張世平，趙 健，李士棟，周 濤，崔小超，張 東，梁記忠，王高昂，朱斯陶，孫 波

(1.中煤資源發(fā)展集團(tuán)有限公司，北京 100011；2.山東能源集團(tuán) 魯西礦業(yè)有限公司，山東 菏澤 274700；3.兗煤菏澤能化有限公司 趙樓煤礦，山東 菏澤 274700；4.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 華豐煤礦，山東 泰安 271400；5.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

隨著淺部煤炭資源采掘殆盡，煤礦開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，許多地區(qū)的開采深度達(dá)到甚至超過了1 000 m，以至于沖擊地壓事故頻頻發(fā)生，給煤炭資源的安全開采帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1-5]。此外，相較于一般煤體，由大巷切割作用形成的孤立煤體所受應(yīng)力更大，再加上煤層厚度等因素的共同影響，更易發(fā)生沖擊地壓事故，是深部煤炭開采亟需攻克的難點(diǎn)[6-9]。

我國眾多學(xué)者對大采深條件下厚煤層孤立煤體發(fā)生沖擊地壓事故進(jìn)行了大量研究，例如王緒友[10]應(yīng)用綜合指數(shù)法，從煤巖沖擊傾向性、采深、地應(yīng)力方面進(jìn)行分析，解決了大采深條件下多個煤層開采時相互影響的問題；薛成春等[11]采用數(shù)值模擬理論分析了大傾角厚煤層頂板能量分布特征，建立了傾斜懸頂結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，有效避免了大傾角厚煤層發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害；朱斯陶等[12-13]針對特厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊災(zāi)害頻發(fā)的問題，提出了基于“地音大事件”概念的監(jiān)測預(yù)警方法，揭示了復(fù)合厚煤層沖擊地壓的發(fā)生機(jī)制，建立了特厚煤層掘進(jìn)工作面的危險性評價方法；王超等[14]通過應(yīng)力監(jiān)測等方法，研究了趙樓煤礦3304工作面深井厚煤層的合理區(qū)段煤柱寬度，保證了深井條件下厚煤層區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性。

以上學(xué)者的研究為本文提供了理論基礎(chǔ)，但大采深條件下大巷孤立煤體的開采依舊是發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，因此本文從實(shí)際工程案例出發(fā)，從理論分析和數(shù)值模擬2方面對深井厚煤層大巷孤立煤體誘發(fā)沖擊地壓的影響因素進(jìn)行研究，并采用模糊數(shù)學(xué)方法建立此種類型煤體的沖擊危險性評價方法，以期為相關(guān)工程提供理論參考。

1 深井厚煤層大巷孤立煤體沖擊案例

1.1 深井厚煤層大巷孤立煤體沖擊案例概況

2015年8月19日，山東趙樓煤礦七采區(qū)發(fā)生了2次大能量礦震事件(1.3級、2.11級)。2次大能量礦震事件均發(fā)生在七采區(qū)二集下山區(qū)域[15]，如圖1所示。礦震造成采區(qū)錨桿、錨索破斷，圍巖變形和動力性冒頂?shù)葹?zāi)害，封閉了作業(yè)人員的逃生通道，嚴(yán)重危害了作業(yè)人員的安全以及事故救援工作的進(jìn)行。

圖1 趙樓煤礦大能量礦震事件分布示意

2016年8月15日，肥礦集團(tuán)梁寶寺煤礦35000采區(qū)發(fā)生了1次嚴(yán)重的沖擊地壓事故，此次事故震源臨近35000采區(qū)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷。此處巷道分布密集，完整煤體被巷道切割成孤立狀態(tài)，導(dǎo)致煤體內(nèi)部應(yīng)力集中程度高，煤體失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓。事故沖擊現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 梁寶寺煤礦35000采區(qū)沖擊事故現(xiàn)場

2015年8月30日，山東古城煤礦32采區(qū)發(fā)生了1起沖擊地壓事故，事故造成大量巷道變形破壞，支護(hù)破斷，掘進(jìn)機(jī)偏移。因地面存在村莊，古城煤礦采用條帶法開采以減少采掘活動對地面房屋產(chǎn)生破壞。事故區(qū)域分布有32采區(qū)集中皮帶巷、采區(qū)集中進(jìn)風(fēng)巷、3208皮帶順槽、軌道順槽等巷道，且煤體厚度大、埋藏深。事故現(xiàn)場和事故區(qū)域概況如圖3～4所示。

圖3 古城煤礦沖擊事故現(xiàn)場

1.2 深井厚煤層大巷孤立煤體誘沖因素分析

根據(jù)上述案例可以發(fā)現(xiàn)，煤層的埋深是誘發(fā)沖擊地壓的關(guān)鍵因素之一。尤其是對于埋深超過1 000 m的深井而言，煤體本身所受地應(yīng)力程度高，再經(jīng)過采掘活動的影響，發(fā)生沖擊地壓事故的幾率大大增加。此外，這類礦井還存在由于大巷布置位置不合理等原因，將完整煤體切割成孤立的煤柱，致使煤體內(nèi)部應(yīng)力集中，更易發(fā)生煤體失穩(wěn)沖擊，如圖5所示。

圖5 大巷切割孤立煤體示意

此類煤體發(fā)生沖擊地壓一般有如下共同點(diǎn)：1)大巷切割成的孤立煤體內(nèi)部應(yīng)力集中程度高，處于即將失穩(wěn)破壞的臨界狀態(tài)；2)由于受到采掘等活動的影響，孤立煤體臨界應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，產(chǎn)生失穩(wěn)；3)孤立煤體發(fā)生失穩(wěn)破壞時釋放的能量大于圍巖及支護(hù)體的強(qiáng)度。

多起孤立煤體沖擊地壓事故的發(fā)生給礦山的安全生產(chǎn)帶來了極大的困擾，使礦井遭受了巨大的損失。通過對上述多起沖擊地壓事故案例分析可知，孤立煤體失穩(wěn)誘發(fā)沖擊具有以下特點(diǎn)：1)事故區(qū)域大巷埋深為千米及千米以上，自重應(yīng)力較高；2)沖擊地點(diǎn)都處于巷道切割形成的煤柱內(nèi)，孤立煤體承受著較高的支承壓力；3)大巷均為煤巷布置，煤層厚度均為厚煤層，巷道圍巖綜合抗壓強(qiáng)度較低；4)事故發(fā)生區(qū)域附近均無工作面正在回采，沒有高位巖層破裂產(chǎn)生的大范圍動壓擾動。

而多起事故的不同之處在于：1)趙樓煤礦二集下山間距為40 m，在掘進(jìn)過程中未進(jìn)行卸壓活動，大能量礦震事件發(fā)生在掘進(jìn)迎頭后方；2)梁寶寺煤礦35000采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷間距為50 m，沖擊事故發(fā)生前該區(qū)域已進(jìn)行過卸壓活動；3)古城煤礦32采區(qū)集中進(jìn)風(fēng)巷下山間距為70 m，沖擊事故發(fā)生前該區(qū)域已進(jìn)行過卸壓活動。

通過以上事故分析可以發(fā)現(xiàn)，采深、煤厚、大巷間距等因素是導(dǎo)致煤體發(fā)生失穩(wěn)沖擊的主要原因。在這些因素影響下，常見的大巷孤立煤體沖擊主要分為以下2種情況：1)小間距大巷孤立煤體，此情況由于大巷間距較小，為防止巷道產(chǎn)生大變形，大巷未采取卸壓活動，孤立煤體彈性承載區(qū)高應(yīng)力主要來自于巷道圍巖應(yīng)力的逐漸集中，表現(xiàn)為蠕變失穩(wěn)特征，如趙樓煤礦二集下山礦震事件；2)大間距大巷孤立煤體，此類型為防止巷道產(chǎn)生局部沖擊，往往會采取巷道卸壓進(jìn)行應(yīng)力轉(zhuǎn)移，孤立煤體承載區(qū)高應(yīng)力主要來自于巷道卸壓后產(chǎn)生的應(yīng)力集中，表現(xiàn)為整體失穩(wěn)破壞特征，如梁寶寺煤礦和古城煤礦沖擊事故。

2 大巷孤立煤體開采影響因素?cái)?shù)值分析

為探究不同開采條件對煤體應(yīng)力的影響規(guī)律，以梁寶寺煤礦35000采區(qū)為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對誘發(fā)孤立煤體沖擊的影響因素：采深、煤層厚度、巷道間距等進(jìn)行模擬分析，以采區(qū)回風(fēng)巷和皮帶集中巷為研究對象，建立簡化模型尺寸為長×寬×高=300 m×200 m×70 m，如圖6所示。約束模型底部水平和垂直位移，固定模型2側(cè)水平位移，在頂部自由面施加均布荷載模擬上覆巖層自重。

圖6 數(shù)值模擬計(jì)算模型

2.1 采掘深度對孤立煤體沖擊影響性分析

根據(jù)35000采區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，取下山間距D1=50 m，聯(lián)絡(luò)巷間距D2=150 m，煤層厚度7 m，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，分別模擬采深500，600，700，800，900，1 000，1 100，1 200 m條件下大巷孤立煤體垂直應(yīng)力變化情況，其垂直應(yīng)力峰值變化曲線如圖7所示。

圖7 不同采深孤立煤體應(yīng)力曲線

由圖7可知，當(dāng)大巷間距不變時，大巷孤立煤體上方垂直應(yīng)力分布形式隨采深變化影響較小，500～1 200 m采深條件下孤立煤體應(yīng)力均為平臺形分布，但煤體應(yīng)力峰值隨采深增加不斷增大。已知梁寶寺煤礦3煤煤層單軸抗壓強(qiáng)度[σc]=20 MPa，同一尺寸的孤立煤體1 200 m采深時的垂直應(yīng)力峰值約是埋深為500 m時的3倍。以動應(yīng)力比Ic=σ/[σc]為沖擊危險判斷標(biāo)準(zhǔn)，Ic≥1.5時為弱沖擊危險，Ic≥1.8時為中等沖擊危險，Ic≥2.0時為強(qiáng)沖擊危險。從圖7可以看出，梁寶寺35000采區(qū)煤體采深超過800 m時達(dá)到弱沖擊危險，采深超過900 m時達(dá)到中等沖擊危險，采深超過1 000 m時達(dá)到強(qiáng)沖擊危險。在僅考慮自重應(yīng)力影響下，采掘深度對孤立煤體沖擊影響的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同采深孤立煤體沖擊危險性模擬結(jié)果

故當(dāng)大巷間距和煤層厚度不變時，隨著采深的增加，孤立煤體應(yīng)力集中程度逐漸增大，采深達(dá)到千米后，孤立煤體超過強(qiáng)沖擊危險。因此千米深井條件下高自重應(yīng)力為大巷孤立煤體沖擊提供了基礎(chǔ)靜載，是大巷孤立煤體沖擊頻發(fā)的根源。

2.2 煤層厚度對孤立煤體沖擊影響性分析

根據(jù)35000采區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，取下山間距D1=50 m，聯(lián)絡(luò)巷間距D2=150 m，巷道采深1 000 m，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，模擬煤厚分別為7，8，9，10，11，12，13，14 m時大巷孤立煤體垂直應(yīng)力變化情況，模擬結(jié)果如圖8和表2所示。

圖8 不同煤層厚度孤立煤體應(yīng)力曲線

從表2可知，梁寶寺35000采區(qū)煤體在1 000 m采深條件下，大巷間距為50 m，煤層厚度為7 m時已經(jīng)達(dá)到了強(qiáng)沖擊危險。

表2 不同煤層厚度孤立煤體沖擊危險性模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知孤立煤體應(yīng)力峰值與煤層厚度呈正相關(guān)，即煤層越厚，孤立煤體應(yīng)力集中程度越高，孤立煤體應(yīng)力分布形式逐漸由平臺形向單峰形轉(zhuǎn)化，且應(yīng)力峰值逐漸向孤立煤體彈性承載區(qū)集中，煤厚為14 m時比煤厚為7 m時應(yīng)力峰值增加了約8 MPa，表明煤層越厚，巷道圍巖積聚的彈性能越大，當(dāng)煤體發(fā)生沖擊時產(chǎn)生的破壞越強(qiáng)。

當(dāng)采深和大巷間距不變時，千米深井條件下厚煤層大巷孤立煤體隨著煤層厚度的增加，孤立煤體積聚的彈性能不斷增大，應(yīng)力集中程度逐漸增大，沖擊危險性也隨之增大，煤層厚度是誘發(fā)孤立煤體沖擊的原因之一。

2.3 大巷間距對孤立煤體沖擊影響性分析

根據(jù)35000采區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，取聯(lián)絡(luò)巷間距D2=150 m，采深1 000 m，煤層厚度7 m，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，對不同大巷間距條件下孤立煤體垂直應(yīng)力變化進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同間距孤立煤體應(yīng)力曲線

由圖9可知，當(dāng)孤立煤體采深及煤層厚度不變時，大巷孤立煤體上方垂直應(yīng)力分布形式隨大巷間距的變化而發(fā)生明顯改變，大巷間距為80 m時應(yīng)力呈雙峰形分布，大巷間距為70 m時應(yīng)力呈馬鞍形分布，大巷間距為60，50 m時應(yīng)力呈平臺形分布，大巷間距為40，30 m時應(yīng)力呈單峰形分布，煤體應(yīng)力峰值隨大巷間距的減小而不斷增大。在僅考慮自重應(yīng)力影響下，大巷間距對孤立煤體沖擊影響的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同大巷間距孤立煤體沖擊危險性模擬結(jié)果

已知梁寶寺煤礦3煤煤層單軸抗壓強(qiáng)度[σc]=20 MPa，千米采深條件下孤立煤體大巷間距為40 m時的應(yīng)力集中系數(shù)約是大巷間距為80 m時的應(yīng)力集中系數(shù)的1.3倍。以動應(yīng)力比Ic=σ/[σc]為沖擊危險判斷標(biāo)準(zhǔn)，Ic≥1.5時為弱沖擊危險，Ic≥1.8時為中等沖擊危險，Ic≥2.0時為強(qiáng)沖擊危險。從圖9可以看出，梁寶寺35000采區(qū)煤體大巷間距為80 m時達(dá)到弱沖擊危險，大巷間距為70，60 m時達(dá)到中等沖擊危險，大巷間距≤50 m時達(dá)到強(qiáng)沖擊危險。

由上述分析可知，當(dāng)采深和煤層厚度不變時，隨著大巷間距的縮小，孤立煤體彈性承載區(qū)應(yīng)力逐漸集中，當(dāng)大巷間距小于50 m時有強(qiáng)沖擊危險，因此千米深井條件下大巷間距的不合理布置是孤立煤體沖擊頻發(fā)的主要原因。

3 深井厚煤層大巷孤立煤體沖擊危險性評價方法

煤體發(fā)生沖擊地壓的原因與煤體埋深、煤層厚度、大巷間距以及煤層的沖擊傾向性有著密切的關(guān)系。為了更直觀趨量化地分析各個影響因素對煤體發(fā)生沖擊地壓的影響，采用模糊數(shù)學(xué)方法，對各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，建立孤立煤體沖擊危險性的隸屬度函數(shù)如式(1)所示：

U(x)=f(U1，U2)

(1)

式中：U(x)為煤體沖擊危險性的隸屬度函數(shù)；U1為煤體開采因素對沖擊危險性的隸屬度函數(shù)；U2為煤層沖擊傾向性因素對沖擊危險性的隸屬度函數(shù)。

3.1 煤體開采因素對沖擊危險性隸屬度

煤體發(fā)生沖擊失穩(wěn)的必要條件是煤體所受支承壓力大于其單軸抗壓強(qiáng)度，而煤體所受應(yīng)力與煤體埋深、煤層厚度、大巷間距直接相關(guān)。在煤體本身所能承受的最大應(yīng)力一定的情況下，埋深越大、煤層越厚、大巷間距越小，煤體所承受的應(yīng)力就越大，發(fā)生沖擊失穩(wěn)的風(fēng)險則越高。

建立煤體開采因素對沖擊危險性的隸屬度函數(shù)如式(2)所示：

U1=a1φ1+a2φ2+a3φ3

(2)

式中：φ1為煤層埋深對沖擊地壓的隸屬度函數(shù)；φ2為煤層厚度對沖擊地壓的隸屬度函數(shù)；φ3為大巷間距對沖擊地壓的隸屬度函數(shù)；a1為煤層埋深對沖擊地壓的敏感度系數(shù)；a2為煤層厚度對沖擊地壓的敏感度系數(shù)；a3為大巷間距對沖擊地壓的敏感度系數(shù)。

根據(jù)表1～3中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理可得隸屬度函數(shù)φ1，φ2，φ3如式(3)～(5)所示：

(3)

(4)

(5)

式中：H為煤層埋深，m；M為煤層厚度，m；D為大巷間距，m。

依據(jù)大巷孤立煤體開采影響因素?cái)?shù)值模擬結(jié)果可知，采掘深度和大巷間距對煤體沖擊危險性的敏感度相對較高，因此分配權(quán)重a1=0.4，a2=0.2，a3=0.4，并由式(2)～(5)可得煤體開采因素的隸屬度函數(shù)如式(6)所示：

U1=0.4φ1+0.2φ2+0.4φ3

(6)

3.2 煤層沖擊傾向性因素對沖擊危險性隸屬度

煤層的沖擊傾向性共有4個指標(biāo)，分別是單軸抗壓強(qiáng)度RC、彈性能量指數(shù)WET、沖擊能量指數(shù)KE和動態(tài)破壞時間DT。如圖4所示建立煤層沖擊傾向性對沖擊危險性的隸屬度函數(shù)如式(7)所示：

圖4 古城煤礦下山區(qū)域概況

U2=b1φRC+b2φWET+b3φKE+b4φDT

(7)

式中：φRc為單軸抗壓強(qiáng)度對沖擊地壓的隸屬度函數(shù)；φWET為彈性能量指數(shù)對沖擊地壓的隸屬度函數(shù)；φKE為沖擊能量指數(shù)對沖擊地壓的隸屬度函數(shù)；φDT為動態(tài)破壞時間對沖擊地壓的隸屬度函數(shù)；b1為單軸抗壓強(qiáng)度對沖擊地壓的敏感度系數(shù)；b2為彈性能量指數(shù)對沖擊地壓的敏感度系數(shù)；b3為沖擊能量指數(shù)對沖擊地壓的敏感度系數(shù)；b4為動態(tài)破壞時間對沖擊地壓的敏感度系數(shù)。

對上述表4中的4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理可得隸屬度函數(shù)φRc，φWET，φKE，φDT，如式(8)～(11)所示：

表4 煤層沖擊傾向性鑒定標(biāo)準(zhǔn)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：RC為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；WET為彈性能量指數(shù)；KE為沖擊能量指數(shù)；DT為動態(tài)破壞時間，ms。

因煤層沖擊傾向性4個因素對煤體沖擊危險性的敏感度相對平均，故取b1=b2=b3=b4=0.25，并由式(7)～(11)可得煤層沖擊傾向性對沖擊危險性的隸屬度如式(12)所示：

U2=0.25φRC+0.25φWET+0.25φKE+0.25φDT

(12)

3.3 煤體沖擊危險性評估方法及分級

通過上述隸屬度分析，綜合式(1)，(6)，(12)得深井厚煤層大巷孤立煤體沖擊危險指數(shù)如式(13)所示：

(13)

根據(jù)沖擊危險指數(shù)U及沖擊地壓危險等級標(biāo)準(zhǔn)評價深井厚煤層大巷孤立煤體沖擊地壓危險可能性，沖擊地壓危險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)由表5所示。

表5 沖擊地壓危險等級劃分

3.4 梁寶寺煤礦大巷孤立煤體沖擊危險性評價

梁寶寺煤礦35000采區(qū)主采3煤，煤厚7 m，平均埋深約1 000 m，煤層沖擊傾向性指標(biāo)如表6所示，35000采區(qū)下山間距為50 m，聯(lián)絡(luò)巷間距150 m。

表6 梁寶寺3#煤層沖擊傾向性指標(biāo)

將上述數(shù)據(jù)代入式(3)～(6)，式(8)～(12)可得

U1=0.4φ1+0.2φ2+0.4φ3=0.841 6

U2=0.25φRC+0.25φWET+0.25φKE+0.25φDT=0.97

將U1，U2代入式(13)得出梁寶寺煤礦35000采區(qū)沖擊地壓危險性指數(shù)為

對照表5沖擊地壓危險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)可知，梁寶寺煤礦35000采區(qū)沖擊地壓危險性指數(shù)U=0.905 8>0.75，具有強(qiáng)沖擊危險，與實(shí)際工程情況相符。因此包含采掘深度、煤層厚度、大巷間距和煤層沖擊傾向性的大巷孤立煤體沖擊危險性評價方法科學(xué)合理，可為實(shí)際工程提供借鑒。

4 結(jié)論

1)隨著采深的增加，孤立煤體應(yīng)力集中程度逐漸增大，大采深所造成的高自重應(yīng)力為大巷孤立煤體提供基礎(chǔ)靜載，同一尺寸的孤立煤體采深1 200 m時的垂直應(yīng)力峰值是500時的3倍左右，是大巷孤立煤體頻繁發(fā)生沖擊地壓的根源。

2)大采深條件下大巷孤立煤體隨著煤層厚度的增加，孤立煤體積聚的彈性能不斷增大，應(yīng)力集中程度逐漸增大，沖擊危險性也隨之增大，煤層厚度是誘發(fā)孤立煤體沖擊的原因之一。

3)當(dāng)采深和煤層厚度不變時，隨著大巷間距的縮小，孤立煤體彈性承載區(qū)應(yīng)力逐漸集中，因此千米深井條件下大巷間距的不合理布置是孤立煤體沖擊頻發(fā)的主要原因。

4)提出包含開采因素和煤層沖擊傾向性的深井厚煤層大巷孤立煤體沖擊危險性評價方法，使多因素條件影響下煤體沖擊危險性評價更加合理。