基于臨界應(yīng)力指數(shù)法巷道沖擊地壓危險性評價

王愛文，王 崗，代連朋，陳建強，施天威，呂祥鋒，蔡榮宦

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 沖擊地壓研究院，遼寧 阜新 123000; 3.東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819; 4.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027; 5.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

隨著煤礦開采深度與開采強度的不斷增加，煤礦巷道沖擊地壓災(zāi)害愈發(fā)頻繁，造成巷道和硐室破壞、人員傷亡、設(shè)備損壞，給煤礦安全生產(chǎn)帶來巨大的威脅[1-3]。沖擊危險性評價是沖擊地壓防治工作的重要環(huán)節(jié)，只有在沖擊危險性評價的基礎(chǔ)上，才能對沖擊地壓危險區(qū)域采取相應(yīng)的防治措施。長期以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者從不同角度提出了多種沖擊危險性評價方法。竇林名、齊慶新等提出了綜合指數(shù)法，能夠宏觀的確定所評價區(qū)域的沖擊危險程度[4-6]，在我國廣泛使用。張宏偉、榮海等提出了以斷裂構(gòu)造形式、煤巖特性與巖體應(yīng)力狀態(tài)等為主要判別指標(biāo)的地質(zhì)動力區(qū)劃法[7]。姜福興等將沖擊地壓的主要影響因素分為自重應(yīng)力、采動應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及回采過程中上覆巖層運動引起的采動應(yīng)力，并提出了基于應(yīng)力疊加的回采工作面沖擊危險性評價方法[8-9]。曹安業(yè)等通過CT反演技術(shù)對工作面回采期間沖擊危險性進行分析，總結(jié)了工作面回采期間的應(yīng)力演化規(guī)律，為工作面安全回采做出有效的指導(dǎo)[10-12]。陳凡等通過分析不同區(qū)域內(nèi)沖擊地壓影響因素種類及其權(quán)重，提出一種基于區(qū)域劃分與主控因素辨識的沖擊危險性評價方法[13]。文獻[14]針對礦井復(fù)雜多樣的地質(zhì)和開采環(huán)境，提出根據(jù)外部應(yīng)力與巷道圍巖相互作用后的圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其沖擊傾向性，對圍巖的沖擊危險性和類型進行了分類。劉少虹、潘俊鋒等利用地震波和電磁波CT聯(lián)合探測的方法，開展了采掘巷道沖擊危險性評價[15-16]，得到較好應(yīng)用效果。上述方法對于沖擊危險煤層的安全采掘起到了積極推動作用。但在復(fù)雜多變的采掘及地質(zhì)條件下，趨于定量化的評價方法較少。沖擊地壓是高應(yīng)力下的煤巖體動力失穩(wěn)現(xiàn)象，考慮采場周圍的應(yīng)力情況、煤層沖擊傾向性、巷道支護情況等對沖擊地壓的影響程度，進而評價沖擊危險性，更具有合理性，潘一山給出了沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力計算公式[17]，但未考慮利用臨界應(yīng)力進行沖擊危險性評價。

筆者提供一種基于臨界應(yīng)力指數(shù)法的煤礦沖擊地壓危險性評價方法，通過分析待評價采掘區(qū)域?qū)嶋H煤體應(yīng)力狀態(tài)與臨界應(yīng)力的比值，結(jié)合實際阻力區(qū)與臨界阻力區(qū)的對比關(guān)系，判斷可能發(fā)生沖擊地壓的危險等級，進而指導(dǎo)沖擊地壓防治工作實施。

1 巷道沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力

根據(jù)彈塑性理論，地下深部巷道可簡化為半無限大平面內(nèi)的孔洞問題，將巷道簡化為一半徑為a的圓形硐室，對于其他形狀巷道，可通過保角變換得到當(dāng)量半徑后按圓形巷道處理。將支護作用簡化為巷道表面的支護應(yīng)力為ps，在半徑為b的遠場受應(yīng)力P作用。沿巷道軸線方向取單位寬度進行分析，則為軸對稱平面應(yīng)變問題，其力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 “應(yīng)力-圍巖-支護”巷道沖擊地壓力學(xué)模型Fig.1 Mechmical model of “stress-surrounding rock-support” for rock burst in roadway

根據(jù)穩(wěn)定性理論，當(dāng)支護與圍巖組成的煤巖體變形系統(tǒng)達到非穩(wěn)定平衡狀態(tài)時，在頂板斷裂、斷層錯動或爆破等外界擾動下，非穩(wěn)定平衡狀態(tài)失穩(wěn)發(fā)生沖擊地壓。將使支護與圍巖組成的煤巖體變形系統(tǒng)達到非穩(wěn)定平衡狀態(tài)的應(yīng)力稱為臨界應(yīng)力。參考文獻[17]，取煤巖內(nèi)摩擦角為30°，可得到考慮支護應(yīng)力條件下圓形巷道發(fā)生沖擊地壓的為臨界應(yīng)力Pcr為

(1)

其中，σc為煤的單軸抗壓強度;K為煤巖沖擊傾向性指數(shù)(在數(shù)值上等于沖擊能指數(shù));ps為支護應(yīng)力，對于錨桿(索)支護巷道ps=T/(SlSc)，T為錨桿(索)的屈服強度，Sl，Sc分別為錨桿(索)的間距與排距。采用U型棚或液壓支架等其他支護時，支護應(yīng)力可簡化為ps=F/S，其中F為按照巷道設(shè)計支護參數(shù)與支護形式取計算面積內(nèi)各個支護構(gòu)件支護阻力之和，S為所取的計算支護面積。

臨界應(yīng)力作用下巷道周邊形成的塑性軟化區(qū)，在沖擊地壓發(fā)生時吸收沖擊能，阻止沖擊發(fā)生，稱為臨界阻力區(qū)，參考文獻[17]可得到臨界阻力區(qū)深度Rcr為

(2)

其中，n為巷道形狀變異系數(shù)，對于圓形巷道取1.0，半圓拱形巷道取1.1～1.3，矩形巷道取1.3～1.5，梯形巷道取1.5～1.8；a為巷道半徑。

式(1)，(2)給出了巷道沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力、臨界阻力區(qū)與煤體單軸抗壓強度、巷道支護強度、巷道幾何參數(shù)以及沖擊能指數(shù)4者之間的內(nèi)在關(guān)系。其中，沖擊能指數(shù)由煤巖的力學(xué)性質(zhì)決定，直接影響圍巖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界應(yīng)力與臨界阻力區(qū)的大小，開采過程中巷道實際應(yīng)力越接近臨界應(yīng)力，發(fā)生沖擊地壓危險性就越高。需要指出的是式(2)給出的臨界阻力區(qū)半徑的理論計算公式并未考慮煤層卸壓等措施的影響。實際條件下，沖擊地壓煤層巷道開挖后，通常采用煤體爆破卸壓或大直徑鉆孔卸壓，使支承壓力發(fā)生改變，應(yīng)力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，從而在煤層卸壓區(qū)范圍形成更大的阻力區(qū)。當(dāng)實際應(yīng)力大于或等于臨界應(yīng)力時，沖擊地壓發(fā)生與否，除了需要外界擾動外，還要看實際阻力區(qū)(塑性軟化區(qū))是否小于臨界阻力區(qū)，如果小于臨界阻力區(qū)，那么發(fā)生沖擊危險的可能性很大，如果實際阻力區(qū)(塑性軟化區(qū))大于臨界阻力區(qū)，即使是實際應(yīng)力高于臨界載荷也不一定發(fā)生沖擊地壓。這與“三因素”理論和應(yīng)力控制理論的基本認知具有相似之處。此外，提高巷道支護應(yīng)力，能夠提高支護對圍巖體系的控制作用，從而改善圍巖受力狀態(tài)，增加巷道沖擊地壓發(fā)生臨界應(yīng)力和臨界阻力區(qū)，使支護-圍巖系統(tǒng)不易達到?jīng)_擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力條件。

2 基于臨界應(yīng)力指數(shù)法的沖擊地壓危險性評價方法

沖擊危險性影響因素主要包括:采深、地質(zhì)構(gòu)造、煤層力學(xué)性能等地質(zhì)因素以及開采方法、巷道布置、煤柱尺寸、巷道斷面及支護等開采技術(shù)因素。由式(1),(2)可以看出沖擊地壓發(fā)生的本質(zhì)因素可以歸結(jié)為應(yīng)力條件、沖擊傾向性條件、支護條件及巷道幾何屬性等4類。因此，沖擊地壓危險性評價方法要有全局觀，應(yīng)在煤巖沖擊傾向性的基礎(chǔ)上，根據(jù)沖擊地壓發(fā)生機理，分析采礦地質(zhì)條件和開采技術(shù)狀況，確定受采礦影響的實際煤體應(yīng)力，通過分析待評價采掘區(qū)域?qū)嶋H煤體應(yīng)力狀態(tài)與臨界應(yīng)力的比值以及巷道實際阻力區(qū)與臨界阻力區(qū)的比值，判斷可能發(fā)生沖擊地壓的危險等級。

2.1 臨界應(yīng)力指數(shù)法

如前所述，沖擊地壓發(fā)生與否，除了看實際應(yīng)力與臨界應(yīng)力的比值，還應(yīng)考慮實際阻力區(qū)深度(塑性軟化區(qū))是否小于臨界阻力區(qū)深度，如果小于臨界阻力區(qū)深度，那么發(fā)生沖擊的可能性很大，如果實際阻力區(qū)深度(塑性軟化區(qū))大于臨界阻力區(qū)深度，即使是實際應(yīng)力高于臨界應(yīng)力也不一定發(fā)生沖擊地壓。因此，進行沖擊危險性評價時，應(yīng)同時考慮臨界應(yīng)力大小與臨界阻力區(qū)深度2個指標(biāo)與實際值的對比情況。式(3)給出了臨界應(yīng)力指數(shù)的計算方法。該方法結(jié)合理論與實際，綜合考慮了煤層的實際應(yīng)力環(huán)境、煤層沖擊傾向性、巷道自身結(jié)構(gòu)屬性及實際圍巖狀態(tài)4個因素。

(3)

其中，Kcr為臨界應(yīng)力指數(shù);P為待評價區(qū)域的實際應(yīng)力;Pcr為理論計算得到的臨界應(yīng)力;Rcr為理論計算得到的臨界阻力區(qū)深度;R為實際測量或類似條件下估算得到的待評價區(qū)域?qū)嶋H阻力區(qū)深度。根據(jù)鉆屑法的基本原理，對于掘進工作面及回采巷道或硐室可采用鉆屑法所測得鉆屑量峰值位置距離巷道煤壁的距離。

2.2 沖擊危險等級及指標(biāo)的確定

臨界應(yīng)力指數(shù)的大小表征了在給定條件下發(fā)生沖擊地壓的可能性，但還無法給出具體的沖擊危險等級及等級劃分指標(biāo)。大量的實踐案例表明:不同礦區(qū)、不同地質(zhì)條件下沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力指數(shù)也不同，因此在確定沖擊危險等級時應(yīng)結(jié)合礦井或是煤層的具體條件綜合考慮。對于已經(jīng)發(fā)生過沖擊地壓的礦井或煤層，根據(jù)歷次沖擊地壓發(fā)生的情況，包括沖擊地壓發(fā)生的位置，構(gòu)造及開采條件、應(yīng)力集中程度等，參考文獻[7]按照應(yīng)力疊加法，初步估算各次沖擊地壓發(fā)生的近似實際應(yīng)力，結(jié)合發(fā)生位置的巷道斷面尺寸、支護形式及實際的阻力區(qū)大小等按照式(1)～(3)給出的公式計算出與待評價區(qū)域條件相似，已發(fā)生過的沖擊地壓事故對應(yīng)的臨界應(yīng)力指數(shù)作為沖擊地壓發(fā)生指標(biāo)Kfcr。若待評價區(qū)域的煤層未發(fā)生過沖擊地壓，可采用工程類比法，參照類似工程條件下，具有相同沖擊傾向性、發(fā)生過沖擊地壓的煤層的沖擊地壓發(fā)生指標(biāo)Kfcr。

表1 基于臨界應(yīng)力指數(shù)法的沖擊危險等級分類Table 1 Classification of rock burst hazard grades based on critical stress index method

2.3 沖擊危險性評價流程

采用臨界應(yīng)力指數(shù)法進行沖擊地壓危險性的具體評價流程如圖2所示。

圖2 基于臨界應(yīng)力指數(shù)法的沖擊地壓危險性評價流程Fig.2 Hazard evaluation process of rock burst based on critical stress index method

(1)按照國家標(biāo)準GB/T 25217.2—2010在實驗室內(nèi)測試煤體單軸抗壓強度與沖擊能指數(shù)。

(2)依據(jù)待評價區(qū)域巷道支護形式與支護參數(shù)計算支護應(yīng)力。

(3)按照式(1)計算沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力。

(4)按照式(2)計算沖擊地壓發(fā)生的巷道臨界阻力區(qū)深度。

(5)估算或?qū)崪y待評價區(qū)域巷道實際阻力區(qū)深度。

(6)按式(3)計算待評價區(qū)域鄰近區(qū)域已發(fā)生過沖擊地壓區(qū)域的臨界應(yīng)力指數(shù)Kcr，作為沖擊地壓發(fā)生指標(biāo)Kfcr，若待評價區(qū)域的煤層未發(fā)生過沖擊地壓，可參照具有相同沖擊傾向性、發(fā)生過沖擊地壓的煤層的沖擊地壓發(fā)生指標(biāo)Kfcr。

(7)確定待評價區(qū)域沖擊危險等級及分類標(biāo)準。

(8)分析待評價區(qū)域的實際煤體應(yīng)力。對于煤層及采區(qū)的區(qū)域沖擊危險性評價，首先依據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，根據(jù)煤層或采區(qū)的地質(zhì)條件，考慮斷層、褶曲、煤層厚度變化、采空區(qū)分布等進行地應(yīng)力反演，得出煤層或采區(qū)的煤體應(yīng)力分布云圖，然后提取應(yīng)力云圖各個點的應(yīng)力值作為煤層或采區(qū)的實際應(yīng)力。對于采掘工作面沖擊危險性評價，實際應(yīng)力在地應(yīng)力測試的基礎(chǔ)上考慮鄰近煤層遺留煤柱、臨近采空區(qū)、區(qū)段煤柱、巷道交叉影響等開采條件引起的采動應(yīng)力增量，參考文獻[5,7]按照應(yīng)力疊加原則只取各個因素引起的應(yīng)力增量與地應(yīng)力之和計算某一點的實際應(yīng)力。

(9)按照式(3)計算待評價區(qū)域的臨界應(yīng)力指數(shù)。

(10)將待評價區(qū)域的臨界應(yīng)力指數(shù)與沖擊危險等級及分類標(biāo)準進行對照，確定待評價區(qū)域的沖擊危險等級以及進行沖擊危險等級劃分。

3 臨界應(yīng)力指數(shù)法評價巷道沖擊危險性的應(yīng)用

3.1 工程概況

某礦303工作面為正在回采工作面，回風(fēng)巷長度為2 854 m，回風(fēng)巷長度為2 911 m，開切眼長度為240 m，回采煤層厚度平均為7.0 m，煤層傾角平均為13°，工作面為實體煤工作面，其采掘工程平面圖如圖3所示?；仫L(fēng)巷和運輸巷均為矩形斷面，寬度為5.4 m，高3.5 m，巷道采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)支護，支護參數(shù)見表2。根據(jù)該礦煤層沖擊傾向性鑒定結(jié)果，取煤樣單軸抗壓強度均值為10.17 MPa，沖擊能量指數(shù)均值為0.84。煤層頂板粉砂巖、泥巖巖組，抗壓強度為30～60 MPa，底板為中、細砂巖巖組為主，抗壓強度為40～60 MPa。經(jīng)計算，工作面頂板巖層厚度特征參數(shù)為82.1。

圖3 303工作面采掘工程平面Fig.3 Plane view of 303 working face

表2 巷道支護參數(shù)Table 2 Support parameters of roadway

3.2 評價流程及結(jié)果

采用臨界應(yīng)力指數(shù)法的評價方法對303工作面回風(fēng)巷和運輸巷回采過程中的沖擊危險性進行評價，具體步驟如下:

(1)取煤層的單軸抗壓強度均值為10.17 MPa，沖擊能指數(shù)為0.84。

(3)計算沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力Pcr=13.24 MPa。

(5)采用鉆屑法實測303工作面運輸巷與回風(fēng)巷阻力區(qū)半徑R均為15 m。

(6)按式(3)計算待評價區(qū)域鄰近區(qū)域已發(fā)生過沖擊地壓區(qū)域的臨界應(yīng)力指數(shù)Kcr，作為沖擊地壓發(fā)生指標(biāo)Kfcr。該礦歷次沖擊地壓發(fā)生位置及應(yīng)力情況見表3。鑒于301工作面與本工作相鄰，開采與地質(zhì)條件相似，因此取301工作面發(fā)生沖擊地壓時的臨界應(yīng)力作為發(fā)生指標(biāo)。

表3 歷次沖擊地壓發(fā)生位置及應(yīng)力情況Table 3 Location of rock burst and its stress estimation in the coal mine

則沖擊地壓發(fā)生指標(biāo)為

(7)確定待評價區(qū)域沖擊危險等級，見表4。

表4 303工作面臨界應(yīng)力指數(shù)法的沖擊危險等級分類Table 4 Classification of rock burst hazard of 303 working face based on critical stress index method

(8)參考文獻[5]分析待評價區(qū)域的實際煤體應(yīng)力，限于篇幅原因，僅以303工作面回風(fēng)巷為例(運輸巷與此類似)，給出煤體實際應(yīng)力計算過程與結(jié)果，如下:

① 上覆巖層自重應(yīng)力。

303工作面回風(fēng)巷剖面圖如圖4所示。

圖4 303工作面回風(fēng)巷剖面Fig.4 Sectional drawing of track tunnel of 303 working face

可將303工作面回風(fēng)巷分為3階段，見表5(以B1點為原點)。

表5 303工作面回風(fēng)巷賦存情況Table 5 Occurrence of the track tunnel of 303 working face

經(jīng)計算得到回風(fēng)巷各階段自重應(yīng)力為

(4)

② 斷層構(gòu)造應(yīng)力。

303工作面回風(fēng)巷主要斷層及具體參數(shù)見表6。對于斷層構(gòu)造處，煤巖體應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，在斷層附近形成應(yīng)力升高區(qū)。文獻[7]對斷層上盤應(yīng)力分布狀態(tài)進行分析，則斷層上盤附近應(yīng)力狀態(tài)可用下列分段函數(shù)表示：

(5)

式中,Py為斷層上盤附近的應(yīng)力;k為應(yīng)力集中系數(shù);γ為巖層容重;h為埋深;L為應(yīng)力峰值點距離斷層面的距離。

根據(jù)式(5)斷層附近應(yīng)力分段函數(shù)以及表6斷層落差與應(yīng)力集中系數(shù)和影響范圍的關(guān)系，得到303工作面回風(fēng)巷4個斷層的應(yīng)力分布分段函數(shù)如下(以B1為坐標(biāo)原點):

表6 303工作面回風(fēng)巷斷層產(chǎn)狀參數(shù)Table 6 Parameters of the geological faults in the track tunnel of 303 working face

(6)

(7)

(8)

(9)

③ 基本頂初次來壓時煤體應(yīng)力分布。

工作面回采過程中，上覆巖層逐漸往下垮落，工作面在0～240 m初始推采過程中，取基本頂來壓時的應(yīng)力集中系數(shù)為1.6?；卷敵醮蝸韷旱挠绊懛秶统潭瓤杀硎緸?/p>

Pcg=1.6σzg(0≤x≤240)

(10)

④ 工作面見方時煤體應(yīng)力分布。

303工作面斜長約240 m，工作面第1次見方對工作面回采巷道的影響最大，影響范圍約150 m，其中，見方位置前70 m，見方位置后80 m，因此當(dāng)工作面回采到170～320 m時，為工作面見方期。覆巖空間結(jié)構(gòu)運動易造成工作面來壓，并誘發(fā)兩側(cè)順槽附近區(qū)域發(fā)生沖擊地壓。工作面初次見方時的影響范圍和程度可表示為

Pqg=1.7Pzg(170≤x≤320)

(11)

⑤ 工作面過聯(lián)絡(luò)巷時煤體應(yīng)力分布。

當(dāng)工作面推采到聯(lián)絡(luò)巷前方一定距離時，聯(lián)絡(luò)巷、運輸巷、回風(fēng)巷與推采線構(gòu)成一個“孤島”，采空區(qū)上覆巖層重量轉(zhuǎn)移到“孤島”上，造成“孤島”應(yīng)力高度集中，容易誘發(fā)沖擊地壓。根據(jù)該礦類似條件的301工作面，取工作面前影響范圍約110 m，工作面過聯(lián)絡(luò)巷時的應(yīng)力集中系數(shù)為1.7。工作面過聯(lián)絡(luò)巷時的影響范圍和程度表示為

Plg2=1.7Pzg(928≤x≤1 038)

(12)

Plg1=1.7Pzg(1 890≤x≤2 000)

(13)

式(4)和式(6)～(13)即為回風(fēng)巷各影響因素實際應(yīng)力函數(shù)。

(9)計算待評價區(qū)域的臨界應(yīng)力指數(shù)Kcr。由式(3)結(jié)合步驟(8)得到的回風(fēng)巷各影響因素應(yīng)力函數(shù)與臨界應(yīng)力指數(shù)分布規(guī)律。同理，可以得到運輸巷的臨界應(yīng)力指數(shù)分布規(guī)律。

(10)將回風(fēng)巷和運輸巷的臨界應(yīng)力指數(shù)與表4給出的沖擊危險等級及分類標(biāo)準進行對照，確定回風(fēng)巷和運輸巷各區(qū)域的沖擊危險等級，將沖擊危險區(qū)域繪制在303工作面采掘工程平面圖上，如圖5所示。值得說明的是:當(dāng)強沖擊危險區(qū)域與弱沖擊危險區(qū)域相間時，考慮安全因素，同時也便于沖擊地壓危險區(qū)域的統(tǒng)一管理，若弱沖擊危險區(qū)域小于100，則將其定為強沖擊危險區(qū)域。

3.3 評價結(jié)果驗證與對比分析

(1)評價結(jié)果驗證

工作面兩巷掘進期間，采用鉆屑法監(jiān)測巷道沖擊危險性。強沖擊危險區(qū)域，單孔鉆屑量最大值在9～11 kg/m，峰值位置距離煤壁13～16 m，且打鉆過程中頻繁出現(xiàn)卡鉆、頂鉆、鉆桿跳動等動力現(xiàn)象;中等危險區(qū)域，單孔鉆屑量最大值在7～9 kg/m，峰值位置距離煤壁12～15 m，打鉆過程中偶爾存在卡鉆、頂鉆等動力現(xiàn)象。不同危險區(qū)域的最大鉆屑量及其距離煤壁位置與打鉆時的動力現(xiàn)象明顯不同，這證實了臨界應(yīng)力指數(shù)法評價沖擊危險性的合理性。

初采初放期間，該工作面以強沖擊危險等級的評價結(jié)果為導(dǎo)向，嚴格落實各項沖擊地壓防治措施。在巷道頂板每單位走向長度增加4根φ21.6 mm，L7 300 mm高強預(yù)應(yīng)力錨索，巷道超前150 m范圍內(nèi)采用雙排單元支架支護，經(jīng)計算加強支護后巷道支護應(yīng)力為1.87 MPa。卸壓鉆孔直徑150 m,間距1.0 m，孔深30 m，單排布置。按照式(1)計算加強支護后的臨界應(yīng)力為23.18 MPa,取巷道卸壓后的實際阻力區(qū)深度為30 m，按照式(3)計算出臨界應(yīng)力指數(shù)為0.3，即采取防沖措施后評價區(qū)域沖擊危險等級降為弱沖擊危險。自2019年10月至12月，303工作面累計推采84.5 m，工作面已完成基本頂?shù)某醮蝸韷?。期間，該工作面影響區(qū)域內(nèi)共監(jiān)測到大于10 J的微震能量事件次數(shù)2 099次，微震頻次較均勻，僅在來壓期間出現(xiàn)5次大于104J的微震事件，最大能量為7.8×104J，尚無單個大于105J的大能量事件。鉆屑法監(jiān)測結(jié)果:在孔深10～15 m，單孔鉆屑量最大值在4～5 kg/m，無明顯峰值位置，打鉆過程中極少出現(xiàn)卡鉆、頂鉆、鉆桿跳動等動力現(xiàn)象。微震與鉆屑數(shù)據(jù)表明工作面沖擊危險性較低與采取防治措施后為評價結(jié)果相符。

圖5 基于應(yīng)力指數(shù)法的303工作面沖擊危險區(qū)域劃分結(jié)果Fig.5 Rockburst hazard zones around the 303 working face based on critical stress index method

(2)評價結(jié)果與綜合指數(shù)法對比

根據(jù)303工作面的地質(zhì)條件分析，主要影響因素為煤層埋深、煤體的沖擊傾向性、構(gòu)造應(yīng)力、頂板巖層特征參數(shù)等。采用綜合指數(shù)法確定在地質(zhì)因素影響下的沖擊地壓危險性指數(shù)Wt1=0.71，具有中等沖擊危險。

根據(jù)303工作面的開采技術(shù)條件分析，主要影響因素為工作面的斷層及掘進期間留設(shè)的底煤影響。在開采技術(shù)因素影響下的沖擊地壓危險性指數(shù)Wt2=0.41，具有弱沖擊危險。

綜上，303工作面沖擊危險指數(shù)Wt=max{Wt1，Wt2}=0.71，沖擊危險等級評價為中等，地質(zhì)因素與開采技術(shù)因素相比，起主要作用?？梢姡C合指數(shù)法對該工作面沖擊危險性評價結(jié)果是區(qū)域性的，與綜合指數(shù)法評價結(jié)果相比，臨界應(yīng)力指數(shù)評價法的評價結(jié)果更趨于量化。

需要指出的是本文采用的臨界應(yīng)力指數(shù)法評價巷道沖擊地壓危險性，是基于準靜態(tài)條件得出的，而對于一些低應(yīng)力條件下強動載或是純動載條件下的巷道沖擊地壓危險性評價的適應(yīng)性還需進一步探討。

4 結(jié) 論

(1)基于“應(yīng)力-圍巖-支護”巷道沖擊地壓力學(xué)模型，給出了臨界應(yīng)力指數(shù)計算方法，提出通過對比分析巷道圍巖實際應(yīng)力與臨界應(yīng)力的比值，結(jié)合巷道實際阻力區(qū)與臨界阻力區(qū)的比值，進行巷道沖擊危險性評價。

(2)以某礦303工作面案例，介紹了具體的評價流程，評價結(jié)果表明該工作面存在中等沖擊危險區(qū)域5個，強沖擊危險區(qū)域7個。

(3)鉆屑法監(jiān)測數(shù)據(jù)表明評價結(jié)果與現(xiàn)場實際相符，驗證了臨界應(yīng)力指數(shù)法評價結(jié)果的合理性。與綜合指數(shù)法評價結(jié)果對比，臨界應(yīng)力指數(shù)法的評價結(jié)果更趨于量化。