工作面采前沖擊危險(xiǎn)性預(yù)評估

朱廣安 蔣啟鵬 劉海洋

摘?要：隨著開采深度和強(qiáng)度的增加，沖擊地壓災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重，嚴(yán)重制約井下的安全高效生產(chǎn)和人員安全，因此如何進(jìn)行有效地采前沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)評價(jià)顯得尤為重要。首先，基于現(xiàn)場典型沖擊地壓案例分析，總結(jié)歸納了影響工作面沖擊危險(xiǎn)的主要地質(zhì)和開采技術(shù)因素，并給出了相關(guān)影響因素的重要程度排序。其次，合理確定了工作面采前沖擊危險(xiǎn)的預(yù)評估指標(biāo)，進(jìn)而構(gòu)建了工作面采前沖擊危險(xiǎn)的三級預(yù)評估體系。最后基于層次分析法（AHP），計(jì)算得出各預(yù)評估指標(biāo)的權(quán)重，建立了工作面采前沖擊危險(xiǎn)綜合評估模型。采用文中提出的沖擊危險(xiǎn)預(yù)評估模型，對崔木煤礦21309工作面進(jìn)行了采前沖擊危險(xiǎn)性評估，為現(xiàn)場實(shí)踐提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沖擊地壓;回采工作面;沖擊危險(xiǎn)評價(jià);層次分析法

中圖分類號：TD 324?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?文章編號：1672-7312（2020）05-0478-05

Pre-evaluation for rock burst risks in coalface before mining

ZHU Guang-an，JIANG Qi-peng，LIU Hai-yang

（College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：With the increase of mining depth and intensity，rock burst disaster has become a common safety problem in underground coal mines.How to effectively pre-evaluate the rock burst hazard in coalfaces before mining becomes particularly important.First of all，based on the statistical analysis of in-situ rock burst

accidents，the main geological and mining factors affecting rock burst risk in coalface are summarized，then the rank in important degree of the related influencing factors is given.Subsequently，the pre-evaluation index of rock burst risk in coalface is reasonable determined，and the three-level pre-evaluation index system is established for rock burst risk in coalface before mining.Finally，according to the Analytic Hierarchy Process （AHP），the weight of each pre-evaluation index is calculated and the comprehensive evaluation model of rock burst risk is established.The proposed model is applied to pre-evaluate the rock burst risk of coalface 21309 in Cuimu Coal Mine，and the results show that finding obtained in this study provide a theoretical guidance for safe mining in coal mines.

Key words：rock burst;mining coalface;rock burst risk evaluation;analytic hierarchy process

0?引言

礦井進(jìn)入深部開采后，開采條件的復(fù)雜化導(dǎo)致沖擊地壓呈現(xiàn)新的特點(diǎn)[1-2]。因此如何有效評估工作面沖擊危險(xiǎn)性及沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的劃分顯得尤為重要。

目前對于工作面采前沖擊危險(xiǎn)的評價(jià)方法主要有綜合指數(shù)法[3]、可能性指數(shù)法[4]、地質(zhì)動力區(qū)劃法[5]和多因素耦合法[6]等。其中，綜合考慮地質(zhì)和開采技術(shù)等因素的綜合指數(shù)法為當(dāng)前使用最為廣泛的沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)方法。上述評價(jià)方法主要考慮單個因素的影響，很少涉及各個因素之間的關(guān)聯(lián)性、權(quán)重差異等。因此，優(yōu)化和建立當(dāng)前的沖擊危險(xiǎn)性預(yù)評估模型，對于工作面采掘期間的沖擊地壓防治具有更好的指導(dǎo)意義。

以崔木煤礦21309工作面為研究對象，首先基于現(xiàn)場收集的地質(zhì)和開采技術(shù)資料，分析影響工作面沖擊危險(xiǎn)的主要因素。其次，根據(jù)層次分析法，對于各個影響因素進(jìn)行權(quán)重分析，最終得到修正后的綜合指數(shù)法評價(jià)表。以期為該礦其他類似條件下的工作面采前沖擊危險(xiǎn)性預(yù)評估和沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的劃分提供借鑒。

1?回采工作面沖擊地壓主控因素分析

以課題組統(tǒng)計(jì)的全國5個典型的沖擊地壓礦區(qū)為例，通過對沖擊地壓事故進(jìn)行分析，總結(jié)歸納其共性和差異性，從而確定誘發(fā)工作面回采期間沖擊地壓的主控因素。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，影響工作面沖擊危險(xiǎn)的主要有地質(zhì)和開采技術(shù)因素。其中，地質(zhì)因素主要有埋深、煤巖沖擊傾向性、地質(zhì)構(gòu)造和頂板巖性特征（一般指煤層上方是否存在厚硬頂板）等;開采技術(shù)因素主要有保護(hù)層卸壓程度、工作面寬度、區(qū)段煤柱寬度、相鄰采空區(qū)、留底煤厚度、工作面初次來壓、周期來壓和見方等。

如圖1所示為統(tǒng)計(jì)的224次沖擊案例中關(guān)于地質(zhì)因素的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖中可以看出，統(tǒng)計(jì)的沖擊地壓事故主要受地質(zhì)因素影響較大，其中埋深、頂板巖性結(jié)構(gòu)和煤巖沖擊傾向性占比達(dá)到60%以上，地質(zhì)構(gòu)造占比也超過35%。綜合對上述6個因素進(jìn)行重要程度排序，可得埋深>頂板影響>沖擊傾向性>褶曲>斷層>煤厚變化。

使用同樣的方法進(jìn)行分析，可得不同開采技術(shù)因素影響下沖擊地壓分布情況，如圖2所示。

2?沖擊危險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系建立

主要對不同影響因素進(jìn)行篩選和分析，合理選擇和確定適用于評價(jià)的相關(guān)因素及其指標(biāo)，最終綜合建立相關(guān)評價(jià)指標(biāo)體系。

2.1?數(shù)據(jù)歸一化方法

文中的歸一化處理主要采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化，轉(zhuǎn)換方法如式（1）所示

X*=X-minmax-min

（1）

式中：X*為歸一化后值;max為樣本數(shù)據(jù)的最大值;min為樣本數(shù)據(jù)的最小值。

2.2?地質(zhì)因素評價(jià)指標(biāo)選取

地質(zhì)因素主要包括工作面埋深、頂板影響、煤巖沖擊傾向性、構(gòu)造發(fā)育程度、煤厚變化、沖擊地壓發(fā)生次數(shù)等。由于篇幅所限，僅以工作面埋深為列進(jìn)行說明，其他影響因素指標(biāo)的選取過程類似。

不同埋深情況下沖擊顯現(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。一般而言，當(dāng)埋深H≤400 m時，幾乎無沖擊地壓發(fā)生;當(dāng)埋深400 m

2.3?開采技術(shù)因素評價(jià)指標(biāo)選取

同2.2節(jié)，本節(jié)主要以區(qū)段煤柱寬度的留設(shè)為例進(jìn)行說明。

研究結(jié)果表明[7-9]，區(qū)段煤柱寬度W≥50 m或W≤3 m時，對防沖最為有利;當(dāng)3 m

沖擊危險(xiǎn)開始升高;當(dāng)10 m

2.4?沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)體系建立

基于層次分析法對不同地質(zhì)和開采技術(shù)因素的權(quán)重值進(jìn)行分析，建立各地質(zhì)和開采技術(shù)因素權(quán)重表。

最終建立了如圖4所示的工作面采前沖擊地壓影響因素評價(jià)指標(biāo)體系。

3?工程應(yīng)用

崔木煤礦21309工作面位于井田21盤區(qū)，中央3條大巷南翼，切眼靠近22盤區(qū)地面三維地震勘探圈定的盤區(qū)煤層沉積缺失帶邊界;工作面南部（機(jī)巷一側(cè)）為未開采區(qū)域;北部（風(fēng)巷一側(cè)）靠近已回采的22302工作面（留設(shè)煤柱160 m）及中央回風(fēng)大巷（留設(shè)煤柱118 m）;西部至設(shè)計(jì)切眼位置，靠近無煤邊界;東部靠近已回采的21307工作面，初步設(shè)計(jì)預(yù)留約120 m保護(hù)煤柱，如圖5所示。工作面地面標(biāo)高約+1 370 m～+1 440 m，煤層底板起止標(biāo)高+700 m～+780 m，工作面平均傾向

寬約200 m，設(shè)計(jì)走向長976 m。煤層厚度為5.0 m～14.3 m，平均10.5 m;煤層傾角為1°～14°，平均7°左右。頂板以中粒砂巖-砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度10.95 m;底板以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度6.7 m。

采用文中建立的評價(jià)方法對崔木煤礦21309工作面進(jìn)行采前沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)。其中地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素評價(jià)結(jié)果見表3和表4。

4?結(jié)論

1）分析了回采工作面沖擊地壓危險(xiǎn)的主要影響因素，統(tǒng)計(jì)結(jié)果分為地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素，并基于動力顯現(xiàn)頻次給出了相應(yīng)的重要程度的大致排序。

2）構(gòu)建了工作面回采沖擊地壓危險(xiǎn)的三級評價(jià)指標(biāo)體系：目標(biāo)層，即工作面采前沖擊危險(xiǎn)預(yù)評價(jià);準(zhǔn)則層，即地質(zhì)因素、開采技術(shù)因素;指標(biāo)層，即埋深、頂板特征參數(shù)和區(qū)段煤柱寬度等13項(xiàng)指標(biāo)。

3）將優(yōu)化的綜合指數(shù)法評估模型進(jìn)行工程應(yīng)用，在崔木煤礦21309工作面應(yīng)用良好，工程實(shí)踐表明，文中所提出的沖擊危險(xiǎn)性評估模型具有一定的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

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（責(zé)任編輯：張?江）