張博 張連鵬

【摘 ?要】煤巖體沖擊傾向性和礦井沖擊危險性研究是煤礦災(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四個因素，建立了礦井沖擊危險性評價數(shù)學(xué)模型 W ij（X），數(shù)學(xué)模型把礦井沖擊危險性分為強(qiáng)沖擊、中等沖擊和弱沖擊 3 個危險等級。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;危險性影響因素;數(shù)學(xué)模型

一、引言

新建煤礦位于七臺河礦區(qū)西北部，始建于1958年，東西走向長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，將會面臨高地應(yīng)力和采動應(yīng)力以及局部支承壓力的疊加影響，危險性大大增加。為保證安全生產(chǎn)，已對85、90、91、95和98層等五層進(jìn)行鑒定，對過斷層、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性評估，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。

成立了以行政礦長為組長的防沖組織機(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)測系統(tǒng)同時，使用電磁輻射儀（KBD5）及煤巖動力災(zāi)害聲電監(jiān)測儀（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 指動態(tài)破壞時間。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對應(yīng)煤巖體塑性變形所吸收的能量 WS;W3對應(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、礦井沖擊危險性評價數(shù)學(xué)模型

沖擊地壓危險綜合指數(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 四個因素，利用多元統(tǒng)計分析方法建立了沖擊地壓危險性評價的數(shù)學(xué)模型。

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

四、結(jié)束語

沖擊地壓是制約我國煤礦向深部開采的重大難題之一，沖擊地壓危險性評價需要綜合考慮煤巖體的沖擊傾向性和其所處的應(yīng)力場環(huán)境，而煤巖體的沖擊傾向性需要綜合考慮能量效應(yīng)和時間效應(yīng)。利用多元統(tǒng)計分析方法建立了沖擊地壓危險性評價的數(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間兩個因素的條件下，針對具有沖擊傾向性的礦井或區(qū)域進(jìn)行沖擊危險性劃分，有助于防沖減災(zāi)措施決策。

參考文獻(xiàn)：

[1] 方新秋，竇林名，柳俊倉，等. 大采深條帶開采堅硬頂板工作面沖擊地壓治理研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，35（5）：602 - 606.

[2] 高明仕. 沖擊地壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究進(jìn)展及展望[A]：煤炭開采新理論與新技術(shù)論文集[C].中國煤炭學(xué)會開采專業(yè)委員會，2012：185 - 193.

（作者單位：龍煤集團(tuán)七臺河礦業(yè)公司新建煤礦）