工作面采前沖擊危險性預評估

朱廣安 蔣啟鵬 劉海洋

摘?要：隨著開采深度和強度的增加，沖擊地壓災害愈發嚴重，嚴重制約井下的安全高效生產和人員安全，因此如何進行有效地采前沖擊危險區域的預評價顯得尤為重要。首先，基于現場典型沖擊地壓案例分析，總結歸納了影響工作面沖擊危險的主要地質和開采技術因素，并給出了相關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的預評估指標，進而構建了工作面采前沖擊危險的三級預評估體系。最后基于層次分析法（AHP），計算得出各預評估指標的權重，建立了工作面采前沖擊危險綜合評估模型。采用文中提出的沖擊危險預評估模型，對崔木煤礦21309工作面進行了采前沖擊危險性評估，為現場實踐提供理論依據。

關鍵詞：沖擊地壓;回采工作面;沖擊危險評價;層次分析法

中圖分類號：TD 324?文獻標識碼：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

礦井進入深部開采后，開采條件的復雜化導致沖擊地壓呈現新的特點[1-2]。因此如何有效評估工作面沖擊危險性及沖擊危險區域的劃分顯得尤為重要。

目前對于工作面采前沖擊危險的評價方法主要有綜合指數法[3]、可能性指數法[4]、地質動力區劃法[5]和多因素耦合法[6]等。其中，綜合考慮地質和開采技術等因素的綜合指數法為當前使用最為廣泛的沖擊危險性評價方法。上述評價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聯性、權重差異等。因此，優化和建立當前的沖擊危險性預評估模型，對于工作面采掘期間的沖擊地壓防治具有更好的指導意義。

以崔木煤礦21309工作面為研究對象，首先基于現場收集的地質和開采技術資料，分析影響工作面沖擊危險的主要因素。其次，根據層次分析法，對于各個影響因素進行權重分析，最終得到修正后的綜合指數法評價表。以期為該礦其他類似條件下的工作面采前沖擊危險性預評估和沖擊危險區域的劃分提供借鑒。

1?回采工作面沖擊地壓主控因素分析

以課題組統計的全國5個典型的沖擊地壓礦區為例，通過對沖擊地壓事故進行分析，總結歸納其共性和差異性，從而確定誘發工作面回采期間沖擊地壓的主控因素。

統計結果表明，影響工作面沖擊危險的主要有地質和開采技術因素。其中，地質因素主要有埋深、煤巖沖擊傾向性、地質構造和頂板巖性特征（一般指煤層上方是否存在厚硬頂板）等;開采技術因素主要有保護層卸壓程度、工作面寬度、區段煤柱寬度、相鄰采空區、留底煤厚度、工作面初次來壓、周期來壓和見方等。

如圖1所示為統計的224次沖擊案例中關于地質因素的統計結果。從圖中可以看出，統計的沖擊地壓事故主要受地質因素影響較大，其中埋深、頂板巖性結構和煤巖沖擊傾向性占比達到60%以上，地質構造占比也超過35%。綜合對上述6個因素進行重要程度排序，可得埋深>頂板影響>沖擊傾向性>褶曲>斷層>煤厚變化。

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

2?沖擊危險評價指標體系建立

主要對不同影響因素進行篩選和分析，合理選擇和確定適用于評價的相關因素及其指標，最終綜合建立相關評價指標體系。

2.1?數據歸一化方法

文中的歸一化處理主要采用min-max標準化，轉換方法如式（1）所示

X*=X-minmax-min

（1）

式中：X*為歸一化后值;max為樣本數據的最大值;min為樣本數據的最小值。

2.2?地質因素評價指標選取

地質因素主要包括工作面埋深、頂板影響、煤巖沖擊傾向性、構造發育程度、煤厚變化、沖擊地壓發生次數等。由于篇幅所限，僅以工作面埋深為列進行說明，其他影響因素指標的選取過程類似。

不同埋深情況下沖擊顯現統計結果如圖3所示。一般而言，當埋深H≤400 m時，幾乎無沖擊地壓發生;當埋深400 m

2.3?開采技術因素評價指標選取

同2.2節，本節主要以區段煤柱寬度的留設為例進行說明。

研究結果表明[7-9]，區段煤柱寬度W≥50 m或W≤3 m時，對防沖最為有利;當3 m

沖擊危險開始升高;當10 m

2.4?沖擊危險性評價指標體系建立

基于層次分析法對不同地質和開采技術因素的權重值進行分析，建立各地質和開采技術因素權重表。

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指標體系。

3?工程應用

崔木煤礦21309工作面位于井田21盤區，中央3條大巷南翼，切眼靠近22盤區地面三維地震勘探圈定的盤區煤層沉積缺失帶邊界;工作面南部（機巷一側）為未開采區域;北部（風巷一側）靠近已回采的22302工作面（留設煤柱160 m）及中央回風大巷（留設煤柱118 m）;西部至設計切眼位置，靠近無煤邊界;東部靠近已回采的21307工作面，初步設計預留約120 m保護煤柱，如圖5所示。工作面地面標高約+1 370 m～+1 440 m，煤層底板起止標高+700 m～+780 m，工作面平均傾向

寬約200 m，設計走向長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-砂質泥巖為主，平均厚度10.95 m;底板以砂質泥巖為主，平均厚度6.7 m。

采用文中建立的評價方法對崔木煤礦21309工作面進行采前沖擊危險性評價。其中地質因素和開采技術因素評價結果見表3和表4。

4?結論

1）分析了回采工作面沖擊地壓危險的主要影響因素，統計結果分為地質因素和開采技術因素，并基于動力顯現頻次給出了相應的重要程度的大致排序。

2）構建了工作面回采沖擊地壓危險的三級評價指標體系：目標層，即工作面采前沖擊危險預評價;準則層，即地質因素、開采技術因素;指標層，即埋深、頂板特征參數和區段煤柱寬度等13項指標。

3）將優化的綜合指數法評估模型進行工程應用，在崔木煤礦21309工作面應用良好，工程實踐表明，文中所提出的沖擊危險性評估模型具有一定的準確性和實用性。

參考文獻：

[1]袁亮，姜耀東，何學秋，等.煤礦典型動力災害風險精準判識及監控預警關鍵技術研究進展[J].煤炭學報，2018，43（02）：306-318.

[2]姜耀東，趙毅鑫.我國煤礦沖擊地壓的研究現狀：機制、預警與控制[J].巖石力學與工程學報，2015，34（11）：2188-2204.

[3]竇林名，何學秋.煤礦沖擊地壓的分級預測研究[J].中國礦業大學學報，2007（06）：717-722.

[4]宋來智，王同旭，何勇，等.基于可能性指數診斷法的半孤島工作面沖擊危險性評價[J].煤礦安全，2015，46（08）：209-211+215.

[5]張宏偉，榮海，陳建強，等.基于地質動力區劃的近直立特厚煤層沖擊地壓危險性評價[J].煤炭學報，2015，40（12）：2755-2762.

[6]張宏偉，孟慶男，韓軍，等.地質動力區劃在沖擊地壓礦井中的應用[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2016，35（05）：449-455.

[7]陳鎣，張宏偉，韓軍，等.基于地質動力區劃的礦井動力環境研究[J].世界地質，2011，30（04）：690-696.

[8]程英建，石豫川，石勝偉，等.數量化理論在泥石流易發性預測中的應用[J].水文地質工程地質，2015，42（01）：140-145+153.

[9]馮宜語，劉同策，尹增德，等.多因素耦合法評定工作面沖擊危險性[J].煤礦安全，2013，44（08）：196-199.

（責任編輯：張?江）