沖擊危險性影響因素分析

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害防治領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和時間效應，提出了有效沖擊能量釋放速度指數（WDT）的煤巖體沖擊傾向性指標，在此基礎上，利用多元統計分析方法，考慮有效沖擊能量釋放速度指數 WDT和煤層埋深 H、上覆厚硬巖層影響系數 K、應力集中系數 λ四個因素，建立了礦井沖擊危險性評價數學模型 W ij（X），數學模型把礦井沖擊危險性分為強沖擊、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果驗證了該數學模型的準確性和可操作性，研究結果可為相關決策人員提供技術指導和理論依據。

【關鍵詞】沖擊地壓;危險性影響因素;數學模型

一、引言

新建煤礦位于七臺河礦區西北部，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。新建礦目前沒有發生過沖擊地壓事故，但新建煤礦已進入深部開采，最大開采深度已超過500米，將會面臨高地應力和采動應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，已對85、90、91、95和98層等五層進行鑒定，對過斷層、停采線區域和回采和準備工作面下巷、工作面老頂初次來壓和周期來壓等加強管理。

開拓方式為立井與斜井的綜合開拓方式，均為全巖巷道，均布置在低應力區;煤層開采順序為下行式開采，先采上煤層，后采下煤層;采區主要巷道與硐室都布置低應力區;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，不留區段煤柱;所有采空區不留設煤柱。

新建礦對近幾年內回采煤層按規定進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構，設有防治沖擊地壓科，負責監測及措施實施指導工作。編制了新建煤礦防治沖擊地壓管理制度及組織機構成員崗位責任制。在建立微震監測系統同時，使用電磁輻射儀（KBD5）及煤巖動力災害聲電監測儀（YDD16）等裝備進行局部監控。

二、有效沖擊能量釋放速度指數

1、數學表達式

綜合考慮沖擊能量效應和時間效應，筆者提出有效沖擊能量釋放指數的煤巖體沖擊傾向性指標，定義為有效沖擊能量與沖擊時間的比值，其數學表達式為：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變和能量貯存的性質。

2、參數的獲得

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試驗獲得。

（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下，應力應變全過程曲線中峰值前積蓄的變形能。

但我認為該指標未考慮峰值前煤樣塑性變形能的損耗，利用該指標作為煤層沖擊傾向性的判別會造成結果偏高。圖 1 為煤樣單軸壓縮全程應力—應變曲線，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。根據式（1）中參數概念，可知：W12對應煤巖體塑性變形所吸收的能量 WS;W3對應煤巖體破壞消耗能量 WP與沖擊產生的光、熱和聲能WZ的和，即W3= WP+ WZ;那么 W22即為有效沖擊能量 WY。因為W12+ W22和 W3容易求得，因此問題轉變為如何合理估算煤樣的峰值前塑性變形所消耗的能量 W12。

三、礦井沖擊危險性評價數學模型

沖擊地壓危險綜合指數法把沖擊地壓影響因素分為地質因素和開采技術因素，但從根本考慮沖擊地壓發生的原因可歸結為煤巖體的沖擊傾向性和煤巖體所處應力場的環境。因此論文綜合考慮有效沖擊能量釋放速度指數 WDT和煤層埋深 H、上覆厚硬巖層影響系數 K（巖層厚度與該巖層到煤層距離的比值）、應力集中系數 λ 四個因素，利用多元統計分析方法建立了沖擊地壓危險性評價的數學模型。

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上建立的，可對具有潛在沖擊危險的礦井或區域進行沖擊危險性等級進行劃分，分為強沖擊、中等沖擊和弱沖擊傾向性 3 個等級，有助于礦井相關技術人員針對防沖減災制定相應的措施。

四、結束語

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力場環境，而煤巖體的沖擊傾向性需要綜合考慮能量效應和時間效應。利用多元統計分析方法建立了沖擊地壓危險性評價的數學模型，該數學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域進行沖擊危險性劃分，有助于防沖減災措施決策。

參考文獻：

[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].中國礦業大學學報，2006，35（5）：602 - 606.

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

（作者單位：龍煤集團七臺河礦業公司新建煤礦）