近直立煤層沖擊危險(xiǎn)靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法研究

陳建強(qiáng) ，宋大釗 ，常 博 ，李振雷 ，潘鵬志 ，蘭世瑞 ，朱紅偉 ，楊華康

（1.國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司, 新疆 烏魯木齊 830000；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083；3.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所, 湖北 武漢 430000；4.國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司 烏東煤礦, 新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

沖擊地壓是煤礦生產(chǎn)過程中的動(dòng)力災(zāi)害之一，嚴(yán)重制約礦井安全生產(chǎn)[1]。通常隨著開采深度、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度等因素增大，沖擊危險(xiǎn)性會(huì)同步增加，因此，對(duì)沖擊危險(xiǎn)性的研究就顯得尤為重要[2]。波蘭是最早開始系統(tǒng)研究沖擊地壓災(zāi)害的國家之一，通過一系列研究并制定嚴(yán)格的沖擊地壓防治措施，取得了較好的效果[3]。

國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過大量研究，通過提出多種影響沖擊地壓發(fā)生可能性及嚴(yán)重程度的因素，進(jìn)而建立了相關(guān)的沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，包含綜合指數(shù)法[4]、可能性指數(shù)法[5–7]、動(dòng)力區(qū)劃法[8–10]及多因素耦合評(píng)價(jià)方法[11]等。其中，在工作面生產(chǎn)前，通常進(jìn)行2 次沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)(掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和回采工作面沖擊性危險(xiǎn)評(píng)價(jià))。竇林名等[12]通過研究提出了綜合指數(shù)法，對(duì)工作面的沖擊危險(xiǎn)程度進(jìn)行有效評(píng)價(jià)；姜福興等[13]經(jīng)過大量研究，提出了適用于回采工作面的可能性指數(shù)法和基于應(yīng)力疊加的沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，使沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)效果顯著提高；曹安業(yè)等[14]利用震動(dòng)波CT 反演技術(shù)對(duì)工作面回采過程中的沖擊地壓危險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，為工作面安全生產(chǎn)提供了有效保障。張科學(xué)等[15]提出了基于層次分析法的礦井煤層沖擊危險(xiǎn)性模糊綜合評(píng)價(jià)模型，建立了模糊綜合評(píng)價(jià)關(guān)系矩陣，進(jìn)行了模糊綜合評(píng)價(jià)。

近直立煤層作為急傾斜煤層的一種特殊形式，由于地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存狀態(tài)等條件復(fù)雜，造成其受沖擊地壓影響較嚴(yán)重[16]。針對(duì)近直立煤層沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)預(yù)警問題，國內(nèi)外學(xué)者展開大量研究。榮海等[17]基于地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃法，分析確定了沖擊地壓誘發(fā)因素及井田構(gòu)造和斷層活動(dòng)特征；HE 等[18]通過分析近直立煤層沖擊顯現(xiàn)前兆特征，建立了多元融合的沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警模式。王正義等[19]通過分析急傾斜/近直立煤層開采過程中沖擊地壓顯現(xiàn)特征，對(duì)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的地質(zhì)因素和開采因素進(jìn)行了修正，從而使結(jié)果更適合這種特殊煤層。曹民遠(yuǎn)等[20]采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法分別對(duì)礦井微震事件分布和B3+6 煤層綜放工作面沖擊地壓事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，揭示了沖擊地壓顯現(xiàn)的主要致災(zāi)因素。何學(xué)秋等[21]揭示了近直立煤層群壓撬型沖擊地壓機(jī)理，建立了適用于近直立煤層的預(yù)警指標(biāo)體系，提出了近直立煤層降載減撬沖擊地壓防治技術(shù)。

針對(duì)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，目前已經(jīng)取得了一系列豐碩成果，但由于近直立煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，且現(xiàn)有沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法多為靜態(tài)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果不隨工作面采動(dòng)適時(shí)變化?；诖耍P者針對(duì)近直立煤層開采過程中沖擊顯現(xiàn)事件頻發(fā)現(xiàn)象，研究提出沖擊地壓危險(xiǎn)靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)揭示礦井沖擊地壓危險(xiǎn)的目標(biāo)。本文研究旨在提高工作面開采過程中沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，從而提高礦井安全生產(chǎn)保障水平。

1 工程背景

烏東煤礦屬于典型的近直立煤層開采條件，地勢(shì)為南高北低，礦井采用分區(qū)開拓方式進(jìn)行開采，煤層開采過程中上覆遺留采空區(qū)逐漸拉大，造成地表塌陷、大裂縫等現(xiàn)象出現(xiàn)。根據(jù)礦井地質(zhì)資料，烏東煤礦南區(qū)處于八道灣向斜區(qū)的南翼，礦井主要開采的煤層為B1+2 煤層和B3+6 煤層，由于早期的地質(zhì)構(gòu)造造成烏東礦南采區(qū)形成典型的近直立煤層，其煤層傾角平均約為87°，煤層厚度分布不均，其中B3+6煤層厚度平均48.9 m,B1+2 煤層厚度平均約37.5 m。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，烏東煤礦南采區(qū)兩煤層(B1+2煤層、B3+6 煤層)沖擊傾向性均為弱沖擊傾向性，其中B3+6 煤層單軸抗壓強(qiáng)度為19.801 MPa，彈性能指數(shù)為3.598，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間為216 ms，沖擊能量指數(shù)為2.501；B1+2 煤層單軸抗壓強(qiáng)度為18.317 MPa，彈性能指數(shù)3.546，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間173 ms，沖擊能量指數(shù)4.080。烏東煤礦南區(qū)煤層分布如圖1 所示。B3+6 煤層頂板位于煤層北部，頂板多為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖，巖層質(zhì)地堅(jiān)硬；B3+6 和B1+2 煤層中間以一條厚約76 m 的巖柱，以砂巖和細(xì)砂巖及泥巖為主，巖性較穩(wěn)定。2016 年7 月開始，烏東礦開始開采+450B3+6煤層和B1+2 煤層，其中B3+6 煤層工作面超前B1+2 煤層工作面，工作面每層分段高度為25 m(煤層采放比為3∶22)。在開采過后，為了減小地表陷落和巖柱頂板大幅度垮落，采用黃土進(jìn)行充填。

圖1 烏東煤礦南區(qū)各水平工作面示意Fig.1 Diagram of the working face at each level in the South Area of Wudong Mine

2 工作面采前沖擊危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)

2.1 沖擊危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)方法

沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)方法是對(duì)現(xiàn)有綜合指數(shù)法的改進(jìn)，通過將評(píng)價(jià)指標(biāo)線性歸一化并對(duì)各個(gè)指標(biāo)賦權(quán)，利用各指標(biāo)加權(quán)求和來建立新的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，可減少評(píng)價(jià)因素的突變性，在工作面開采之前對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，是一種定量化的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估方法。通過綜合指數(shù)法劃分可能造成沖擊危險(xiǎn)的地質(zhì)因素和開采技術(shù)條件因素，并根據(jù)礦井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)各類因素進(jìn)行賦權(quán)，最后給出綜合性的沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)模型架構(gòu)如圖2 所示。具體流程如下。

1)沖擊地壓主控因素分析與危險(xiǎn)區(qū)域初步劃分?；跊_擊危險(xiǎn)主控因素判識(shí)結(jié)果，對(duì)工作面開采過程可能出現(xiàn)沖擊顯現(xiàn)的區(qū)域進(jìn)行劃分圈定，并明確各個(gè)區(qū)域影響沖擊顯現(xiàn)事件的主控因素，對(duì)工作面前方的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行初步劃分，方便后續(xù)進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)與危險(xiǎn)區(qū)劃。

2)不同區(qū)域沖擊地壓主控因素集確定及靜態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的危險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算。對(duì)所劃定的不同主控因素影響的危險(xiǎn)區(qū)域，選取適用于不同區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)地質(zhì)因素集和開采技術(shù)條件因素集，根據(jù)綜合指數(shù)法對(duì)各指標(biāo)因素取值范圍進(jìn)行分析，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的上下臨界值，當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)小于下臨界值或者大于上臨界值時(shí)，危險(xiǎn)指數(shù)取0 或者1，當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)位于上下臨界值之間時(shí)，利用線性歸一化方法建立各個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，正向指標(biāo)(即與沖擊地壓的發(fā)生呈正相關(guān)的指標(biāo))的計(jì)算見式(1)，負(fù)向指標(biāo)(即與沖擊地壓的發(fā)生呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo))的計(jì)算見式(2)，得到基于地質(zhì)因素集和開采技術(shù)條件因素集的沖擊危險(xiǎn)指數(shù)。

式中：Ai和Bi分別為地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素確定的單指標(biāo)危險(xiǎn)指數(shù)；ai和bi分別為地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素指標(biāo)的取值；ai,max和bi,max分別為地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素指標(biāo)的上臨界值；ai,min和bi,min分別為地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素指標(biāo)的下臨界值。

3)沖擊危險(xiǎn)靜態(tài)指標(biāo)因素權(quán)重確定。不同區(qū)域的沖擊地壓主控因素不同，不同因素對(duì)沖擊地壓的貢獻(xiàn)不同，需要根據(jù)其對(duì)沖擊地壓的貢獻(xiàn)程度而賦予相應(yīng)權(quán)重。本文利用層次分析法確定沖擊危險(xiǎn)性指標(biāo)因素的權(quán)重，使結(jié)果更符合礦井實(shí)際，層次分析法步驟主要包括：層次結(jié)構(gòu)模型建立、判斷矩陣構(gòu)建、權(quán)重矩陣計(jì)算與一次性檢驗(yàn)、權(quán)重確認(rèn)，具體可參考文獻(xiàn)[22]。

4)目標(biāo)層綜合指數(shù)計(jì)算?；跊_擊危險(xiǎn)性因素集的危險(xiǎn)指數(shù)和指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算結(jié)果，依據(jù)本文建立的目標(biāo)層綜合指數(shù)確定方法，確定沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)工作面采掘過程中沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)。計(jì)算見式(3)和(4)。

式中：A和B分別為地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素確定的危險(xiǎn)指數(shù)；ωi為沖擊危險(xiǎn)靜態(tài)指標(biāo)因素的權(quán)重；λa和λb分別為地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素危險(xiǎn)指數(shù)的分配系數(shù)；Wj為綜合危險(xiǎn)性指數(shù)，為綜合考慮兩者對(duì)沖擊危險(xiǎn)性的貢獻(xiàn)，均取0.5。

目標(biāo)層綜合危險(xiǎn)性指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 沖擊地壓危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)危險(xiǎn)分級(jí)Table 1 Static evaluation risk classification of rock burst hazard

2.2 沖擊危險(xiǎn)影響因素及其權(quán)重分析

1)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域初步劃分。烏東煤礦+450 m 水平B3+6 工作面在開采過程中，在不同開采階段存在的沖擊危險(xiǎn)因素也明顯不同，因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際可將其劃分為工作面開切眼附近煤柱影響范圍(區(qū)域①)、工作面老舊煤礦開采遺留煤柱及保護(hù)煤柱邊界結(jié)構(gòu)區(qū)域(區(qū)域②)、B3+6 煤層防護(hù)渠保護(hù)煤柱邊界區(qū)域(區(qū)域③)、終采線邊界煤柱影響區(qū)域(區(qū)域④)，工作面其他區(qū)域(區(qū)域⑤)(圖3)。根據(jù)以上初步劃分結(jié)果，針對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)。

圖3 +450B3+6 工作面區(qū)域?qū)φ誇ig.3 +450B3+6 Workface area comparison

2)沖擊危險(xiǎn)因素分析與權(quán)重確定。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，B3+6 工作面開采過程中受到的地質(zhì)因素主要包含工作面采深(A1)、頂板巖層厚度特征(A2)、構(gòu)造發(fā)育程度(A3)、煤體單軸抗壓強(qiáng)度(A4)、煤的彈性能指數(shù)(A5)、本煤層工作面發(fā)生的沖擊顯現(xiàn)事件次數(shù)(A6)、及工作面距堅(jiān)硬頂板距離(A7)等；開采技術(shù)條件因素主要包括保護(hù)層卸壓效果(B1)、工作面分層數(shù)量(B2)、工作面寬度(B3)、工作面與上分層開切巷、終采線位置的距離(B4)、工作面分段垂高(B5)及工作面留底煤厚度(B6)等。

針對(duì)工作面不同區(qū)域，其沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)因素及危險(xiǎn)性指數(shù)取值情況存在不同，并且各個(gè)因素對(duì)沖擊地壓的貢獻(xiàn)也存在差異，即各因素在進(jìn)行靜態(tài)評(píng)價(jià)時(shí)的權(quán)重也不盡相同，根據(jù)2.1 節(jié)的方法，將各區(qū)域的條件代入式(1)和式(2)可得到各區(qū)域的單指標(biāo)危險(xiǎn)指數(shù)，利用層次分析法可計(jì)算各個(gè)指標(biāo)因素的權(quán)重，結(jié)果見表2。

表2 不同區(qū)域沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)因素及權(quán)重對(duì)照Table 2 Comparison of factors and weights for each indicator of rockburst in different regions

2.3 沖擊危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)及危險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果

根據(jù)以上對(duì)+450B3+6 工作面開采過程中的沖擊危險(xiǎn)性因素危險(xiǎn)性指數(shù)及權(quán)重計(jì)算結(jié)果，依據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算綜合危險(xiǎn)性指數(shù)。其中區(qū)域①地質(zhì)因素集危險(xiǎn)性指數(shù)為0.642，開采技術(shù)條件因素集危險(xiǎn)性指數(shù)為0.647，綜合危險(xiǎn)性指數(shù)為0.64；區(qū)域②地質(zhì)因素集危險(xiǎn)性指數(shù)為0.607，開采技術(shù)條件因素集危險(xiǎn)性指數(shù)為0.537，綜合危險(xiǎn)性指數(shù)為0.57；區(qū)域③地質(zhì)因素集危險(xiǎn)性指數(shù)為0.639，開采技術(shù)條件因素集危險(xiǎn)性指數(shù)為0.602，綜合危險(xiǎn)性指數(shù)為0.62；區(qū)域④地質(zhì)因素集危險(xiǎn)性指數(shù)為0.597，開采技術(shù)條件因素集危險(xiǎn)性指數(shù)為0.748，綜合危險(xiǎn)性指數(shù)為0.67；區(qū)域⑤地質(zhì)因素集危險(xiǎn)性指數(shù)為0.488，開采技術(shù)條件因素集危險(xiǎn)性指數(shù)為0.476，綜合危險(xiǎn)性指數(shù)為0.48。具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 +450B3+6 工作面不同區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性綜合指數(shù)Table 3 Combined index of rockburst for different regions of the +450B3+6 Working Face

根據(jù)上述不同區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合多因素耦合方法，得出+450B3+6 工作面開采過程中的沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)危險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果，如圖4 所示。

圖4 +450B3+6 工作面沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域劃分結(jié)果Fig.4 Rock burst hazard zone results of +450B3+6 Working Face

3 工作面采中沖擊危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

3.1 沖擊危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)

沖擊顯現(xiàn)事件通常伴隨著能量的釋放和煤巖體大量拋出(縱向或者橫向位移的變化)。換言之，在沖擊地壓發(fā)生之前，通常會(huì)積聚大量的能量從而保證發(fā)生沖擊顯現(xiàn)時(shí)釋放出能量，另一方面，采掘過程中也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象從而滿足沖擊顯現(xiàn)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生采掘空間中的位移。通過對(duì)工作面生產(chǎn)過程中的微震、應(yīng)力等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前兆指標(biāo)響應(yīng)進(jìn)行分析，從而建立適用于沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，為后續(xù)構(gòu)建沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型奠定基礎(chǔ)。

3.1.1 微震指標(biāo)與臨界值

研究表明，沖擊顯現(xiàn)事件發(fā)生的可能性與工作面微震事件之間的關(guān)系很密切。工作面開采過程中，微震事件能量越高則產(chǎn)生沖擊顯現(xiàn)事件的可能性也就越大。

基于此，利用工作面微震能量建立沖擊危險(xiǎn)性的微震能量密度判別法，微震能量密度計(jì)算見式(5)。

式中：S為所劃定區(qū)域的面積；Ei為所劃定區(qū)域的微震能量。計(jì)算Md時(shí)一般選取半個(gè)月至1 個(gè)月的微震事件作為研究對(duì)象，在進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性區(qū)劃時(shí)，根據(jù)微震事件的定位結(jié)果分析工作面前方區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性。

利用微震能量密度計(jì)算微震危險(xiǎn)性系數(shù)Rw，計(jì)算方法為：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類比法確定微震能量密度的上下臨界值，然后采用線性歸一化方法計(jì)算微震危險(xiǎn)性系數(shù)；根據(jù)烏東煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，確定微震能量密度上下臨界值分別為6lg(J/m2)和3lg(J/m2)，則微震危險(xiǎn)性系數(shù)的計(jì)算式為

微震危險(xiǎn)性系數(shù)Rw與沖擊危險(xiǎn)的關(guān)系見表4。

表4 微震危險(xiǎn)性系數(shù)與沖擊危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)照Table 4 Comparison between microseismic risk index and rockburst risk level

本文確定的微震能量密度上下臨界值是基于前人研究基礎(chǔ)及礦井實(shí)際的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，具有針對(duì)性，對(duì)于不同礦井的地質(zhì)和開采技術(shù)條件，需要適時(shí)的進(jìn)行調(diào)整，以便更好的適應(yīng)目標(biāo)礦井開采過程的具體條件。

3.1.2 鉆孔應(yīng)力指標(biāo)與臨界值

工作面生產(chǎn)過程中，鉆孔應(yīng)力與沖擊危險(xiǎn)性之間存在定量關(guān)系。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T25217.7-2019)對(duì)工作面生產(chǎn)過程中鉆孔應(yīng)力與沖擊危險(xiǎn)性之間的關(guān)系，將沖擊危險(xiǎn)性等級(jí)分為無、弱、中等、強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)4 種。其中，對(duì)于鉆孔應(yīng)力，通常用應(yīng)力變化率作為判定指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)用鉆孔應(yīng)力大小判定工作面的沖擊危險(xiǎn)性。

鉆孔應(yīng)力變化率的計(jì)算見式(7)：

式中：vσ為 應(yīng)力變化率，MPa/d； Δt為時(shí)間間隔，通常為1 d； σmax為 時(shí)間間隔內(nèi)的應(yīng)力最大值； σmin為時(shí)間間隔內(nèi)的應(yīng)力最小值。

利用鉆孔應(yīng)力變化率計(jì)算應(yīng)力危險(xiǎn)性系數(shù)Rl，計(jì)算方法為：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類比法確定鉆孔應(yīng)力變化率的上下臨界值，然后采用線性歸一化方法計(jì)算應(yīng)力危險(xiǎn)性系數(shù)；根據(jù)烏東煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，確定鉆孔應(yīng)力變化率的上下臨界值分別為2 MPa/d 和8 MPa/d，則應(yīng)力危險(xiǎn)性系數(shù)的計(jì)算式為

式中：vσ取工作面前方安裝傳感器在測(cè)定期間(1～2 周)的最大值。

應(yīng)力危險(xiǎn)性系數(shù)Rl與沖擊危險(xiǎn)的關(guān)系見表5。

表5 應(yīng)力危險(xiǎn)性系數(shù)與沖擊危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)照Table 5 Comparison between stress risk index and rockburst risk level

本文確定的鉆孔應(yīng)力變化率上下臨界值是基于前人研究基礎(chǔ)及礦井實(shí)際的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，具有針對(duì)性，對(duì)于不同礦井的地質(zhì)和開采技術(shù)條件，需要適時(shí)的進(jìn)行調(diào)整，以便更好的適應(yīng)目標(biāo)礦井開采過程的具體條件。

在利用鉆孔應(yīng)力進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)時(shí)，選取工作面前方100 m 范圍進(jìn)行鉆孔應(yīng)力測(cè)量。為了方便后續(xù)基于鉆孔應(yīng)力進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域劃分，在布置鉆孔應(yīng)力探頭時(shí)，對(duì)探頭進(jìn)行編號(hào)并布置在工作面前方各個(gè)位置，保證探頭之間無死角，每個(gè)探頭之間間隔5～15 m。

3.2 沖擊危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法

沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型主要是對(duì)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、鉆孔應(yīng)力系統(tǒng)所獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并依此提出微震能量密度、應(yīng)力變化率等評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和理論計(jì)算，對(duì)微震震動(dòng)場(chǎng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果和鉆孔應(yīng)力等應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行耦合，從而計(jì)算出沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果Wd。

利用微震、鉆孔應(yīng)力等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)建沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法。其具體步驟如下：

1)針對(duì)某一工作面開采過程中的沖擊危險(xiǎn)性，分別利用震動(dòng)場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和應(yīng)力場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，并輸出相應(yīng)的沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)。

①震動(dòng)場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)：計(jì)算工作面前方一段區(qū)域內(nèi)(一般情況下以推進(jìn)度乘以15～30 d 為一個(gè)周期)的微震能量密度Md。根據(jù)微震能量密度，計(jì)算出微震危險(xiǎn)性系數(shù)Rw；根據(jù)所得微震危險(xiǎn)性系數(shù)，計(jì)算當(dāng)前工作面開采條件下的震動(dòng)場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果Wz，從而得出當(dāng)前環(huán)境下的震動(dòng)場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)性。

②應(yīng)力場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)：通過對(duì)工作面開采過程中工作面前方煤巖體的鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得工作面一段時(shí)間內(nèi)鉆孔應(yīng)力分布規(guī)律。計(jì)算鉆孔應(yīng)力變化率vσ，從而得出鉆孔應(yīng)力危險(xiǎn)性系數(shù)Rl。根據(jù)以上結(jié)果，計(jì)算當(dāng)前工作面開采條件下的應(yīng)力場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果Wy，從而得出當(dāng)前環(huán)境下的應(yīng)力場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)性。

2)對(duì)震動(dòng)場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)評(píng)價(jià)結(jié)果，采用前述的層次分析法來對(duì)兩類評(píng)價(jià)結(jié)果的權(quán)重進(jìn)行賦值，本文取震動(dòng)場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的權(quán)重均為0.5。

3)計(jì)算沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)綜合指數(shù)Wd。依據(jù)式(9)計(jì)算出工作面開采過程中的沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)綜合指數(shù)，根據(jù)表6 確定不同區(qū)域的危險(xiǎn)等級(jí)并進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域劃分。

表6 沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)危險(xiǎn)分級(jí)Table 6 Risk classification for dynamic evaluation of rockburst

式中：μz、μy分別屬于震動(dòng)場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)評(píng)價(jià)指數(shù)的權(quán)重系數(shù)。

3.3 沖擊危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

選取烏東礦+450B3+6 工作面2016 年12 月至2017 年4 月開采過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用本文建立的沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法對(duì)工作面區(qū)域局部沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。利用式(9)計(jì)算此區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)綜合指數(shù)Wd，并基于危險(xiǎn)區(qū)域的坐標(biāo)值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制不同區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域動(dòng)態(tài)劃分結(jié)果，如圖5 所示。分析該區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果可知，無論是震動(dòng)場(chǎng)評(píng)價(jià)還是應(yīng)力場(chǎng)評(píng)價(jià)結(jié)果均顯示工作面巖柱和頂板區(qū)域危險(xiǎn)性較高，局部區(qū)域甚至處于強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，工作面在開采期間巖柱區(qū)域和頂板區(qū)域發(fā)生了多次大能量礦震事件和沖擊顯現(xiàn)事件，包括“11?24”沖擊顯現(xiàn)、“2?1”沖擊顯現(xiàn)、“12?9”大能量事件等。

圖5 +450B3+6 工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 Results of dynamic evaluation of the rockburst hazard on the +450B3+6 Working Face

4 沖擊危險(xiǎn)靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)及效果檢驗(yàn)

4.1 沖擊危險(xiǎn)靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型

沖擊地壓危險(xiǎn)靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)步驟為

1)沖擊地壓危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算。根據(jù)前文建立的沖擊地壓危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)方法，計(jì)算工作面開采過程中不同區(qū)域的靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果(沖擊地壓危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)Wj)，并進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分；利用震動(dòng)場(chǎng)沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)Wz和應(yīng)力場(chǎng)沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)Wy計(jì)算出動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果Wd，并劃分動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果的危險(xiǎn)區(qū)域。

2)沖擊地壓危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果權(quán)重賦值?；谇拔慕榻B的層次分析方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果和沖擊地壓危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行賦權(quán)。

3)沖擊地壓危險(xiǎn)靜動(dòng)態(tài)耦合評(píng)價(jià)指數(shù)。根據(jù)以上計(jì)算出的沖擊地壓危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)和沖擊地壓危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)，通過步驟2 中對(duì)各自沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行權(quán)重賦值，從而得到Wj，Wd及各指標(biāo)的權(quán)重，將其結(jié)果代入式(10)進(jìn)行計(jì)算，得到?jīng)_擊地壓危險(xiǎn)靜動(dòng)態(tài)耦合評(píng)價(jià)危險(xiǎn)指數(shù)W2。

式中：γ和λ分別為靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果的權(quán)重系數(shù)。

4)沖擊地壓危險(xiǎn)靜動(dòng)態(tài)耦合評(píng)價(jià)危險(xiǎn)程度與危險(xiǎn)區(qū)域。根據(jù)沖擊地壓危險(xiǎn)靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)危險(xiǎn)程度分級(jí)對(duì)照表7，得出當(dāng)前工作面開采條件下的靜動(dòng)態(tài)耦合危險(xiǎn)級(jí)別。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和最大安全原則，沖擊地壓危險(xiǎn)靜動(dòng)態(tài)耦合沖擊危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)是靜態(tài)評(píng)價(jià)得出的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域與動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)得出的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域疊加而成。

表7 靜動(dòng)態(tài)耦合沖擊危險(xiǎn)分級(jí)指標(biāo)Table 7 Static and dynamic coupling rockburst classification index

在實(shí)際評(píng)價(jià)過程中，對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果的耦合包含以下3 種情況：①當(dāng)所評(píng)價(jià)區(qū)域進(jìn)行了沖擊地壓危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)，但未開展動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)時(shí)，式(10)中W2僅包含靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，相應(yīng)的權(quán)重值γ取1；②當(dāng)所評(píng)價(jià)區(qū)域僅包含沖擊地壓危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)時(shí)，式(10)中W2僅包含沖擊地壓危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，相應(yīng)的權(quán)重值λ取1；③當(dāng)所評(píng)價(jià)的區(qū)域同時(shí)進(jìn)行了沖擊地壓危險(xiǎn)靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，則采用層次分析法來計(jì)算兩種評(píng)價(jià)結(jié)果的權(quán)重，本文取γ和λ均為0.5。

利用本文所建立的沖擊危險(xiǎn)性靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型，在以上對(duì)450B3+6 工作面開展開采前沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)和開采過程中某一階段的沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果的耦合集成，得出該段時(shí)間工作面開采過程中的沖擊地壓靜動(dòng)態(tài)耦合危險(xiǎn)性。結(jié)果如圖6 所示。可以發(fā)現(xiàn)，選取研究時(shí)間段內(nèi)沖擊地壓靜動(dòng)態(tài)耦合評(píng)價(jià)結(jié)果的區(qū)域性特征較明顯，部分區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性綜合指數(shù)處于較高水平，而在后續(xù)工作面生產(chǎn)過程中該區(qū)域附近發(fā)生了沖擊顯現(xiàn)事件。例如，

“4?26”沖擊顯現(xiàn)事件發(fā)生前，工作面靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)，而根據(jù)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，該事件震源位置附近處于較高危險(xiǎn)狀態(tài)，經(jīng)過耦合集成后，結(jié)果顯示該區(qū)域處于中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)，說明沖擊地壓靜動(dòng)態(tài)耦合評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有較好的一致性。

4.2 沖擊危險(xiǎn)靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)效果檢驗(yàn)

針對(duì)以上沖擊危險(xiǎn)性靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，本文選取在此期間工作面發(fā)生的“4?26”沖擊顯現(xiàn)事件前后的支架壓力分布特征、事件發(fā)生前后圍巖應(yīng)力模擬結(jié)果對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

通過分析發(fā)現(xiàn)，本文所建立的沖擊危險(xiǎn)性靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法可以有效的反映工作面開采過程中工作面區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性大小，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面發(fā)生沖擊顯現(xiàn)事件前，沖擊危險(xiǎn)性靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示該區(qū)域附近為中等沖擊危險(xiǎn)，隨后產(chǎn)生了動(dòng)力顯現(xiàn)。分析沖擊顯現(xiàn)事件前后支架壓力分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，靠近中間巖柱一側(cè)的支架壓力值高于頂板側(cè)壓力值，在“4?26”沖擊顯現(xiàn)事件發(fā)生前的一段時(shí)間內(nèi)，工作面區(qū)域支架壓力普遍較高(圖7 中黑色虛線圈出的顏色較深區(qū)域)，而在臨近發(fā)生沖擊顯現(xiàn)事件時(shí)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力降，直至發(fā)生沖擊顯現(xiàn)事件，沖擊發(fā)生時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)皮帶機(jī)側(cè)翻、幫鼓等破壞。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果(圖8)，工作面在“4?26”沖擊顯現(xiàn)事件前，已開采區(qū)域和下部未開采區(qū)域均出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，且沖擊顯現(xiàn)事件發(fā)生前工作面應(yīng)力集中程度隨工作面推進(jìn)逐漸增大。

圖8 +450B3+6 工作面開采過程圍巖應(yīng)力分布Fig.8 +450B3+6 mining process stress distribution of the surrounding rock

綜上，無論是工作面開采過程中圍巖應(yīng)力變化規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果，還是支架壓力變化特征均顯示了+450B3+6 工作面開采過程中的應(yīng)力集中狀態(tài)和沖擊危險(xiǎn)性特征，其應(yīng)力集中區(qū)域與沖擊危險(xiǎn)性靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果具有較高的重合度和一致性。

5 結(jié) 論

1)分析了近直立煤層沖擊危險(xiǎn)影響因素，利用線性歸一化方法得到單因素的危險(xiǎn)指數(shù)，通過對(duì)各因素賦權(quán)并進(jìn)行加權(quán)求和得到地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素確定的危險(xiǎn)指數(shù)，將兩個(gè)危險(xiǎn)指數(shù)加權(quán)平均得到靜態(tài)評(píng)價(jià)危險(xiǎn)指數(shù)，構(gòu)建了工作面采掘前的沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)方法，利用該方法將烏東煤礦近直立煤層+450B3+6 工作面劃分為5 個(gè)局部區(qū)域，評(píng)價(jià)為4 個(gè)中等沖擊危險(xiǎn)和1 個(gè)弱沖擊危險(xiǎn)。

2)構(gòu)建了微震能量密度和鉆孔應(yīng)力變化率作為動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，將評(píng)價(jià)指標(biāo)線性歸一化分別得到震動(dòng)場(chǎng)評(píng)價(jià)指數(shù)和應(yīng)力場(chǎng)評(píng)價(jià)指數(shù)，將兩者加權(quán)平均得到動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)危險(xiǎn)指數(shù)，構(gòu)建了工作面采掘過程的沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，對(duì)+450B3+6 工作面進(jìn)行了動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示工作面巖柱側(cè)區(qū)域具有較高沖擊危險(xiǎn)性。

3)將沖擊危險(xiǎn)性靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行耦合疊加，構(gòu)建了沖擊危險(xiǎn)性靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型，模型綜合考慮了采前沖擊危險(xiǎn)影響因素和采中沖擊危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化；將靜動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于+450B3+6 工作面，并將評(píng)價(jià)結(jié)果與支架壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬結(jié)果和沖擊地壓顯現(xiàn)事件進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)靜動(dòng)態(tài)耦合評(píng)價(jià)結(jié)果更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。