煤巖動(dòng)力系統(tǒng)區(qū)域尺度計(jì)算方法在沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

＊?jiǎng)⒑槿?楊振華 蘭天偉 榮海

（1.龍煤雙鴨山礦業(yè)有限責(zé)任公司 東榮二礦 黑龍江 155100 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院 遼寧 123000）

引言

沖擊地壓是破壞性最強(qiáng)的礦井動(dòng)力災(zāi)害之一，當(dāng)沖擊地壓發(fā)生時(shí)，將給礦井帶來(lái)嚴(yán)重的破壞和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。因此，對(duì)沖擊地壓發(fā)生危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估是沖擊地壓防治的關(guān)鍵。沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)工作是“四位一體”沖擊地壓防治技術(shù)體系的首要工作，圍繞此方向，專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，并取得了豐碩的研究成果。溫廷新等[3]構(gòu)建了基于預(yù)處理的AFOA-ELM沖擊地壓危險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，提高了沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。畢娟等[4]提出了一種R型因子分析Fisher判別的沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型，提高了沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)等級(jí)精度。喬美英等[5]提出利用改進(jìn)的果蠅優(yōu)化算法（FOA）優(yōu)化參數(shù)，建立了相應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)性等級(jí)的有效預(yù)測(cè)。文暢平[6]綜合考慮沖擊地壓發(fā)生的自然因素、地質(zhì)因素和開(kāi)采技術(shù)因素，選擇了煤層厚度、傾角、埋深、地質(zhì)構(gòu)造情況等10個(gè)參數(shù)作為判別因子，提出了沖擊地壓危險(xiǎn)性的Bayes判別分析法，對(duì)沖擊地壓的預(yù)測(cè)與危險(xiǎn)性分級(jí)進(jìn)行了研究。

沖擊地壓等礦井動(dòng)力災(zāi)害影響范圍是有限的，為沖擊地壓提供能量及受到影響的煤巖體構(gòu)成了“煤巖動(dòng)力系統(tǒng)”。Батуги А.С等[7-9]研究表明礦井沖擊地壓震源區(qū)的尺寸為10～20m，孕育區(qū)尺度約為震源區(qū)尺度的10～20倍，參與沖擊地壓發(fā)生的孕育區(qū)尺度為幾十米至幾百米的范圍[10]。因此構(gòu)建沖擊地壓煤巖動(dòng)力系統(tǒng)模型，確定系統(tǒng)不同尺度范圍內(nèi)煤巖的沖擊危險(xiǎn)性，對(duì)于研究沖擊地壓孕育、發(fā)生和發(fā)展過(guò)程具有重要意義。

1.煤巖動(dòng)力系統(tǒng)模型構(gòu)建與區(qū)域尺度計(jì)算

(1)煤巖動(dòng)力系統(tǒng)模型構(gòu)建

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和研究成果表明，沖擊地壓等礦井動(dòng)力災(zāi)害影響范圍是有限的，影響范圍用煤巖動(dòng)力系統(tǒng)描述，煤巖動(dòng)力系統(tǒng)主要屬性是系統(tǒng)尺度和能量值。在自然地質(zhì)條件下，煤巖動(dòng)力系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)能量對(duì)沖擊地壓的發(fā)生起著控制作用，并影響整個(gè)煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。煤巖動(dòng)力系統(tǒng)能量主控條件是大地構(gòu)造環(huán)境和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，可以說(shuō)，沒(méi)有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、沒(méi)有構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和能量場(chǎng)，就沒(méi)有煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的形成，也就沒(méi)有礦井動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的能量條件。

為了描述煤巖動(dòng)力系統(tǒng)與沖擊地壓顯現(xiàn)關(guān)系，構(gòu)建了“煤巖動(dòng)力系統(tǒng)與沖擊地壓顯現(xiàn)關(guān)系模型”，如圖1所示。

圖1 煤巖動(dòng)力系統(tǒng)與沖擊地壓顯現(xiàn)關(guān)系模型

當(dāng)采掘工程進(jìn)入到“影響區(qū)”范圍內(nèi)時(shí)，動(dòng)力顯現(xiàn)主要以“煤炮”的形式表現(xiàn)出來(lái)；當(dāng)采掘工程進(jìn)入到“損傷區(qū)”范圍內(nèi)時(shí)，動(dòng)力顯現(xiàn)主要以“壓出、傾出”等形式表現(xiàn)出來(lái)；當(dāng)采掘工程進(jìn)入到“破壞區(qū)”范圍內(nèi)時(shí)，動(dòng)力顯現(xiàn)則表現(xiàn)為“沖擊地壓”；當(dāng)采掘工程進(jìn)入“動(dòng)力核區(qū)”范圍內(nèi)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生“強(qiáng)沖擊地壓”。

(2)煤巖動(dòng)力系統(tǒng)區(qū)域尺度計(jì)算方法

沖擊地壓是一個(gè)復(fù)雜的煤巖動(dòng)力學(xué)過(guò)程，是煤巖動(dòng)力系統(tǒng)失穩(wěn)后能量快速釋放過(guò)程。煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的能量主要集中在“動(dòng)力核區(qū)”內(nèi)，當(dāng)沖擊地壓發(fā)生時(shí)，煤巖動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力核內(nèi)的能量得到激發(fā)，形成高強(qiáng)度沖擊波。沖擊波為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的“破壞區(qū)”提供了強(qiáng)大的壓應(yīng)力，沖擊波逐層破壞周邊煤巖體的同時(shí)，能量逐漸向動(dòng)力核外部的“破壞區(qū)”“損傷區(qū)”和“影響區(qū)”等各區(qū)域耗散。在礦井的實(shí)際生產(chǎn)中，煤巖體能量的釋放、轉(zhuǎn)換、耗散等過(guò)程均是在無(wú)限介質(zhì)中進(jìn)行的。

榮海等基于爆破理論和Mises屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)沖擊地壓發(fā)生后所釋放的能量在煤巖中的傳遞和耗散過(guò)程進(jìn)行了分析，得到了煤巖動(dòng)力系統(tǒng)“動(dòng)力核區(qū)”“破壞區(qū)”“損傷區(qū)”和“影響區(qū)”的區(qū)域尺度計(jì)算方法[7-9]。計(jì)算方法如式（1）～式（4）所示。

式中，R為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)“動(dòng)力核區(qū)”半徑，m；k1為最大水平主應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值；k2為垂直應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值；k3為最小水平主應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值；μ為泊松比；γ為上覆巖層容重的平均值，kN/m3；H為單元體所處位置的深度，m；E為煤體的彈性模量，MPa；△U為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的釋放能量，J。

式中，RP為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)“破壞區(qū)”的半徑，m；σc為煤體的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；VP為破碎煤巖塊體的體積，m3；ρ為煤體的密度，kg/m3；σcd為煤巖體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa；λ為側(cè)壓系數(shù)。

式中，RS為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)“損傷區(qū)”的半徑，m；σtd為煤巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa。

式中，RY為煤巖動(dòng)力系統(tǒng)“影響區(qū)”的半徑，m；D為煤巖體的損傷系數(shù)。

2.煤巖動(dòng)力系統(tǒng)區(qū)域尺度計(jì)算方法在某礦的應(yīng)用

(1)礦井概況

某礦位于雙鴨山市集賢縣境內(nèi)，向東距雙鴨山市約40km。礦井北部與A礦接壤，南部與B礦相鄰，東部為無(wú)煤區(qū)，西部礦界外煤層埋深大于1000m。井田北部邊界為F48、F10、F4斷層及其延長(zhǎng)線，南部邊界為F2斷層，東部邊界為煤系邊緣花崗巖和泥盆系拼合基底，西部邊界為16#煤層-900水平的垂直投影線，16#煤層以下以各煤層-900水平為界。井田南北走向長(zhǎng)度為6.5km，東西寬度為4km，北寬南窄，井田面積為26.16km2。

該礦2003年首次發(fā)生沖擊地壓以來(lái)，有記錄的沖擊地壓現(xiàn)象共發(fā)生4次（有震級(jí)記錄的2次），給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重影響。礦井歷史沖擊地壓統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 某歷史沖擊地壓統(tǒng)計(jì)

(2)煤巖動(dòng)力系統(tǒng)區(qū)域尺度計(jì)算

利用沖擊地壓發(fā)生時(shí)地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的震級(jí)資料和地震學(xué)中的震級(jí)-能量公式對(duì)釋放能量進(jìn)行計(jì)算，如式（5）所示。

式中，ML為地震里氏震級(jí)；△Ue為發(fā)生一次地震時(shí)釋放的能量，J。

發(fā)生一次地震時(shí)釋放的能量與煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的釋放能量計(jì)算方法相同，如式（6）所示。）

在該礦已發(fā)生的4次沖擊地壓現(xiàn)象中，已知震級(jí)的有2次。分別是2003年4月20日南二上采區(qū)17#煤層三面下料道發(fā)生的沖擊地壓現(xiàn)象（震級(jí)2.5級(jí)）和2009年4月6日南二下延采區(qū)18#煤層六面下料道發(fā)生的沖擊地壓現(xiàn)象（震級(jí)1.7級(jí)）。

將上述兩次沖擊地壓的震級(jí)代入公式（5），可得：

（1）南二上采區(qū)17#煤層三面下料道沖擊地壓釋放的能量△U1：

（2）南二下延采區(qū)18#煤層六面下料道沖擊地壓釋放的能量△U2：

由上述計(jì)算結(jié)果可知，該礦沖擊地壓的釋放能量值范圍為1.2×106～2.6×107J，兩次沖擊地壓釋放的能量均大于106J。

根據(jù)煤巖物理力學(xué)測(cè)試結(jié)果，煤巖動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為51.61MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為4.98MPa，彈性模量為27.56GPa，泊松比為0.25，巖石容重取25kN/m3；沖擊波在煤系砂巖中的波速取3300m/s。將上述物理力學(xué)參數(shù)、埋深及兩次沖擊地壓的釋放能量值分別代入式（1）～式（4），確定該礦沖擊地壓煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力核區(qū)尺度為5.51～9.31m，破壞區(qū)尺度為16.15～22.98m，損傷區(qū)尺度為97.87～165.32m。將上述兩次沖擊地壓煤巖動(dòng)力系統(tǒng)不同區(qū)域的最大直徑范圍理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表2。

表2 沖擊顯現(xiàn)范圍與煤巖動(dòng)力系統(tǒng)范圍計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表2可知，南二上采區(qū)17#煤層三面下料道沖擊地壓煤巖動(dòng)力系統(tǒng)破壞區(qū)范圍最大為64.58m，損傷區(qū)范圍最大為395.22m，現(xiàn)場(chǎng)巷道頂板冒落范圍為80m，底鼓量為700mm的范圍達(dá)到200m，沖擊顯現(xiàn)范圍介于理論計(jì)算的破壞區(qū)范圍和損傷區(qū)范圍之間；南二下延采區(qū)18#煤層六面下料道沖擊地壓煤巖動(dòng)力系統(tǒng)破壞區(qū)范圍最大為43.32m，現(xiàn)場(chǎng)巷道破壞深度達(dá)2.0～3.2m的范圍為40m，沖擊顯現(xiàn)范圍與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，沖擊地壓煤巖動(dòng)力系統(tǒng)尺度范圍確定對(duì)該礦沖擊地壓防治具有重要指導(dǎo)作用。

3.結(jié)論

（1）計(jì)算得到某礦沖擊地壓煤巖動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力核區(qū)尺度為5.51～9.31m，破壞區(qū)尺度為16.15～22.98m，損傷區(qū)尺度為97.87～165.32m。

（2）南二上采區(qū)17#煤層三面下料道沖擊地壓煤巖動(dòng)力系統(tǒng)破壞區(qū)范圍最大為64.58m，損傷區(qū)范圍最大為395.22m，現(xiàn)場(chǎng)巷道頂板冒落范圍為80m，底鼓量為700mm的范圍達(dá)到200m，沖擊顯現(xiàn)范圍介于理論計(jì)算的破壞區(qū)范圍和損傷區(qū)范圍之間；南二下延采區(qū)18#煤層六面下料道沖擊地壓煤巖動(dòng)力系統(tǒng)破壞區(qū)范圍最大為43.32m，現(xiàn)場(chǎng)巷道破壞深度達(dá)2.0～3.2m的范圍為40m，沖擊顯現(xiàn)范圍與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。