孫炳興

(1.中煤科工集團(tuán)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

在我國(guó)約有30%以上的礦井有煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)(如沖擊地壓、煤與瓦斯突出等)，而煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害會(huì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行了大量研究，對(duì)其災(zāi)害發(fā)生機(jī)理有了基本的認(rèn)識(shí)，對(duì)其預(yù)測(cè)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(lái)，我國(guó)煤礦開采深度以平均每年12 m的速度遞增，煤礦進(jìn)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(jiǎn)稱突出)等煤巖瓦斯動(dòng)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(duì)沖擊性突出機(jī)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(qiáng)度越低的區(qū)域，沖擊性突出危險(xiǎn)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(yíng)礦、撫順老虎臺(tái)礦等礦區(qū)，都發(fā)生了同時(shí)存在沖擊地壓和突出特征的煤巖瓦斯復(fù)合動(dòng)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(dòng)力災(zāi)害事故[5-7]。因此，在煤礦井下采掘過(guò)程中，根據(jù)引起沖擊性突出危險(xiǎn)的主要因素，在具體區(qū)域和開采條件下，對(duì)沖擊性突出進(jìn)行宏觀評(píng)價(jià)及分級(jí)，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(duì)試驗(yàn)礦井突出煤層地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)煤層特點(diǎn)，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(duì)每個(gè)因素采用不同的評(píng)價(jià)方法劃定危險(xiǎn)區(qū)域，最后根據(jù)多因素耦合原理，劃定不同的危險(xiǎn)區(qū)域和危險(xiǎn)程度，為事先采取針對(duì)性的防治措施提供依據(jù)。

1 沖擊性突出危險(xiǎn)性宏觀評(píng)價(jià)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(duì)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(dòng)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(jìn)行單因素評(píng)價(jià)，確定出單因素影響形成的危險(xiǎn)區(qū)域。然后，采用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造判斷矩陣，進(jìn)行特征向量和最大特征值的計(jì)算，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其中二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的單因素評(píng)價(jià)矩陣為一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣，采用層次分析法確定模型各級(jí)評(píng)價(jià)因素指標(biāo)的權(quán)重。通過(guò)計(jì)算分析，對(duì)可能受多個(gè)單因素影響的沖擊性突出危險(xiǎn)區(qū)域的危險(xiǎn)性系數(shù)做出評(píng)價(jià)。沖擊性突出危險(xiǎn)性系數(shù)越高，則其危險(xiǎn)程度就越大。對(duì)危險(xiǎn)性系數(shù)計(jì)算結(jié)果分級(jí)，確定不同危險(xiǎn)程度為輕度危險(xiǎn)區(qū)、中度危險(xiǎn)區(qū)和高度危險(xiǎn)區(qū)。

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

2 沖擊性突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(gè)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(jiān)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)因子。根據(jù)層次分析法確定模型各級(jí)評(píng)價(jià)因素指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算沖擊性突出危險(xiǎn)性系數(shù)(用G表示)，確定危險(xiǎn)程度。

圖1 沖擊性煤與瓦斯突出的層次分析—模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 沖擊性突出危險(xiǎn)性系數(shù)臨界指標(biāo)

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

表1 沖擊性突出危險(xiǎn)性指數(shù)與危險(xiǎn)程度對(duì)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(jí)、二級(jí)影響因素判斷矩陣。

2.2.1 建立一級(jí)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(píng)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(duì)判斷矩陣B1的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷矩陣的隨機(jī)一次性比例：CR=0.065<0.1，一致性檢驗(yàn)通過(guò)。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(gè)一級(jí)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(jí)影響因素判斷矩陣

2.3 沖擊性突出危險(xiǎn)性模糊綜合評(píng)價(jià)

地應(yīng)力的5個(gè)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(píng)價(jià)隸屬度，分別對(duì)應(yīng)標(biāo)記為r11、r12、r13、r14、r15。由此得地應(yīng)力對(duì)沖擊性突出危險(xiǎn)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(gè)二級(jí)影響因素對(duì)沖擊性突出危險(xiǎn)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(gè)影響因素(瓦斯含量、瓦斯壓力)的評(píng)價(jià)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(jiān)固性系數(shù)、煤的瓦斯放散初速度、煤的透氣性)的評(píng)價(jià)隸屬度值。

如果教師在課堂教學(xué)中不對(duì)統(tǒng)計(jì)思想講解透徹，就會(huì)給學(xué)生理解統(tǒng)計(jì)方法和學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)原理帶來(lái)很大的困難。教師應(yīng)該對(duì)一種方法的“統(tǒng)計(jì)思想”有深刻的理解，才能夠在教學(xué)中運(yùn)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(jì)學(xué)的課堂中抓住統(tǒng)計(jì)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(jì)思想”就是“分解變異”時(shí)，就掌握了方差分析方法的精髓。適用于方差分析的實(shí)際問(wèn)題可能千變?nèi)f化，但萬(wàn)變不離其宗，只要我們牢牢掌握了該方法的統(tǒng)計(jì)思想，問(wèn)題就可迎刃而解。

2.3.2 二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

采用同樣的方法，根據(jù)各二級(jí)因素集的隸屬度以及各二級(jí)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(xiǎn)性系數(shù)為：

G=0.540R1+0.297R2+0.163R3

(4)

最后通過(guò)對(duì)比表1確定某一區(qū)域的危險(xiǎn)程度。

3 沖擊性突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)應(yīng)用

3.1 工作面概況

試驗(yàn)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(zhǎng)度2 090 m，傾向長(zhǎng)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(zhǎng)壁一次采全高綜合機(jī)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(xiǎn)性評(píng)價(jià)

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(yùn)動(dòng)、瓦斯因素、煤體本身物理力學(xué)性質(zhì)，然后對(duì)沖擊性突出危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)開采深度與沖擊性突出危險(xiǎn)性關(guān)系評(píng)價(jià)。開采深度超過(guò)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(xiǎn)傾向性。

(2)煤巖結(jié)構(gòu)與沖擊性突出危險(xiǎn)性關(guān)系評(píng)價(jià)。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(yùn)動(dòng)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(píng)價(jià)。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(xiǎn)性。分析工作面構(gòu)造地質(zhì)條件，該工作面在多個(gè)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(xiǎn)區(qū)域如圖2(a)所示。

(4)覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與沖擊性突出關(guān)系評(píng)價(jià)。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?lái)壓階段：根據(jù)試驗(yàn)礦井采煤工作面的開采經(jīng)驗(yàn)，基本頂初次來(lái)壓步距為40 m左右，工作面前方50～100 m為危險(xiǎn)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(jìn)入工作面“見方”階段，工作面前方50～100 m為危險(xiǎn)區(qū)域，如圖2(c)所示。周期來(lái)壓階段：工作面初次來(lái)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(lái)壓前，將增強(qiáng)工作面前方50～100 m內(nèi)危險(xiǎn)區(qū)的危險(xiǎn)性。

圖2 多因素誘發(fā)沖擊性突出危險(xiǎn)區(qū)

(5)瓦斯因素對(duì)沖擊性突出影響評(píng)價(jià)。經(jīng)測(cè)試，整個(gè)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(xiǎn)性更大。但在工作面回采前，已對(duì)煤層瓦斯進(jìn)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(xiǎn)性較低。

(6)煤體本身物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)沖擊性突出影響評(píng)價(jià)。工作面由于開采時(shí)已通過(guò)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(xiǎn)性較大。

綜上，采用沖擊性突出層次分析—模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)工作面沖擊性突出危險(xiǎn)程度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，結(jié)果見表6。

表6 工作面沖擊性突出危險(xiǎn)區(qū)的危險(xiǎn)程度

通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果，將這些沖擊危險(xiǎn)區(qū)按危險(xiǎn)程度劃分為3類：中度危險(xiǎn)區(qū)域3個(gè)，高度危險(xiǎn)區(qū)域6個(gè)，其他區(qū)域?yàn)檩p度危險(xiǎn)區(qū)域，如圖3所示。

圖3 多因素層次評(píng)價(jià)的沖擊危險(xiǎn)區(qū)

3.3 應(yīng)用效果分析

根據(jù)工作面多因素層次評(píng)價(jià)結(jié)果，在相應(yīng)區(qū)域有針對(duì)性地實(shí)施防沖擊性突出措施，例如采用堅(jiān)硬頂板預(yù)斷裂技術(shù)進(jìn)行頂板初次斷裂和工作面“見方”斷裂沖擊性突出危險(xiǎn)區(qū)域解危；在巷道幫腳處施工大直徑鉆孔進(jìn)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(xiǎn)區(qū)采取大直徑卸壓和二次卸壓與強(qiáng)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(shuō)明在整個(gè)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(shuō)明沖擊性突出宏觀評(píng)價(jià)的指導(dǎo)作用，在相對(duì)輕度危險(xiǎn)區(qū)和中度危險(xiǎn)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(duì)有沖擊性突出危險(xiǎn)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(duì)性評(píng)價(jià)方法，找出危險(xiǎn)區(qū)域；再根據(jù)多因素耦合原理，劃分不同的危險(xiǎn)區(qū)域以及危險(xiǎn)程度等級(jí)，從而為預(yù)防措施提供技術(shù)支撐。采用沖擊性突出危險(xiǎn)宏觀評(píng)價(jià)方法對(duì)試驗(yàn)工作面評(píng)價(jià)及應(yīng)用后可知，沖擊性突出危險(xiǎn)宏觀評(píng)價(jià)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(duì)性，從而能提高生產(chǎn)效率，降低開采成本。