沖擊性煤與瓦斯突出危險宏觀評價及應(yīng)用

孫炳興

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037)

在我國約有30%以上的礦井有煤巖瓦斯動力災(zāi)害危險(如沖擊地壓、煤與瓦斯突出等)，而煤巖瓦斯動力災(zāi)害會破壞礦井生產(chǎn)系統(tǒng)，造成人員傷亡，嚴(yán)重制約著煤礦安全和高效生產(chǎn)[1]。國內(nèi)外學(xué)者對各類煤巖瓦斯動力災(zāi)害進行了大量研究，對其災(zāi)害發(fā)生機理有了基本的認(rèn)識，對其預(yù)測與防治已形成了一些基本方法和技術(shù)，有效地指導(dǎo)了煤礦的安全生產(chǎn)。近年來，我國煤礦開采深度以平均每年12 m的速度遞增，煤礦進入深部開采后，地應(yīng)力、煤層瓦斯含量增大，沖擊地壓、煤與瓦斯突出(以下簡稱突出)等煤巖瓦斯動力災(zāi)害更加嚴(yán)重，并表現(xiàn)出更為復(fù)雜的災(zāi)害特征[2-3]。

對沖擊性突出機理相關(guān)研究得到，沖擊性突出也是地應(yīng)力、瓦斯、煤體物理力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果；在地應(yīng)力越大、瓦斯壓力越高、煤體強度越低的區(qū)域，沖擊性突出危險性就越大[4]。近幾年，在平煤礦區(qū)十礦、平禹四礦、方山礦、阜新礦區(qū)五龍礦、王營礦、撫順老虎臺礦等礦區(qū)，都發(fā)生了同時存在沖擊地壓和突出特征的煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害，均屬于以地應(yīng)力為主導(dǎo)、瓦斯影響下的沖擊地壓和突出互為誘因的復(fù)合動力災(zāi)害事故[5-7]。因此，在煤礦井下采掘過程中，根據(jù)引起沖擊性突出危險的主要因素，在具體區(qū)域和開采條件下，對沖擊性突出進行宏觀評價及分級，是防治沖擊性突出災(zāi)害重要的基礎(chǔ)工作和技術(shù)依據(jù)。

本文針對試驗礦井突出煤層地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)煤層特點，根據(jù)煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、覆巖結(jié)構(gòu)、煤柱、瓦斯賦存條件和開采條件等因素，針對每個因素采用不同的評價方法劃定危險區(qū)域，最后根據(jù)多因素耦合原理，劃定不同的危險區(qū)域和危險程度，為事先采取針對性的防治措施提供依據(jù)。

1 沖擊性突出危險性宏觀評價方法

沖擊性突出是地應(yīng)力、瓦斯、煤體本身物理力學(xué)性質(zhì)三者綜合作用的結(jié)果，而這3類因素又有各自的影響單因素[8]。首先，針對具體工作面的開采深度、煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、覆巖空間結(jié)構(gòu)、瓦斯賦存條件以及采動邊界等因素，采用礦山壓力與巖層控制理論、工程類比等方法進行單因素評價，確定出單因素影響形成的危險區(qū)域。然后，采用二級模糊綜合評價法建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造判斷矩陣，進行特征向量和最大特征值的計算，并進行一致性檢驗，其中二級模糊綜合評價的單因素評價矩陣為一級模糊綜合評價矩陣，采用層次分析法確定模型各級評價因素指標(biāo)的權(quán)重。通過計算分析，對可能受多個單因素影響的沖擊性突出危險區(qū)域的危險性系數(shù)做出評價。沖擊性突出危險性系數(shù)越高，則其危險程度就越大。對危險性系數(shù)計算結(jié)果分級，確定不同危險程度為輕度危險區(qū)、中度危險區(qū)和高度危險區(qū)。

由于沖擊性突出的復(fù)雜性，一般經(jīng)驗公式一些基本參數(shù)的取值多根據(jù)專家評分法確定，在個別的特殊礦山條件下，應(yīng)根據(jù)實際情況重新構(gòu)造判斷矩陣并進行一致性檢驗，確定沖擊性突出危險性層次分析—模糊綜合評價模型數(shù)學(xué)關(guān)系式。

2 沖擊性突出危險性評價層次結(jié)構(gòu)模型

依據(jù)沖擊性突出的主要影響因素，建立沖擊性突出的層次分析—模糊綜合評價模型[9-10]，主要影響因素分為地應(yīng)力、瓦斯、煤體物理力學(xué)性質(zhì)共3類，每一類因素又包含若干個單因素。①地應(yīng)力類因素(M1)：開采深度、煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、覆巖空間結(jié)構(gòu)、煤柱因素。②瓦斯類因素(M2)：瓦斯含量、瓦斯壓力。③煤體物理力學(xué)類因素(M3)：煤的破壞類型、煤的堅固性系數(shù)、煤的瓦斯放散初速度、煤的透氣性系數(shù)。

沖擊性煤與瓦斯突出的層次分析—模糊綜合評價模型如圖1所示。第1層是目標(biāo)層，即沖擊性突出系數(shù)；第2層是準(zhǔn)則層，即地應(yīng)力、瓦斯、煤體物理力學(xué)性質(zhì)；第3層是指標(biāo)層，即準(zhǔn)則層下的評價因子。根據(jù)層次分析法確定模型各級評價因素指標(biāo)的權(quán)重，計算沖擊性突出危險性系數(shù)(用G表示)，確定危險程度。

圖1 沖擊性煤與瓦斯突出的層次分析—模糊綜合評價模型

2.1 沖擊性突出危險性系數(shù)臨界指標(biāo)

采用模糊綜合評價法和層次分析法建立影響沖擊性突出的綜合因素與危險程度的關(guān)系，得出沖擊性突出危險性系數(shù)G，其臨界值見表1。

表1 沖擊性突出危險性指數(shù)與危險程度對照

2.2 判斷矩陣的建立及影響因素權(quán)重確定

根據(jù)圖1確定一級、二級影響因素判斷矩陣。

2.2.1 建立一級影響因素判斷矩陣

(1)地應(yīng)力類因素。建立地應(yīng)力的因素集：開采深度、煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、覆巖空間結(jié)構(gòu)、煤柱因素。因此，因素集M1={m11，m12，…，m15}。確定單因素權(quán)重度：建立影響因素判斷矩陣，采用專家評議法得出其判斷值，見表2。

表2 地應(yīng)力影響因素的判斷矩陣

因此，判斷矩陣B1為：

表3 地應(yīng)力影響因素的特征向量值

表4 地應(yīng)力影響因素的權(quán)重度

對判斷矩陣B1的一致性進行檢驗，判斷矩陣的隨機一次性比例：CR=0.065<0.1，一致性檢驗通過。因此，判斷矩陣B1的特征向量即各影響因素權(quán)重度為w=[0.085 0.255 0.202 0.217 0.241]T。

采用同樣的方法，可得瓦斯、煤體本身物理力學(xué)性質(zhì)2個一級影響因素的判斷矩陣的特征向量即各因素影響權(quán)重值。

2.2.2 建立二級影響因素判斷矩陣

2.3 沖擊性突出危險性模糊綜合評價

地應(yīng)力的5個影響因素開采深度、煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、覆巖空間結(jié)構(gòu)、煤柱因素的權(quán)重值分別為0.085、0.255、0.202、0.217、0.241，再由分別確定影響因素評價隸屬度，分別對應(yīng)標(biāo)記為r11、r12、r13、r14、r15。由此得地應(yīng)力對沖擊性突出危險性的隸屬度R1，即：

R1=0.085r11+0.255r12+0.202r13+0.217r14+0.241r15

(1)

同理可得瓦斯、煤體本身物理力學(xué)性質(zhì)2個二級影響因素對沖擊性突出危險性的隸屬度，分別用R2、R3表示。

R2=0.667r21+0.333r22

(2)

式中，r21、r22分別為瓦斯的2個影響因素(瓦斯含量、瓦斯壓力)的評價隸屬度值。

R3=0.237r31+0.408r32+0.237r33+0.118r34

(3)

式中，r31、r32、r33、r34分別為煤體本身物理力學(xué)性質(zhì)影響因素(煤的破壞類型、煤的堅固性系數(shù)、煤的瓦斯放散初速度、煤的透氣性)的評價隸屬度值。

如果教師在課堂教學(xué)中不對統(tǒng)計思想講解透徹，就會給學(xué)生理解統(tǒng)計方法和學(xué)習(xí)統(tǒng)計原理帶來很大的困難。教師應(yīng)該對一種方法的“統(tǒng)計思想”有深刻的理解，才能夠在教學(xué)中運用自如，而不至于在方法的“汪洋”中迷失方向，也只有如此，才能讓學(xué)生在統(tǒng)計學(xué)的課堂中抓住統(tǒng)計方法的靈魂。例如，在上述的方差分析中，理解了方差分析的“統(tǒng)計思想”就是“分解變異”時，就掌握了方差分析方法的精髓。適用于方差分析的實際問題可能千變?nèi)f化，但萬變不離其宗，只要我們牢牢掌握了該方法的統(tǒng)計思想，問題就可迎刃而解。

2.3.2 二級模糊綜合評價

采用同樣的方法，根據(jù)各二級因素集的隸屬度以及各二級影響因素集的權(quán)重度值，可得綜合影響因素G值即沖擊性突出危險性系數(shù)為：

G=0.540R1+0.297R2+0.163R3

(4)

最后通過對比表1確定某一區(qū)域的危險程度。

3 沖擊性突出危險性評價應(yīng)用

3.1 工作面概況

試驗工作面開采煤厚3.0～6.6 m，平均厚度為5.63 m，傾角平均8°。工作面走向長度2 090 m，傾向長度為200 m，平均埋深500 m。煤層瓦斯含量11.22 m3/t，瓦斯壓力0.40 MPa，孔隙率3.01%，透氣性系數(shù)0.175 m2/(MPa2·d)，瓦斯治理主要采用采前預(yù)抽和邊采邊抽的方式。采用走向長壁一次采全高綜合機械化采煤方法，全部垮落法控制頂板。工作面區(qū)域斷層、褶曲和陷落柱等構(gòu)造發(fā)育，煤層頂?shù)装迩闆r見表5。

表5 煤層頂?shù)装迩闆r

3.2 工作面沖擊性突出危險性評價

首先采用礦山壓力與巖層控制理論，結(jié)合工作面具體的工程地質(zhì)開采條件，確定了工作面發(fā)生沖擊性突出的影響因素主要有：開采深度、煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、覆巖空間結(jié)構(gòu)運動、瓦斯因素、煤體本身物理力學(xué)性質(zhì)，然后對沖擊性突出危險區(qū)進行評價。

(1)開采深度與沖擊性突出危險性關(guān)系評價。開采深度超過了沖擊性突出的臨界深度400 m[11]，具備深度條件。因此，具有發(fā)生煤與瓦斯突出的危險傾向性。

(2)煤巖結(jié)構(gòu)與沖擊性突出危險性關(guān)系評價。工作面基本頂是煤層上方約3 m處的厚8.5 m的灰白色細(xì)砂巖，基本頂?shù)闹芷谛詳嗔?、回轉(zhuǎn)下沉運動引起工作面周期壓力，是誘發(fā)沖擊性突出的關(guān)鍵巖層。

(3)地質(zhì)構(gòu)造與沖擊性突出的工程類比評價。地質(zhì)構(gòu)造是誘發(fā)沖擊性突出的因素之一，工作面斷層、褶曲和陷落柱等構(gòu)造發(fā)育，從而增大了沖擊性突出危險性。分析工作面構(gòu)造地質(zhì)條件，該工作面在多個區(qū)域(距切眼700～1 580 m)存在密集且影響較大的斷層、褶曲和陷落柱，地質(zhì)構(gòu)造密集區(qū)域?qū)Πl(fā)生沖擊性突出具有重要影響，受地質(zhì)構(gòu)造影響的沖擊性突出危險區(qū)域如圖2(a)所示。

(4)覆巖空間結(jié)構(gòu)運動與沖擊性突出關(guān)系評價。隨著工作面回采，覆巖空間結(jié)構(gòu)的發(fā)生變化，如出現(xiàn)應(yīng)力疊加而產(chǎn)生集中，就可能誘發(fā)沖擊性突出[12]?；卷敵醮蝸韷弘A段：根據(jù)試驗礦井采煤工作面的開采經(jīng)驗，基本頂初次來壓步距為40 m左右，工作面前方50～100 m為危險區(qū)域，如圖2(b)所示。工作面“見方”階段：當(dāng)工作面回采至200 m左右進入工作面“見方”階段，工作面前方50～100 m為危險區(qū)域，如圖2(c)所示。周期來壓階段：工作面初次來壓后，基本頂開始出現(xiàn)周期性、規(guī)律性的垮落，基本頂周期來壓前，將增強工作面前方50～100 m內(nèi)危險區(qū)的危險性。

圖2 多因素誘發(fā)沖擊性突出危險區(qū)

(5)瓦斯因素對沖擊性突出影響評價。經(jīng)測試，整個工作面區(qū)域都具有發(fā)生沖擊性突出的條件，特別是在一些煤層相變帶等區(qū)域，瓦斯更易聚集，突出危險性更大。但在工作面回采前，已對煤層瓦斯進行大面積區(qū)域預(yù)抽，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力均有效降低，因此發(fā)生瓦斯突出危險性較低。

(6)煤體本身物理力學(xué)性質(zhì)對沖擊性突出影響評價。工作面由于開采時已通過打密集鉆孔抽采瓦斯，使得煤體破碎程度增加，容易形成“固氣似流體”災(zāi)害體，因此突出危險性較大。

綜上，采用沖擊性突出層次分析—模糊綜合評價法，對工作面沖擊性突出危險程度進行分析評價，結(jié)果見表6。

表6 工作面沖擊性突出危險區(qū)的危險程度

通過評價結(jié)果，將這些沖擊危險區(qū)按危險程度劃分為3類：中度危險區(qū)域3個，高度危險區(qū)域6個，其他區(qū)域為輕度危險區(qū)域，如圖3所示。

圖3 多因素層次評價的沖擊危險區(qū)

3.3 應(yīng)用效果分析

根據(jù)工作面多因素層次評價結(jié)果，在相應(yīng)區(qū)域有針對性地實施防沖擊性突出措施，例如采用堅硬頂板預(yù)斷裂技術(shù)進行頂板初次斷裂和工作面“見方”斷裂沖擊性突出危險區(qū)域解危；在巷道幫腳處施工大直徑鉆孔進行切底卸壓，切斷巷道底板積聚能量，降低底煤沖擊性突出的發(fā)生；沖擊性突出危險區(qū)采取大直徑卸壓和二次卸壓與強排粉以及預(yù)抽鉆孔瓦斯預(yù)抽采等措施。工作面回采期間，除液壓支架工作阻力升高外，未發(fā)生明顯異常情況和沖擊性突出事故，一方面，說明在整個工作面采取的預(yù)抽瓦斯以及卸壓鉆孔等多種防治措施比較到位；另一方面，說明沖擊性突出宏觀評價的指導(dǎo)作用，在相對輕度危險區(qū)和中度危險區(qū)域可以適當(dāng)減少防治措施，提高了生產(chǎn)效率，降低了開采成本。

4 結(jié)論

對有沖擊性突出危險煤層的地質(zhì)、瓦斯賦存和開采條件等因素，首先應(yīng)采用不同的針對性評價方法，找出危險區(qū)域；再根據(jù)多因素耦合原理，劃分不同的危險區(qū)域以及危險程度等級，從而為預(yù)防措施提供技術(shù)支撐。采用沖擊性突出危險宏觀評價方法對試驗工作面評價及應(yīng)用后可知，沖擊性突出危險宏觀評價具有良好的指導(dǎo)作用，能為防治措施提供可靠依據(jù)，使防治措施具有針對性，從而能提高生產(chǎn)效率，降低開采成本。