特厚煤層巷道沖擊特征及沖擊危險性評價方法研究*

楊光宇，溫經林，李 琳，王 博，李乃錄，張 建

(1. 天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013; 2. 中國安全生產科學研究院，北京 100012;3. 彬縣水簾洞煤炭有限責任公司，陜西 彬縣 713500； 4. 北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；5.山東能源新汶礦業集團有限責任公司 生產技術部，山東 新泰 271233)

0 引言

隨著煤礦開采深度和強度的增加，沖擊地壓災害對煤礦安全的威脅與日俱增[1-2]，我國學者在沖擊地壓礦井的危險性評價方面進行了大量研究，取得了一定成果。竇林名和何學秋[3]通過確定采礦地質因素影響沖擊地壓發生的權重，提出了沖擊地壓危險性評價的綜合指數法；于正興等[4]以采動應力和煤層沖擊傾向性為主要指標，對沖擊地壓的發生進行評級；姜福興等[5]提出了沖擊危險性評價的應力增量疊加法，通過建立坐標系使得評價結果更趨于量化；竇林名等[6]提出了沖擊危險性評價的相對應力集中系數疊加法，對開采區域進行網格劃分，計算不同網格內的總相對應力集中系數，將沖擊危險劃分為不同等級；齊慶新等[7]提出以應力控制為中心，采用相似模擬和數值模擬分析應力狀態，從而指導沖擊防治工作;潘俊峰等[8]提出了沖擊危險性分源權重綜合評價法，基于沖擊地壓分源監測評價的理論進行評價。

目前，綜合指數法和可能性指數法主要從宏觀角度進行沖擊危險性評價，難以實現量化；沖擊危險性應力增量疊加和應力集中系數疊加評價方法更趨于量化，但未考慮煤體的固有屬性；相似材料或數值模擬的評價方法，普適性不強。因此，對于沖擊地壓礦井如何準確評價其沖擊危險性還需進一步深入研究。

本文以特厚煤層巷道為研究對象，通過分析巷道能量存儲、開采應力分布以及圍巖強度特征，揭示了特厚煤層巷道與薄及中厚煤層相比具有沖擊傾向性高、應力影響范圍廣及圍巖抗壓強度低的沖擊特征，探索并提出了特厚煤層巷道沖擊危險性評價的多元指數法，將該方法應用于陜西某礦特厚煤層掘進過程中的沖擊危險性評價，通過對評價得出的沖擊危險區域采取合理的卸壓措施，實現了工作面的安全開采。

1 特厚煤層巷道沖擊特征研究

1.1 特厚煤層巷道能量儲存特征

在相同應力條件下不同煤層厚度巷道開挖其影響范圍不同，一般而言特厚煤層巷道影響范圍R大于薄及中厚煤層巷道影響范圍r；且特厚煤層巷道影響區域內多為煤體；薄及中厚煤層巷道影響區域內為煤、巖體，如圖1所示。

圖1 不同煤層厚度開采巷道影響范圍示意Fig.1 Schematic diagram on influence range of mining roadway in coal seams with different thicknesses

以巷道在應力σx下開采為例，分別計算不同煤層厚度下巷道影響區域內的能量儲存特征。特厚煤層巷道影響區域儲存能量可用式(1)表示；薄及中厚煤層巷道影響區域儲存能量可用式(2)表示：

E1=(SR-SH)×WM

(1)

E2=(Sr-SH-SY)×WM+SY×WY

(2)

式中：E1為特厚煤層巷道影響區域內儲存能量，J；E2為薄及中厚煤層巷道影響區域內儲存能量，J；SR為特厚煤層巷道影響區域圍巖面積，m2；Sr為薄及中厚煤層巷道影響區域圍巖面積，m2；SH為巷道斷面面積，m2；SY為巷道影響區域內的巖體面積，m2；WM為巷道影響范圍內煤體能量密度，J/m3；WY為巷道影響范圍內巖體能量密度，J/m3。

煤、巖體全應力-應變曲線如圖2所示，在應力σx下巖體能量密度可用SOAB表示；煤體能量密度可用SOCD表示。通常情況下SOCD>SOAB，即煤體能量密度WM>巖體能量密度WY。

圖2 巖石和煤體試件全應力-應變曲線示意Fig.2 Schematic diagram on full stress-strain curves of rock and coal samples

綜上，在應力σx開采條件下式(1)，(2)中各指標關系見式(3)所示：

(3)

根據式(3)結合圖1～2所示可知，在巷道開采應力相同條件下，特厚煤層巷道影響范圍內圍巖積聚的能量更多，巷道積聚的能量與其沖擊危險性成正比，故特厚煤層巷道具有更高的沖擊危險性。

1.2 特厚煤層開采應力分布特征

1)煤層厚度影響工作面超前支承壓力分析

研究在相同應力條件下，不同厚度煤層開采其超前支承壓力影響范圍。

①工作面超前塑性區內支承壓力計算[9-10]

根據彈塑性理論，在工作面前方極限平衡區內，塑性區的支承壓力計算公式σ1見式(4)：

(4)

式中：f為層間的摩擦系數；φ為煤體內摩擦角，(°)；X為塑性區內任一點到煤壁的距離，m；M為煤層厚度，m；τ0cotφ為煤體自撐力。

令σ1=KγH，則支承壓力峰值點距離煤壁的距離x1見式(5)所示，在同一開采條件下式(5)中x1隨煤層厚度M增大而增大。

(5)

式中：K為應力集中系數；H為采深，m；γ為巖層體積力，kN/m3。

②工作面超前彈性區支承壓力計算

根據彈性區內支承壓力分布表達式：

(6)

式中：β為側系數。

設彈性區的范圍為x2，當x=x1+x2時將σ2=γH帶入式(7)可得彈性區范圍x2為：

(7)

由式(7)可知，在同一開采條件下式彈性區范圍x2隨煤層厚度M增大而增大。

工作面超前支承壓力影響范圍x由塑性區和彈性區疊加計算可得，見式(8)：

x=x1+x2

(8)

由式(5)，(7)，(8)可知工作面前方支承壓力的范圍隨開采煤層厚度增加而增加。

2)煤層厚度對巷幫側向支承壓力影響分析

溫經林[11]采用數值模擬及理論計算的方法對不同煤層厚度條件下巷道圍巖應力場進行了研究，在相同外應力場作用的情況下，相同尺寸的煤層巷道，煤層厚度越大其側向支承壓力影響范圍越大。

1.3 特厚煤層巷道圍巖強度

特厚煤層開采巷道大多為煤巷且留有底煤，其巷道圍巖為煤體；薄及中厚煤層開采巷道大多為半煤巖巷，其巷道周圍為煤體和巖體，見圖3。

圖3 不同厚度煤層開采巷道圍巖示意Fig.3 Schematic diagram on surrounding rock of mining

在實際工程中，巷幫圍巖往往由多組巖層組成，如圖4所示。巷幫圍巖抗壓強度主要根據兩幫圍巖厚度和強度進行厚度加權平均處理，可由式(9)求出厚度加權平均強度值。

圖4 巷幫層狀組合圍巖結構示意Fig.4 Schematic diagram on surrounding rock structure of layered combination on side wall

(9)

式中：[σc]為巷道圍巖抗壓強度，MPa；mi為巷幫巖層厚度，m；[σcmi]為巷幫巖層抗壓強度，MPa。

煤體抗壓強度一般小于巖體，故特厚煤層開采期間巷道圍巖強度低于薄及中厚煤層。

綜上，特厚煤層開采相對于薄及中厚煤層開采對沖擊危險性的影響如下：

1)特厚煤層巷道圍巖相較于薄及中厚煤層積聚的能量更多，在相同的應力條件下特厚煤層巷道沖擊危險性更高。

2)特厚煤層多采用綜放開采，放頂煤開采使得圍巖的活動范圍在橫向、縱向都較大，造成了巷道應力的增加和影響范圍的增大。

3)特厚煤層開采巷道圍巖強度低于薄及中厚煤層。巷道外應力的增加和巷道強度的降低使得圍巖應力與強度比值變大，導致特厚煤層開采具有更高的沖擊危險性。

特厚煤層具有巷道沖擊傾向性高、開采應力影響范圍廣及圍巖強度低3個主要沖擊特征。同時，由于其災害體積大、積聚能量多，其發生沖擊后的災害程度較為嚴重。

2 特厚煤層巷道沖擊危險性評價方法研究

以煤巖體的全應力-應變曲線為例結合沖擊地壓啟動理論[12]，將煤巖體發生沖擊地壓災害的過程分為以下階段：①沖擊前的儲能階段，即煤巖體在外應力作用下存儲的能量；②沖擊破壞階段，即應力大于煤巖體強度而發生沖擊破壞；③沖擊破壞后的顯現階段，即煤巖體沖擊破壞后釋放的能量以動能或沖擊波的形式顯現到采掘空間，如圖5所示。

圖5中：PC為試件破壞載荷；ΦSP為塑性應變能；ΦSE為彈性應變能；Ax為試件峰值后消耗的變形能。

圖5 煤體試件全應力-應變曲線Fig.5 Full stress-strain curve of coal sample

以特厚煤層巷道為研究對象，其沖擊危險性主要和巷道存儲能量、巷道能否發生沖擊破壞以及沖擊后釋放的能量強度有關。沖擊傾向性理論中采用彈性能指數WET來表征煤體的儲存能量；基于強度理論，巷道能否發生沖擊破壞主要由圍巖應力與強度的比值決定；沖擊破壞后的能量釋放強度目前主要采用剩余能量釋放速度指數WT或沖擊能量速度指數WST對其進行闡述。分別研究其對特厚煤層巷道沖擊危險性的影響。

2.1 基于能量存儲的沖擊危險性判別

彈性能指數WET可以反映煤巖體儲存能量的能力，見式(10)：

WET=ΦSE/ΦSP

(10)

式中：WET為彈性能指數；ΦSP為塑性應變能；ΦSE為彈性應變能。

2.2 基于圍巖應力與強度比值的沖擊危險性判別

以巷道圍巖沖擊為例，巷道圍巖強度隨著單向-三向受力狀態變化而產生強度硬化；沖擊地壓發生時巷道圍巖應力在短時間內突增，導致巷道圍巖應力加載速率增加，加載速度突然增加必然會導致其圍巖破壞強度的增加，稱之為圍巖強度的動應力硬化效應[13]。煤巖體在發生沖擊破壞時必然存在“動應力硬化”和“單向-三向硬化”，其影響了巷道圍巖沖擊破壞時的強度。采用Ic表示巷道圍巖應力與強度的比值，見式(11)所示：

(11)

式中：Ic為圍巖應力與強度比值；σ為圍巖應力；[σc]為圍巖強度。

Ic可以反映煤巖體在沖擊時的強度破壞準則，但其不能反映破壞后釋放能量的強弱程度。

2.3 基于剩余能量釋放強度的沖擊危險性判別

潘一山等[14]提出采用沖擊能指數與動態時間的比值來表征煤巖體沖擊釋放能量的強度，引入了沖擊能量速度指數WST，計算公式見式(12)：

WST=KE/tD

(12)

式中：WST為沖擊能量速度指數；KE為沖擊能指數；tD為動態破壞時間，s。

沖擊能量速度指數反映了煤巖體破壞后釋放單位能量的大小，但該指標的先決條件是煤巖體必須發生破壞。

2.4 沖擊危險判別的理論表達

根據上述研究，沖擊地壓發生大致經歷煤巖體沖擊前的儲能、沖擊破壞以及沖擊后的能量釋放3個階段，故煤巖體沖擊危險性主要和其儲能能力、破壞強度以及剩余能量釋放速率有關。提出采用煤巖體彈性能指數、應力比指數及沖擊能量速度指數共同表征煤巖體沖擊危險性，見式(13)：

煤巖體的沖擊危險性=f(WET，Ic，WST)

(13)

式中：WET為彈性能指數；Ic為圍巖應力與強度比；WST為沖擊能量速度指數。

3 特厚煤層巷道沖擊危險性工程判據研究

基于沖擊危險性判別的理論基礎，認為特厚煤層巷道發生沖擊地壓的危險性主要和巷道煤巖體儲能能力、破壞準則以及破壞后釋放能量程度有關。引入沖擊危險指數CW表征其沖擊危險性，見式(14)：

CW=f(WET，Ic，WST)

(14)

式中：CW為沖擊危險指數；WET為彈性能指數；Ic為圍巖應力與強度比值；WST為沖擊能量速度指數。

采用模糊數學的方法[15]，分別研究各指標對沖擊危險性的隸屬度，進而形成可以應用于工程實踐的沖擊危險性評價多元指數法及分級指標。

1)彈性能指數對沖擊危險性隸屬度

在煤巖體破壞的基礎上，提出彈性能量指數WET與沖擊危險性的關系見表1。

根據以上研究，采用模糊數學的方法提出彈性能指數對沖擊危險性事件的隸屬度fWET如式(15)所示：

表1 彈性能指數與沖擊危險性關系Table 1 Relationship between elastic energy index and rock burst risk

(15)

2)圍巖應力與強度比對沖擊危險性隸屬度

研究巷道圍巖破壞與沖擊危險的關系，根據工程經驗提出應力比指數Ic與沖擊危險性的關系見表2。

表2 應力比指數與沖擊危險性關系Table 2 Relationship between stress ratio index and rock burst risk

根據以上研究，采用模糊數學的方法提出應力比Ic對沖擊危險性事件隸屬度fIc如式(16)所示：

(16)

3)剩余能量釋放強度對沖擊危險性隸屬度

潘一山等[14]定義了沖擊能量速度指數與沖擊危險性的關系，見表3。

表3 沖擊能量速度指數與沖擊危險性關系Table 3 Relationship between impact energy speed index and rock burst risk

根據以上研究，采用模糊數學的方法提出沖擊能量速度指數對沖擊危險性事件隸屬度fWST見式(17)：

(17)

4)沖擊危險性評估方法及分級

通過研究各指標對沖擊危險性的隸屬度，結合式(14),(15),(16),(17)可得了沖擊危險性指數CW見式(18)：

CW=K1fWET+K2fIc+K3fWST

(18)

式中：CW為沖擊危險指數；K1為彈性能指數影響沖擊危險性的權重系數；K2為應力比指數影響沖擊危險性的權重系數；K3為沖擊能量速度指數影響沖擊危險性的權重系數；其中K1+K2+K3=1。根據工程經驗通常情況下取K1=K2=0.4，K3=0.2。如果具體評價煤層地質條件清晰，可根據實際情況調整權重系數。

提出基于沖擊危險性指數CW的煤巖沖擊危險性工程判別分級指標，將其分為無、弱、中等和強4個等級，見表4。

表4 沖擊危險性工程判據指標Table 4 Engineering judgment criteria of rock burst risk

4 工程應用

4.1 工作面概況

陜西某礦3803孤島工作面煤層厚度9～13 m，平均煤厚9.58 m。工作面走向長約2 110 m，傾向長約210 m，平均采深約350 m，最深處距地表約560 m，工作面上、下巷均留有6 m煤柱進行掘進，見圖6所示。針對該工作面的開采條件，采用沖擊危險性評價的多元指數法對該工作面掘進期間的沖擊危險性進行評價。

圖6 水簾洞煤礦三采區示意Fig.6 Schematic diagram of No.3 mining area in Shuiliandong coal mine

4.2 掘進巷道沖擊危險性評價

基于應力疊加原理[5,16]，通過計算可得3803工作面掘進期間上、下巷垂直應力分布曲線如圖7所示。

圖7 3803工作面掘進期間應力分布Fig.7 Stress distribution in 3803 working face during

1)多元指數法評價

3803工作面上、下巷均布置在煤體中，故巷道圍巖強度取煤體的單向抗壓強度20.07 MPa，煤體WET為4.99，WST為82.5，根據多元指數評價法結合式(18)取權重系數K1，K2，K3分別為0.4，0.4，0.2。計算可得工作面掘進期間上、下巷沖擊危險性曲線如圖8所示，根據評價結果，結合表1可知掘進期間上、下巷均具有中等沖擊地壓危險。

圖8 基于多元指數法評價的3803工作面掘進期間上、下巷沖擊危險性示意Fig.8 Schematic diagram on rock burst risk of upper and lower roadways in 3803 working face during excavation based on assessment of multivariate indexes method

2)其他沖擊危險性評價方法

采用綜合指數法評價3803工作面掘進巷道沖擊危險指數為0.73，具有中等沖擊地壓危險性。應力疊加法評價以煤體單軸抗壓強度的1.5，1.8和2.0倍作為掘進巷道沖擊危險性弱、中等及強的判別值，根據圖7所示的3803工作面掘進期間上、下巷道垂直應力估算結果，評價可得3803掘進巷道沖擊地壓危險性為無。

綜上，多元指數法、綜合指數法以及應力疊加法評價工作面掘進巷道沖擊危險性分別為中等、中等及無。該礦井在非孤島工作面開采時已有沖擊顯現，孤島工作面開采應力將更為集中，故將其沖擊危險性評價為中等較為合理。

4.3 基于沖擊危險性評價的卸壓方案

根據多元指數法評價沖擊危險性的結果，3803掘進工作面上、下巷具有中等沖擊地壓危險性，其沖擊地壓防治方案如下：

1)迎頭防沖措施

工作面掘進期間在迎頭前方施工孔深20 m，孔徑42 mm的鉆屑法檢測孔，如鉆屑法不超標則繼續掘進；如鉆屑法超標則在迎頭施工3個孔深30 m，孔徑133 mm的卸壓鉆孔，卸壓后再進行鉆屑法檢測，直至不超標方可繼續掘進。每掘進10 m再施工1個20 m的鉆屑法檢測孔，實現循環。

2)巷幫防沖措施

在掘進迎頭后方巷道實體幫每隔3 m施工孔徑133 mm，孔深20 m卸壓鉆孔，鉆孔距巷道底板不小于0.5 m，卸壓鉆孔距迎頭最大距離不超過10 m。

5 結論

1)研究了特厚煤層巷道能量儲存、應力分布及圍巖強度特征，揭示了特厚煤層相比于薄及中厚煤層開采具有巷道儲存能量高、應力分布范圍廣及圍巖強度低3個主要沖擊特征。

2)提出了特厚煤層巷道綜合彈性能指數、應力比指數和沖擊能量速度指數的沖擊危險性評價多元指數法。采用模糊數學方法對各指標進行量化，使得沖擊危險性評價結果更趨量化。

3)分別采用多元指數法、綜合指數法和應力疊加法對陜西某礦3803工作面掘進期間巷道沖擊危險性進行了評價，評價結果合理且為特厚煤層巷道沖擊危險性評價提供了參考。

4)根據多元指數法評價的巷道沖擊危險性結果，在3803工作面掘進期間迎頭和巷幫采取了合理的卸壓措施，保證了工作面的安全開采。