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(jì)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(wàn)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(gè)采煤工作面同時(shí)開采，工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法。周邊礦區(qū)沖擊地壓頻發(fā)，故需對(duì)義能煤礦3#煤層進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。礦井位置如圖1 所示。

對(duì)3#煤頂?shù)装暹M(jìn)行鉆孔取樣后，測(cè)定巖石力學(xué)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(xiǎn)性評(píng)價(jià)因素

沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)需要考慮多個(gè)方面，綜合成因需考慮三個(gè)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(duì)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(shí)帶來(lái)了沖擊危險(xiǎn)性的增加。原巖應(yīng)力增大后，支護(hù)問(wèn)題愈發(fā)棘手，對(duì)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(qiáng)度也是沖擊危險(xiǎn)性衡量的主要指標(biāo)。工作面開采后帶來(lái)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(qiáng)烈動(dòng)力災(zāi)害。煤巖體強(qiáng)度與沖擊參數(shù)C1關(guān)系如圖4 所示。

圖4 強(qiáng)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(jiān)硬厚頂板的距離，是評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)性的主要指標(biāo)之一。因?yàn)樯喜繄?jiān)硬頂板之類的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，一方面堅(jiān)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(jiān)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(huì)瞬間涌出，造成大量能量波動(dòng)，給地下空間帶來(lái)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(píng)價(jià)

3.1 沖擊性因素分析

沖擊危險(xiǎn)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(duì)沖擊危險(xiǎn)性帶來(lái)的影響后，使用綜合指數(shù)法建立評(píng)價(jià)模型，對(duì)不同因素進(jìn)行評(píng)價(jià)后綜合評(píng)判礦井某區(qū)域是否有沖擊危險(xiǎn)性。即對(duì)前文提出的各因素權(quán)重賦參，綜合建立評(píng)價(jià)機(jī)制，預(yù)測(cè)危險(xiǎn)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(jiān)硬頂板總厚度對(duì)評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)性有重要意義，主要考慮100 m 范圍內(nèi)巖性堅(jiān)硬且厚度較大的砂巖厚度：

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

計(jì)算得頂板厚度特征值為：

同樣的標(biāo)準(zhǔn)也適用于采掘空間周邊地質(zhì)條件。

用式（2）確定此因素對(duì)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(gè)地質(zhì)因素最大指數(shù)；Wi為第i 個(gè)地質(zhì)因素實(shí)際指數(shù)；n1為地質(zhì)因素的數(shù)目。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定3#煤層單軸抗壓強(qiáng)度RC為12.464 MPa，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)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(shí)開采技術(shù)的評(píng)判指數(shù)Wt2。

式中：Wt2為開采技術(shù)因素指數(shù)；Wimax為第i個(gè)開采技術(shù)因素的指數(shù)最大值；Wi為采掘空間第i個(gè)開采技術(shù)因素的實(shí)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(duì)沖擊危險(xiǎn)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(jiān)硬頂板總厚度對(duì)整個(gè)煤層的沖擊危險(xiǎn)度起主要影響作用。

出于綜合考量，使用模糊數(shù)學(xué)中可能性指數(shù)法，考慮采動(dòng)應(yīng)力與煤體自身沖擊屬性，在計(jì)算這些因素對(duì)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(duì)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(qiáng)度，MPa。

煤體自身沖擊屬性對(duì)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 沖擊地壓發(fā)生可能性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

可能性指數(shù)的評(píng)價(jià)步驟：

（1）研究采場(chǎng)應(yīng)力分布；

（2）測(cè)試3#煤自身沖擊性；

（3）計(jì)算上述因素隸屬度；

（4）計(jì)算可能性指數(shù)；

（5）對(duì)具體空間沖擊地壓發(fā)生可能性進(jìn)行判定。

3.2 沖擊危險(xiǎn)可能性指數(shù)評(píng)價(jià)

（1）研究采場(chǎng)應(yīng)力分布

3#煤平均埋深達(dá)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?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度平均為12.464 MPa，應(yīng)力比達(dá)到了2.81，基本達(dá)到?jīng)_擊地壓發(fā)生條件。

取Ic=2.81。

（2）測(cè)試3#煤自身沖擊性

3#的沖擊傾向性指數(shù)Wet=2.281。

（3）計(jì)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(jì)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(jí)為“很可能”。

（5）對(duì)具體空間沖擊地壓發(fā)生可能性進(jìn)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(jiān)硬頂板，具備發(fā)生沖擊地壓可能性，尤其是在開采時(shí)遇到采掘交替或者斷層披露時(shí)，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(guò)900 m，已超過(guò)我國(guó)規(guī)定的沖擊地壓可能發(fā)生的臨界深度，采區(qū)回采過(guò)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(jìn)、回采期間應(yīng)加強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)，并切實(shí)做好沖擊地壓的防治工作。

4 3#煤防沖措施

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

如常規(guī)防沖措施無(wú)法滿足防沖需求時(shí)，還需進(jìn)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(zhǎng)度為2 m，炮泥封孔長(zhǎng)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(xiǎn)性。

圖6 順槽實(shí)體煤卸壓爆破炮眼布置示意圖

使用綜合指數(shù)法對(duì)義能煤礦3#煤進(jìn)行沖擊性評(píng)價(jià)，可以較為全面地綜合考慮各種因素對(duì)義能3#煤沖擊危險(xiǎn)性的影響，而且根據(jù)指數(shù)高低判定區(qū)域沖擊性，對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行防沖措施，如爆破卸壓等。可以在相鄰礦區(qū)進(jìn)行類似評(píng)價(jià)工作，對(duì)類似礦井防沖工作有指導(dǎo)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(guò)900 m，已超過(guò)我國(guó)規(guī)定的沖擊地壓可能發(fā)生的臨界深度，采區(qū)回采過(guò)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(jìn)、回采期間應(yīng)加強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)，并切實(shí)做好沖擊地壓的防治工作。

（2）使用綜合指數(shù)法對(duì)義能煤礦沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)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(shí)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(duì)此制定行之有效的預(yù)防措施與避難措施，如對(duì)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(duì)3#煤評(píng)價(jià)后，可以根據(jù)指數(shù)高低對(duì)沖擊性強(qiáng)的區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性防治措施。