464 MPa，動態(tài)破壞時間DT為115.2 ms，彈性能量指數(shù)WET為2.281，沖擊能量指數(shù)KE為2.164，據(jù)此判定3#煤層Ⅱ類沖擊傾向性，即中等沖擊傾向性。

用（3）式確定采掘作業(yè)時開采技術(shù)的評判指數(shù)Wt2。

式中：Wt2為開采技術(shù)因素指數(shù)；Wimax為第i個開采技術(shù)因素的指數(shù)最大值；Wi為采掘空間第i個開采技術(shù)因素的實際指數(shù)；n2為開采技術(shù)因素的數(shù)目。

據(jù)式（2）與式（3），即可判斷采掘空間對沖擊危險性影響指數(shù)Wt。

代入數(shù)據(jù)得Wt=max{Wt1,Wt2}= 0.52，由此可知3#煤層的埋深、煤體自身沖擊性與頂板上覆堅硬頂板總厚度對整個煤層的沖擊危險度起主要影響作用。

出于綜合考量，使用模糊數(shù)學中可能性指數(shù)法，考慮采動應(yīng)力與煤體自身沖擊屬性，在計算這些因素對沖擊地壓發(fā)生的隸屬度基礎(chǔ)上，判定沖擊地壓發(fā)生的可能性[5-6]。

煤體應(yīng)力狀態(tài)對沖擊地壓的隸屬度UIc：

式中：Ic=σ/ σc，σ = krH；k 為應(yīng)力集中系數(shù)；r為覆巖平均容重，kN/m3；H 為埋深，m；σc為煤體單軸抗壓強度，MPa。

煤體自身沖擊屬性對沖擊地壓的隸屬度UWet：

式中：Wet為沖擊傾向性指數(shù)。

發(fā)生沖擊地壓的可能性指數(shù)U：

評價標準如表2 所示。

表2 沖擊地壓發(fā)生可能性評價標準

可能性指數(shù)的評價步驟：

（1）研究采場應(yīng)力分布；

（2）測試3#煤自身沖擊性；

（3）計算上述因素隸屬度；

（4）計算可能性指數(shù)；

（5）對具體空間沖擊地壓發(fā)生可能性進行判定。

3.2 沖擊危險可能性指數(shù)評價

（1）研究采場應(yīng)力分布

3#煤平均埋深達723 m，考慮超前應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力綜合指數(shù)判定，集中系數(shù)按照k=2，最大應(yīng)力35 MPa，3#煤單軸抗壓強度平均為12.464 MPa，應(yīng)力比達到了2.81，基本達到?jīng)_擊地壓發(fā)生條件。

取Ic=2.81。

（2）測試3#煤自身沖擊性

3#的沖擊傾向性指數(shù)Wet=2.281。

（3）計算隸屬度

將Ic=2.81 代入式（5）得

UIc=1.0

即應(yīng)力隸屬度為1.0。

將Wet=2.281 代入式（6）得

UWet=0.636

即沖擊傾向性隸屬度為0.636。

（4）計算可能性指數(shù)

將UIc=1.0 和UWet=0.636 代入式（7）得發(fā)生沖擊地壓的可能性指數(shù)U 為

U=（UIc+ UWet）/2 =0.818

義能煤礦3#煤層沖擊可能性指數(shù)為0.818，可能性等級為“很可能”。

（5）對具體空間沖擊地壓發(fā)生可能性進行判定

3#煤沖擊地壓的可能性指數(shù)UIc=0.818，由于自身埋深大，上覆巖體中有很厚的一層或者數(shù)層堅硬頂板，具備發(fā)生沖擊地壓可能性，尤其是在開采時遇到采掘交替或者斷層披露時，容易誘發(fā)沖擊地壓。

礦井（3 煤層）開采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造整體較復(fù)雜，礦井（3 煤層）最淺采深約600 m，最大深度超過900 m，已超過我國規(guī)定的沖擊地壓可能發(fā)生的臨界深度，采區(qū)回采過程中發(fā)生沖擊地壓的可能性將大大增加。為此，采區(qū)掘進、回采期間應(yīng)加強沖擊危險的監(jiān)測，并切實做好沖擊地壓的防治工作。

4 3#煤防沖措施

針對義能煤礦礦井（3 煤層）條件，提出主要的防治沖擊地壓措施：停采線位置、爆破卸壓等措施。

目前3#煤大巷保護煤柱留設(shè)100 m，從工程管理角度保護煤柱已經(jīng)足夠保證大巷安全性，但各保護煤柱停采線附近，巷道頂板活動劇烈，需在停采線附近增設(shè)位移、應(yīng)力監(jiān)測站，密切觀測附近應(yīng)力。此外，不同工作面停采線參差不齊時造成鋸齒狀煤柱，應(yīng)力集中后沖擊危險性增加，故還需對齊停采線。

如常規(guī)防沖措施無法滿足防沖需求時，還需進行爆破卸壓，如圖6 所示。順槽卸壓爆破孔深度為15 m，裝藥長度為2 m，炮泥封孔長度13 m，爆破后如具有沖擊性，需二次乃至多次爆破，直至消除危險性。

圖6 順槽實體煤卸壓爆破炮眼布置示意圖

使用綜合指數(shù)法對義能煤礦3#煤進行沖擊性評價，可以較為全面地綜合考慮各種因素對義能3#煤沖擊危險性的影響，而且根據(jù)指數(shù)高低判定區(qū)域沖擊性，對部分區(qū)域進行防沖措施，如爆破卸壓等?？梢栽谙噜彽V區(qū)進行類似評價工作，對類似礦井防沖工作有指導意義。

5 結(jié)論與建議

（1）義能煤礦開采地質(zhì)條件復(fù)雜，3#煤層最淺采深約600 m，最大深度超過900 m，已超過我國規(guī)定的沖擊地壓可能發(fā)生的臨界深度，采區(qū)回采過程中發(fā)生沖擊地壓的可能性將大大增加。為此，采區(qū)掘進、回采期間應(yīng)加強沖擊危險的監(jiān)測，并切實做好沖擊地壓的防治工作。

（2）使用綜合指數(shù)法對義能煤礦沖擊危險性評價后，判定義能煤礦目前主采的3#煤層具備了發(fā)生沖擊地壓的應(yīng)力條件，容易誘發(fā)沖擊地壓，在采掘交替、斷層披露時需格外注意。

（3）以后的采煤工作面生產(chǎn)管理中，注意沖擊地壓發(fā)生的可能性，針對此制定行之有效的預(yù)防措施與避難措施，如對齊停采線、爆破卸壓等，盡量減少可能發(fā)生的沖擊地壓事故。

（4）使用綜合指數(shù)法對3#煤評價后，可以根據(jù)指數(shù)高低對沖擊性強的區(qū)域進行針對性防治措施。