鄧 志 剛

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

我國多數(shù)礦井進(jìn)入深部開采階段，沖擊地壓災(zāi)害頻度、強(qiáng)度顯著增加[1]，沖擊地壓防治工作任重道遠(yuǎn)。2018年8月1日，國家煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)的《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》開始實(shí)施，規(guī)定：“開采具有沖擊傾向性的煤層必須進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評價”，“開采沖擊地壓煤層必須進(jìn)行采區(qū)、采掘工作面沖擊危險(xiǎn)性評價”，“當(dāng)評估煤層有沖擊傾向性時，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評價”，并且以沖擊危險(xiǎn)性評價結(jié)果作為沖擊地壓監(jiān)測、卸壓等工作開展的依據(jù)。目前沖擊危險(xiǎn)性評價方法較多。一類是以沖擊地壓主要誘因?yàn)榍腥朦c(diǎn)的沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評價技術(shù)，如竇林名等[2]提出的綜合指數(shù)法，綜合考慮了巖體結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性、地質(zhì)因素等條件。姜福興等[3]采用模糊數(shù)學(xué)的方法，用垂直應(yīng)力與煤體單軸抗壓強(qiáng)度的比值、彈性能量指數(shù)2個指標(biāo)評價煤體的沖擊危險(xiǎn)性，且根據(jù)應(yīng)力疊加原理建立了沖擊危險(xiǎn)性評價模型，后又在此基礎(chǔ)上提出了沖擊地壓分類評價技術(shù)手段。張科學(xué)等[6]綜合考慮開采深度、沖擊傾向性、煤層頂?shù)装逍再|(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、開采技術(shù)提出了基于層次分析法的煤層沖擊危險(xiǎn)性模糊綜合評價模型。張宏偉等[7]應(yīng)用地質(zhì)動力區(qū)劃方法對煤礦沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行評價。鄧志剛[10]基于三維地應(yīng)力場反演技術(shù)開展了相關(guān)研究，綜合考慮構(gòu)造應(yīng)力、采動影響等因素，實(shí)現(xiàn)了對采區(qū)宏觀區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)評價。歐陽振華等[11]考慮瓦斯作用，將煤層氣屬性、抽采效果分析作為一類地質(zhì)因素、開采技術(shù)條件，提出一種含瓦斯煤沖擊危險(xiǎn)性改進(jìn)型綜合指數(shù)評價方法。但是由于沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理不清，災(zāi)害孕育、發(fā)展、發(fā)生的過程中影響因素繁雜，以及復(fù)雜多變的采掘及地質(zhì)條件，致使靜態(tài)評價方法主要是宏觀上為煤層開采前的防沖工作提供一定參考，缺少對于采掘過程中因局部區(qū)域地質(zhì)及開采條件變化、卸壓措施等因素引起的沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)變化的量化能力，因此，另一類基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價技術(shù)是當(dāng)前研究工作的重點(diǎn)，如劉少虹等[12]基于地音與電磁波CT探測數(shù)據(jù)提出的沖擊危險(xiǎn)性層次化評價方法；李宏艷等[14]基于微震監(jiān)測數(shù)據(jù)建立的考慮響應(yīng)能量和無響應(yīng)時間的沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價技術(shù)。姜福興等[15]應(yīng)用礦壓觀測法觀測沖擊地壓工作面支架壓力、立柱壓縮量，判斷工作面頂板來壓規(guī)律，結(jié)合巷道的變形及其圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行觀測，評價及預(yù)測沖擊危險(xiǎn)性。何學(xué)秋等[17]采用電磁輻射法評價沖擊危險(xiǎn)性，主要參數(shù)為電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)。曹民遠(yuǎn)等[19]采用數(shù)值模擬和理論計(jì)算的方法分析了采掘工作面應(yīng)力擾動疊加的影響，提出了近直立煤層動態(tài)權(quán)重評價法的計(jì)算體系。但是沖擊地壓的孕災(zāi)過程中既有靜態(tài)基礎(chǔ)量，又有動態(tài)變化量，因此目前僅依靠單一理論或方法快速、高精度的進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評價難度較大。我國煤礦進(jìn)入深部開采后，劇增的原巖應(yīng)力場成為沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的必要條件。覆巖斷裂、井下爆破等帶來的強(qiáng)動載擾動易成為誘發(fā)沖擊災(zāi)變的充分條件，但目前沖擊危險(xiǎn)性評價的研究工作中少有兼顧動靜載綜合作用的理論或方法。

為此，筆者以震動場、采動應(yīng)力場表示孕災(zāi)過程中動態(tài)變化量，以原巖應(yīng)力場表示孕災(zāi)過程中靜態(tài)基礎(chǔ)量。提出了波速異常指數(shù)、波速梯度指數(shù)、應(yīng)力異常指數(shù)、應(yīng)力梯度指數(shù)4個沖擊危險(xiǎn)性評價指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上建立了多場耦合沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價技術(shù)以實(shí)現(xiàn)井下高精度沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價。

1 煤巖動載破壞試驗(yàn)分析

1.1 典型煤巖動載破壞霍普金森壓桿試驗(yàn)

分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)由壓桿系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)3個部分組成。

圖1 SHPB試驗(yàn)裝置Fig.1 SHPB experimental device

當(dāng)動載試塊受到不同氣壓后獲得不同初速度撞擊入射桿，在桿內(nèi)產(chǎn)生入射脈沖εi，試件在該應(yīng)力作用下產(chǎn)生高速變形，同時產(chǎn)生反射脈沖εr和透射脈沖εt。如圖2所示。選取強(qiáng)沖擊傾向性煤樣試件4個，中砂巖試件4個，尺寸均為?50 mm×100 mm。本次試驗(yàn)煤巖樣取樣點(diǎn)分別為某典型沖擊地壓礦井3-1煤回風(fēng)大巷HF6導(dǎo)點(diǎn)處頂板和311102工作面煤層。煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。分別采用氣壓0.2、0.4、0.6、0.8 MPa發(fā)射子彈，撞擊入射桿，記錄其入射、反射和透射波曲線。

圖2 SHPB試驗(yàn)原理Fig.2 Principle of SHPB experimental

煤樣、巖樣入射波、反射波和透射波曲線如圖3、圖4所示，僅出示驅(qū)動應(yīng)力為0.2、0.4、0.8 MPa時的結(jié)果。對比分析可知，隨著撞擊桿驅(qū)動應(yīng)力增加，入射波波速幅值、入射波波速變化率均有所增加，反射波和透射波波峰和波谷增高，透射波持續(xù)時間縮短，這也和沖擊地壓發(fā)生的突然、猛烈性質(zhì)一致。

圖3 煤樣不同氣壓下的波形Fig.3 Waveforms of coal under different air pressure

圖4 巖樣不同氣壓下的波形Fig.4 Waveforms of rock under different air pressure

1.2 典型煤巖動載破壞數(shù)值模擬

采取有限元方法對煤巖霍普金森壓桿試驗(yàn)進(jìn)行模擬，進(jìn)一步分析動載作用下煤巖體損傷破壞機(jī)理。數(shù)值模型如圖5所示。模擬試件分為煤樣、巖樣、煤-巖組合樣，巖-煤組合樣，其中煤-巖組合樣是指震動波入射端在煤上，巖-煤組合樣是指震動波入射端在巖石上。煤樣、巖樣尺寸為?50 mm×100 mm，煤巖組合樣中煤、巖樣尺寸均為?50 mm×50 mm。入射桿、透射桿材料參數(shù)按鋼材設(shè)定[20]，密度為7 794 kg/m3，彈性模量為211 GPa，泊松比為0.285。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

圖5 霍普金森試驗(yàn)數(shù)值模型Fig.5 SHPB experiment numerical model

煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。加載在入射桿端部的震動波信號為SHPB試驗(yàn)中不同氣壓驅(qū)動子彈記錄的入射桿應(yīng)變波信號。

表2 數(shù)值模擬參數(shù)

不同震動波作用下煤巖體應(yīng)力、損傷分布如圖6—圖9所示，限于篇幅煤樣、巖樣僅出示驅(qū)動應(yīng)力為0.2、0.4、0.8 MPa時的結(jié)果，煤巖組合樣僅出示驅(qū)動應(yīng)力為0.2 MPa和0.8 MPa時的結(jié)果。分析可知，震動波作用引起煤巖應(yīng)力重新分布，應(yīng)力傳遞呈現(xiàn)分區(qū)傳遞特點(diǎn)，即存在應(yīng)力傳遞優(yōu)勢面。在震動波波速峰值、波速變化率較低時，震動波對煤巖介質(zhì)沒有破壞作用，即震動波對煤巖介質(zhì)的破壞與損傷存在閾值。煤巖體發(fā)生破壞的位置同時是單元受拉損傷、受壓損傷極值位置，因此震動波作用下煤巖體破壞模式為拉壓復(fù)合破壞。無論震動波直接作用在巖石上還是煤上，煤巖組合試件的破壞主要發(fā)生在煤體上，說明巖石是能量傳播的路徑，煤體是能量耗散、釋放的主體，這也符合沖擊地壓主要發(fā)生在煤層中的事實(shí)。

圖6 煤樣應(yīng)力與損傷分布情況Fig.6 Stress and damage distribution of coal specimen

圖7 巖樣應(yīng)力與損傷分布情況Fig.7 Stress and damage distribution of rock specimen

圖8 煤-巖樣應(yīng)力與損傷分布情況Fig.8 Stress and damage distribution of coal-rock specimen

圖9 巖-煤樣應(yīng)力與損傷分布情況Fig.9 Stress and damage distribution of rock-coal specimen

1.3 震動場與煤巖沖擊危險(xiǎn)性的關(guān)聯(lián)

依據(jù)采煤工作面和掘進(jìn)工作面煤巖體破壞失穩(wěn)主要形式，結(jié)合SHPB試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究結(jié)果，煤巖體震動場與沖擊危險(xiǎn)性的關(guān)系總結(jié)如下：①震動波是能量傳遞的載體，震動波所具有的能量超過一定閾值時可引起煤巖破壞，易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。②震動波傳遞引起應(yīng)力分布變化，應(yīng)力傳遞沿優(yōu)勢面進(jìn)行。隨著震動波能量增加，優(yōu)勢面周圍易出現(xiàn)煤巖損傷破壞，引起煤巖沖擊災(zāi)變。③當(dāng)震源位于巖層時，能量傳遞速度較快，在煤巖界面發(fā)生衰減，煤體在震動波作用下發(fā)生破壞；當(dāng)震源位于煤層時，煤體對震動波傳遞速度相對較慢，能量多耗散在煤層中，主要誘發(fā)煤體破壞，對巖層造成的破壞較小。

2 煤巖動、靜載沖擊危險(xiǎn)性評價指標(biāo)

考慮動靜載作用煤巖沖擊危險(xiǎn)性評價指標(biāo)包括應(yīng)力場相關(guān)指標(biāo)和震動場相關(guān)指標(biāo)，其中靜載作用主要表現(xiàn)為應(yīng)力場的變化，動載作用主要引起震動場的變化。

2.1 應(yīng)力場沖擊危險(xiǎn)性評價指標(biāo)

基于煤礦沖擊地壓應(yīng)力控制理論[21]，煤巖體沖擊破壞是應(yīng)力作用的結(jié)果，一是取決于應(yīng)力絕對值大小，二是應(yīng)力梯度變化。因此，建立應(yīng)力異常指數(shù)和應(yīng)力梯度指數(shù)。

應(yīng)力異常指數(shù)表征一定區(qū)域內(nèi)不同位置應(yīng)力差異的指標(biāo)，計(jì)算公式為

(1)

式中：γσ為應(yīng)力異常指數(shù)；σr為監(jiān)測區(qū)域某點(diǎn)應(yīng)力，MPa；σmax、σmin分別為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)實(shí)時應(yīng)力最大值和最小值，MPa。

應(yīng)力梯度指數(shù)是表征一定區(qū)域內(nèi)不同位置應(yīng)力變化速度差異的指標(biāo)，計(jì)算公式為

(2)

式中：gσ為應(yīng)力梯度異常指數(shù)；gσr為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)某一點(diǎn)的應(yīng)力場梯度；gσmax、gσmin分別為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)應(yīng)力最大、最小梯度。

2.2 震動場沖擊危險(xiǎn)性評價指標(biāo)

綜上，震動場波速絕對值、變化速率對煤巖破壞有顯著影響。因此，提出表征震動波波速的波速異常指數(shù)和表征震動波波速變化速率的波速梯度指數(shù)，作為2個基于震動場的沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價指數(shù)。

波速異常指數(shù)表征一定區(qū)域內(nèi)不同位置震動波波速的差異，計(jì)算公式為

(3)

式中：γθ為波速異常指數(shù)；θr為監(jiān)測區(qū)域某點(diǎn)震動波波速，m/s；θmax、θmin分別為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)震動波波速最大值和最小值，m/s。

波速梯度指數(shù)gθ是通過震動場波速變化速率表征煤巖體發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)程度，計(jì)算公式為

(4)

式中：gθ為波速梯度異常指數(shù)；gθr為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)某一點(diǎn)的震動波波速梯度；gθmax、gθmin為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)震動波波速最大、最小梯度。

3 煤巖多場耦合沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價技術(shù)

結(jié)合筆者以往研究[22]和上述研究成果可知，一方面煤巖應(yīng)力場改變可以直接引起介質(zhì)中震動波波速變化，且波速變化前的幅值與變化幅度均與應(yīng)力場大小相關(guān)；另一方面，震動場傳遞會造成煤巖應(yīng)力場的重新分布。因此，考慮動、靜載作用開展煤巖沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價關(guān)鍵在于分析震動場-應(yīng)力場的耦合作用。

煤炭開采之前，煤巖體處于重力和構(gòu)造應(yīng)力組成的原巖應(yīng)力場之中；開采過程中，煤巖體形成采動應(yīng)力場；原巖應(yīng)力場和采動應(yīng)力場相互作用，煤巖體損傷變形，震動產(chǎn)生，以彈性波的形式向外傳播形成震動場。沖擊地壓是原巖應(yīng)力場、采動應(yīng)力場和震動場綜合作用的結(jié)果，煤巖體中多場耦合關(guān)系如圖10所示。

圖10 煤巖體中多場耦合關(guān)系Fig.10 Field in coal rock mass and its coupling relationship

為了準(zhǔn)確描述煤巖體中各種場的關(guān)系，從沖擊危險(xiǎn)性評價角度建立統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型

2008年，我曾經(jīng)寫過一篇《四通八達(dá)的社會》。當(dāng)時，有編輯問我：十年之后的你，究竟是什么樣子？我想了一下回答說：應(yīng)該更好吧……

R(ti,s;mj)=0 (i,j=1,2,3，…)

(5)

式中：ti為場的變量，一般情況下有多個，既可以是標(biāo)量也可以是矢量；s為場的源或者匯，通常只有一個；mj為煤巖體的物理性質(zhì)變量，如彈性模量、泊松比、剪切模量、波速等多個變量。

基于該函數(shù)煤巖體中的3種場的沖擊危險(xiǎn)性評價具體表達(dá)式如下：

1)原巖應(yīng)力場為

Y(h,c,f;ρ,μ)=0

(6)

式中：h為采深；c為地應(yīng)力；f為體積力；ρ為煤巖體密度；μ為泊松比。

2)震動場為

S(x,y,z,t,E,f;ρ,μ)=0

(7)

式中：x、y、z為震源的位置坐標(biāo)；t為發(fā)震時間；E為震源能量。

3)采動應(yīng)力場為

F(u,f;ρ,μ)=0

(8)

3.1 原巖應(yīng)力場與采動應(yīng)力場(RM)耦合沖擊危險(xiǎn)性評價模型

原巖應(yīng)力場沖擊危險(xiǎn)性評價指標(biāo)見表3。原巖應(yīng)力場沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)定義為

R=(R1+R2+R3+R4)/4

(9)

表3 原巖應(yīng)力場沖擊危險(xiǎn)性評價指標(biāo)

其中，R1、R2、R3、R4為不同評價指標(biāo)得分。原巖應(yīng)力沖擊危險(xiǎn)性反映煤巖體自身發(fā)生沖擊地壓的固有屬性，其數(shù)值大小反映了煤巖體采動后，發(fā)生自發(fā)型沖擊地壓的可能性和危險(xiǎn)性。原巖應(yīng)力場沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)取值與沖擊危險(xiǎn)等級關(guān)系見表4。

表4 原巖應(yīng)力場沖擊危險(xiǎn)性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

采動應(yīng)力沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)包括：應(yīng)力異常指數(shù)和應(yīng)力梯度指數(shù)。二者取值與沖擊危險(xiǎn)等級之間的關(guān)系見表5、表6。

表5 應(yīng)力異常指數(shù)沖擊危險(xiǎn)性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表6 應(yīng)力梯度指數(shù)沖擊危險(xiǎn)性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

基于原巖應(yīng)力場與采動應(yīng)力場耦合的沖擊危險(xiǎn)性評價模型為

DRM=a1R+b1γσ+c1gσ

(10)

其中：DRM是原巖應(yīng)力場與采動應(yīng)力場耦合的沖擊危險(xiǎn)性評價指數(shù)；a1，b1，c1分別為原巖應(yīng)力場和采動應(yīng)力場耦合沖擊危險(xiǎn)性評價權(quán)重系數(shù)，不同礦井取值不同。原巖應(yīng)力場與采動應(yīng)力場耦合的沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)取值與沖擊危險(xiǎn)等級之間的關(guān)系見表7。

表7 原巖應(yīng)力場與采動應(yīng)力場耦合沖擊危險(xiǎn)性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.2 原巖應(yīng)力場與震動場(RS)耦合沖擊危險(xiǎn)性評價模型

震動場沖擊危險(xiǎn)性指標(biāo)包括：波速異常指數(shù)和波速梯度指數(shù)。二者取值與沖擊危險(xiǎn)等級之間的關(guān)系見表8、表9。

表8 波速異常指數(shù)沖擊危險(xiǎn)性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表9 波速梯度指數(shù)沖擊危險(xiǎn)性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

原巖應(yīng)力場與震動場耦合的沖擊危險(xiǎn)性評價模型為

DRS=a2R+b2γθ+c2gθ

(11)

其中：DRS為原巖應(yīng)力場和震動場耦合的沖擊危險(xiǎn)性評價指數(shù)；a2，b2，c2為原巖應(yīng)力場和震動場耦合沖擊危險(xiǎn)性評價權(quán)重系數(shù)，不同礦井取值不同。原巖應(yīng)力場與震動場耦合的沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)取值與沖擊危險(xiǎn)等級之間的關(guān)系見表10。

表10 原巖應(yīng)力場與震動場耦合沖擊危險(xiǎn)性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.3 采動應(yīng)力場與震動場(MS)耦合沖擊危險(xiǎn)性評價模型

采動應(yīng)力場與震動場耦合沖擊危險(xiǎn)性評價模型為

DMS=a3γσ+b3gσ+c3γθ+d3gθ

(12)

其中：DMS為采動應(yīng)力場與震動場耦合沖擊危險(xiǎn)性評價指數(shù)；a3，b3，c3，d3分別為應(yīng)力異常指數(shù)，應(yīng)力梯度指數(shù)，波速異常指數(shù)，波速梯度指數(shù)的權(quán)重系數(shù)，不同礦井取值不同。采動應(yīng)力場與震動場耦合的沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)取值與沖擊危險(xiǎn)等級之間的關(guān)系見表11。

表11 采動應(yīng)力場與震動場耦合沖擊危險(xiǎn)性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.4 多場耦合(RMS)沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價模型

沖擊地壓發(fā)生的本質(zhì)是煤巖體具有的沖擊能量超過圍巖吸收能量的極限。應(yīng)力場可以表現(xiàn)煤巖體未受擾動的地應(yīng)力場和受采動影響而形成的采動應(yīng)力場，是煤巖體承受應(yīng)力的狀態(tài)量。震動場主要表現(xiàn)煤巖體無法承受外部高應(yīng)力差作用發(fā)生損傷破壞，在此過程中以震動形式釋放出能量的時空域，可以表現(xiàn)煤巖體積蓄能量的過程。沖擊地壓的不僅發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)，也發(fā)生在煤巖體由低應(yīng)力區(qū)向高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化的過程中，采用煤巖體多場耦合的方法可以充分全面評價監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性。

基于上述對RM耦合、RS耦合和MS耦合的沖擊危險(xiǎn)性評價模型，構(gòu)建煤巖體多場耦合(RMS)沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價模型。沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)算法如下

D=DRM+DRS+DMS

(13)

多場耦合沖擊危險(xiǎn)性評價指數(shù)D與沖擊危險(xiǎn)性等級的對應(yīng)關(guān)系見表12。

表12 多場耦合(RMS)沖擊危險(xiǎn)性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

4 工程應(yīng)用

選取典型沖擊地壓礦井311202工作面為現(xiàn)場，開展相關(guān)應(yīng)用。

4.1 工作面概況

311202工作面是該礦井12盤區(qū)第2個回采工作面，是首個沿空回采工作面，位于12盤區(qū)北部，為311201接續(xù)工作面，東部以12盤區(qū)輔運(yùn)大巷為界，西部至12盤區(qū)西部邊界，南部為實(shí)體煤，北部為正在回采的311201工作面，保護(hù)煤柱寬度6 m。該工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，采高5.25 m，工作面傾斜長度299 m，走向長度3 140 m，全部垮落法管理頂板，兩回采巷道采用液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)。工作面布置如圖11所示。

圖11 311202工作面布置Fig.11 Layout of No.311202 mining face

經(jīng)鑒定，3-1煤及其頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，3-1煤層沖擊危險(xiǎn)等級為中等沖擊危險(xiǎn)。311202工作面所在地層構(gòu)造形態(tài)總體為一向北西傾斜的單斜構(gòu)造，傾向300°～320°、傾角1°～3°，地層產(chǎn)狀沿走向及傾向均有一定變化，沿走向發(fā)育有寬緩的波狀起伏。311202工作面受DF19、DF18、F22、F24斷層影響較大，其中DF19斷層影響最為顯著，該斷層走向長度約1 200 m，落差6.5～10.0 m，預(yù)計(jì)影響311202工作面走向長度560 m，對生產(chǎn)過程中的沖擊地壓災(zāi)害影響最大。311202工作面主要斷層情況見表13，311202工作面煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)特征見表14。

表13 311202工作面斷層特征

表14 311202工作面煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)特征

4.2 多場耦合沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價

原巖應(yīng)力場包括重力場和構(gòu)造應(yīng)力場，通過地應(yīng)力測試及三維反演可得到。采動應(yīng)力場通過應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測得到。在311202回風(fēng)巷生產(chǎn)幫安設(shè)應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，距離開切眼60 m生產(chǎn)幫側(cè)安設(shè)第1組應(yīng)力測點(diǎn)，之后每隔40 m安設(shè)一組，共布置10組，主要監(jiān)測工作面超前300 m范圍內(nèi)回風(fēng)巷一側(cè)煤體采動應(yīng)力分布情況；每組垂直于煤壁施工2個?44 mm應(yīng)力鉆孔，孔深分別為11 m和16 m，鉆孔間距1 m。當(dāng)測點(diǎn)與工作面距離小于30 m時開始回撤，隨著工作面回采，測點(diǎn)依次前移，直至回采結(jié)束。測點(diǎn)布置方案如圖12所示。收集了311202工作面2019年5月至11月的回風(fēng)巷采動應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了分析和應(yīng)用。

圖12 應(yīng)力在線監(jiān)測測點(diǎn)布置Fig.12 Layout of measuring points for online stress monitoring

工作面震動場數(shù)據(jù)由ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測得到。311202工作面測站布置情況如圖13所示。井下布置4臺微震拾震器(編號S9至S12)和6個移動式監(jiān)測探頭(編號T19至T24)，地面布置1臺編號為A2礦震測站組成聯(lián)合監(jiān)測網(wǎng)，對工作面進(jìn)行全面監(jiān)測。

圖13 311202回采工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)測站布置Fig.13 Arrangement of the station of microseismic monitoring system in No.311202 mining face

選取311202工作面回采至距離DF19斷層10 m時，開始揭露DF19斷層時以及揭露DF19斷層295 m時，3個時間節(jié)點(diǎn)311202工作面超前150 m范圍內(nèi)的沖擊危險(xiǎn)性評價情況。

回采至距離DF19斷層10 m時，計(jì)算原巖應(yīng)力場沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)R，3-1煤層平均采深620 m，R1=3；工作面距離斷層10 m，R2=4；工作面前方無背斜或向斜，R3=1；該區(qū)域未發(fā)生過沖擊地壓，R4=1。根據(jù)式(9)計(jì)算得到R=2.3。按照式(1)、式(2)計(jì)算得到γσ=2.3，gσ=3.3。311202工作面最大主應(yīng)力與水平應(yīng)力比約為1，取a1=b1=c1=0.5，根據(jù)式(10)計(jì)算得到DRM=4.0。同理計(jì)算出，揭露斷層時DRM=5.0；揭露斷層295 m時DRM=4.0。

回采至距離DF19斷層10 m時，R=2.3；根據(jù)式(3)、(4)計(jì)算得到γθ=3.4，gθ=5.0；工作面最大主應(yīng)力與水平應(yīng)力比約為1，取a2=b2=c2=0.5，根據(jù)式(11)計(jì)算得到DRS=5.4。同理計(jì)算出，揭露斷層時DRS=6.5；揭露斷層295 m時DRS=4.5。

回采至距離DF19斷層10 m時，根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算得到γσ=2.3，gσ=3.3；根據(jù)式(3)、式(4)計(jì)算得到γθ=3.4，gθ=5.0。311202工作面最大主應(yīng)力與水平應(yīng)力比約為1，取a3=b3=c3=d3=0.5，根據(jù)式(12)計(jì)算得到DMS=7.0。同理計(jì)算出，揭露斷層時DMS=9.2；揭露斷層295 m時DMS=6.2。

根據(jù)式(13)計(jì)算得到，回采至距離DF19斷層10 m時D=16.4，具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性；揭露斷層時D=20.7，具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性；揭露斷層295 m時D=14.7，具有中等沖擊危險(xiǎn)性。

4.3 評價結(jié)果驗(yàn)證與對比

依據(jù)311202工作面回采期間超前工作面300 m范圍內(nèi)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、鉆孔應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值驗(yàn)證評價結(jié)果。在距離DF19斷層10 m附近，當(dāng)天微震釋放總能量約為19 300 J，單次最大能量為7 000 J，微震事件26次；揭露斷層時，當(dāng)天微震釋放總能量約為22 300 J，單次最大能量約為9 000 J，微震事件17次；揭露斷層296 m附近，當(dāng)天微震釋放總能量約為7 700 J，單次最大能量約為6 000 J，微震事件6次。從微震事件能量、頻次中可以看出沖擊危險(xiǎn)性降低。在距離斷層10 m附近、揭露斷層附近以及揭露斷層296 m附近選取3個煤層鉆孔應(yīng)力測點(diǎn)，3個測點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖14所示。工作面推進(jìn)過程中煤層應(yīng)力數(shù)值增加，強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)力始終高于中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。微震和煤層鉆孔應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價結(jié)果的合理性。

圖14 煤層鉆孔應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值Fig.14 Average values of stress monitoring datas in coal seam

應(yīng)用綜合指數(shù)法對該工作面整體的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行了評價。根據(jù)地質(zhì)條件確定311202工作面沖擊危險(xiǎn)性綜合指數(shù)Wt1為0.57，開采技術(shù)條件確定311202工作面沖擊危險(xiǎn)性綜合指數(shù)Wt2為0.47，具體取值見表15和表16。Wt=max{Wt1,Wt2}=0.57，確定工作面沖擊危險(xiǎn)等級為中等。

表15 地質(zhì)條件影響下311202工作面沖擊危險(xiǎn)性等級

表16 開采技術(shù)條件影響下311202工作面沖擊危險(xiǎn)性等級

對比綜合指數(shù)法評價結(jié)果，多場耦合沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價結(jié)果綜合了原巖應(yīng)力場、采動應(yīng)力場和震動場的相關(guān)數(shù)據(jù)，考慮因素更加全面，評價的精確性更高。因此，多場耦合工作面沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價方法具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性、實(shí)用性，為煤礦沖擊地壓危險(xiǎn)性評價提供了新途徑。

5 結(jié) 論

1)動載無論直接作用在巖石上還是煤體上，煤巖組合體的破壞主要發(fā)生在煤體中。能量以震動波形式傳遞，引起應(yīng)力場的重新分布，當(dāng)震動波能量超過一定閾值時，造成煤體破壞，其中巖石是能量傳遞路徑，煤是能量耗散、釋放主體。

2)震動場與應(yīng)力場之間存在耦合作用。一是應(yīng)力場改變可以直接引起介質(zhì)中震動波波速變化，且波速變化前的幅值與變化幅度均受應(yīng)力場影響；二是震動場傳遞會造成煤巖應(yīng)力場的重新分布。震動場-應(yīng)力場的耦合作用是考慮動靜載作用開展煤巖沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價的關(guān)鍵。

3)考慮動靜載作用，以原巖應(yīng)力場表示煤巖孕災(zāi)過程的靜態(tài)基礎(chǔ)量，以采動應(yīng)力場和震動場表示煤巖孕災(zāi)過程的動態(tài)變化量，以波速異常指數(shù)、波速梯度指數(shù)、應(yīng)力異常指數(shù)、應(yīng)力梯度指數(shù)為評價指標(biāo)，建立了煤巖多場耦合沖擊危險(xiǎn)性動態(tài)評價技術(shù)，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場。