張博 張連鵬

【摘 ?要】煤巖體沖擊傾向性和礦井沖擊危險(xiǎn)性研究是煤礦災(zāi)害防治領(lǐng)域重要研究課題之一。本文綜合考慮煤巖體變形過程中的能量效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)，提出了有效沖擊能量釋放速度指數(shù)（WDT）的煤巖體沖擊傾向性指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，利用多元統(tǒng)計(jì)分析方法，考慮有效沖擊能量釋放速度指數(shù) WDT和煤層埋深 H、上覆厚硬巖層影響系數(shù) K、應(yīng)力集中系數(shù) λ四個(gè)因素，建立了礦井沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型 W ij（X），數(shù)學(xué)模型把礦井沖擊危險(xiǎn)性分為強(qiáng)沖擊、中等沖擊和弱沖擊 3 個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)。通過樣品回判和待判樣品判別結(jié)果驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和可操作性，研究結(jié)果可為相關(guān)決策人員提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】沖擊地壓;危險(xiǎn)性影響因素;數(shù)學(xué)模型

一、引言

新建煤礦位于七臺(tái)河礦區(qū)西北部，始建于1958年，東西走向長(zhǎng)10.9公里，南北寬約4.5公里，井田面積49.2平方公里。新建礦目前沒有發(fā)生過沖擊地壓事故，但新建煤礦已進(jìn)入深部開采，最大開采深度已超過500米，將會(huì)面臨高地應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力以及局部支承壓力的疊加影響，危險(xiǎn)性大大增加。為保證安全生產(chǎn)，已對(duì)85、90、91、95和98層等五層進(jìn)行鑒定，對(duì)過斷層、停采線區(qū)域和回采和準(zhǔn)備工作面下巷、工作面老頂初次來壓和周期來壓等加強(qiáng)管理。

開拓方式為立井與斜井的綜合開拓方式，均為全巖巷道，均布置在低應(yīng)力區(qū);煤層開采順序?yàn)橄滦惺介_采，先采上煤層，后采下煤層;采區(qū)主要巷道與硐室都布置低應(yīng)力區(qū);采煤方法為走向長(zhǎng)壁后退式，采煤工藝為高檔普采和綜采，頂板管理采用全部垮落法，采后備采用錨索及石墻維護(hù)，不留區(qū)段煤柱;所有采空區(qū)不留設(shè)煤柱。

新建礦對(duì)近幾年內(nèi)回采煤層按規(guī)定進(jìn)行沖擊傾向性鑒定及沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估，85層、90層、91層、95層、98層五層煤沖擊傾向性鑒定，85層、90層及91層頂板煤層鑒定為弱沖擊傾向性、底板無沖擊傾向性，95層和98層頂板鑒定為弱沖傾向性、煤層及底板無沖擊傾向性。

成立了以行政礦長(zhǎng)為組長(zhǎng)的防沖組織機(jī)構(gòu)，設(shè)有防治沖擊地壓科，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)及措施實(shí)施指導(dǎo)工作。編制了新建煤礦防治沖擊地壓管理制度及組織機(jī)構(gòu)成員崗位責(zé)任制。在建立微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)，使用電磁輻射儀（KBD5）及煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲電監(jiān)測(cè)儀（YDD16）等裝備進(jìn)行局部監(jiān)控。

二、有效沖擊能量釋放速度指數(shù)

1、數(shù)學(xué)表達(dá)式

綜合考慮沖擊能量效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)，筆者提出有效沖擊能量釋放指數(shù)的煤巖體沖擊傾向性指標(biāo)，定義為有效沖擊能量與沖擊時(shí)間的比值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：WDT=（W- WX）/DT ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，W 指煤巖體中聚集的總能量;WX指煤巖體破壞過程中消耗的能量（包括煤巖體破壞消耗能量WP、沖擊產(chǎn)生的光、熱和聲能 WZ以及煤巖體塑性變性所吸收的能量 WS）;DT 指動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間。W - WX即有效沖擊能量 WY，它最大限度的表述了煤巖體破壞過程中能量轉(zhuǎn)變和能量貯存的性質(zhì)。

2、參數(shù)的獲得

有效沖擊能量和能量釋放時(shí)間可通過煤巖體單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)獲得。

（1）有效沖擊能量 WY的獲得中指出沖擊能量為煤巖試件在單軸壓縮狀態(tài)下，應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線中峰值前積蓄的變形能。

但我認(rèn)為該指標(biāo)未考慮峰值前煤樣塑性變形能的損耗，利用該指標(biāo)作為煤層沖擊傾向性的判別會(huì)造成結(jié)果偏高。圖 1 為煤樣單軸壓縮全程應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其中峰值前積聚的變形能為 W12+ W22部分，W3為峰值后耗損變形能。根據(jù)式（1）中參數(shù)概念，可知：W12對(duì)應(yīng)煤巖體塑性變形所吸收的能量 WS;W3對(duì)應(yīng)煤巖體破壞消耗能量 WP與沖擊產(chǎn)生的光、熱和聲能WZ的和，即W3= WP+ WZ;那么 W22即為有效沖擊能量 WY。因?yàn)閃12+ W22和 W3容易求得，因此問題轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾魏侠砉浪忝簶拥姆逯登八苄宰冃嗡牡哪芰?W12。

三、礦井沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

沖擊地壓危險(xiǎn)綜合指數(shù)法把沖擊地壓影響因素分為地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素，但從根本考慮沖擊地壓發(fā)生的原因可歸結(jié)為煤巖體的沖擊傾向性和煤巖體所處應(yīng)力場(chǎng)的環(huán)境。因此論文綜合考慮有效沖擊能量釋放速度指數(shù) WDT和煤層埋深 H、上覆厚硬巖層影響系數(shù) K（巖層厚度與該巖層到煤層距離的比值）、應(yīng)力集中系數(shù) λ 四個(gè)因素，利用多元統(tǒng)計(jì)分析方法建立了沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型。

該沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型綜合考慮有效沖擊能量和釋放時(shí)間兩個(gè)因素的基礎(chǔ)上建立的，可對(duì)具有潛在沖擊危險(xiǎn)的礦井或區(qū)域進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性等級(jí)進(jìn)行劃分，分為強(qiáng)沖擊、中等沖擊和弱沖擊傾向性 3 個(gè)等級(jí)，有助于礦井相關(guān)技術(shù)人員針對(duì)防沖減災(zāi)制定相應(yīng)的措施。

四、結(jié)束語

沖擊地壓是制約我國(guó)煤礦向深部開采的重大難題之一，沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)需要綜合考慮煤巖體的沖擊傾向性和其所處的應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境，而煤巖體的沖擊傾向性需要綜合考慮能量效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。利用多元統(tǒng)計(jì)分析方法建立了沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型在綜合考慮有效沖擊能量和釋放時(shí)間兩個(gè)因素的條件下，針對(duì)具有沖擊傾向性的礦井或區(qū)域進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性劃分，有助于防沖減災(zāi)措施決策。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：龍煤集團(tuán)七臺(tái)河礦業(yè)公司新建煤礦）