煤巖動力系統區域尺度計算方法在沖擊地壓危險性評價中的應用

＊劉洪泉 楊振華 蘭天偉 榮海

（1.龍煤雙鴨山礦業有限責任公司 東榮二礦 黑龍江 155100 2.遼寧工程技術大學 礦業學院 遼寧 123000）

引言

沖擊地壓是破壞性最強的礦井動力災害之一，當沖擊地壓發生時，將給礦井帶來嚴重的破壞和巨大的經濟損失[1-2]。因此，對沖擊地壓發生危險性進行預測評估是沖擊地壓防治的關鍵。沖擊地壓危險性預測工作是“四位一體”沖擊地壓防治技術體系的首要工作，圍繞此方向，專家學者開展了大量的研究工作，并取得了豐碩的研究成果。溫廷新等[3]構建了基于預處理的AFOA-ELM沖擊地壓危險預測模型，提高了沖擊地壓危險性預測準確率。畢娟等[4]提出了一種R型因子分析Fisher判別的沖擊地壓危險性預測模型，提高了沖擊地壓危險性預測等級精度。喬美英等[5]提出利用改進的果蠅優化算法（FOA）優化參數，建立了相應模型，實現了對沖擊地壓危險性等級的有效預測。文暢平[6]綜合考慮沖擊地壓發生的自然因素、地質因素和開采技術因素，選擇了煤層厚度、傾角、埋深、地質構造情況等10個參數作為判別因子，提出了沖擊地壓危險性的Bayes判別分析法，對沖擊地壓的預測與危險性分級進行了研究。

沖擊地壓等礦井動力災害影響范圍是有限的，為沖擊地壓提供能量及受到影響的煤巖體構成了“煤巖動力系統”。Батуги А.С等[7-9]研究表明礦井沖擊地壓震源區的尺寸為10～20m，孕育區尺度約為震源區尺度的10～20倍，參與沖擊地壓發生的孕育區尺度為幾十米至幾百米的范圍[10]。因此構建沖擊地壓煤巖動力系統模型，確定系統不同尺度范圍內煤巖的沖擊危險性，對于研究沖擊地壓孕育、發生和發展過程具有重要意義。

1.煤巖動力系統模型構建與區域尺度計算

(1)煤巖動力系統模型構建

現場實際和研究成果表明，沖擊地壓等礦井動力災害影響范圍是有限的，影響范圍用煤巖動力系統描述，煤巖動力系統主要屬性是系統尺度和能量值。在自然地質條件下，煤巖動力系統處于平衡狀態，系統能量對沖擊地壓的發生起著控制作用，并影響整個煤巖動力系統的穩定性。煤巖動力系統能量主控條件是大地構造環境和現代構造應力場，可以說，沒有構造運動、沒有構造應力場和能量場，就沒有煤巖動力系統的形成，也就沒有礦井動力災害發生的能量條件。

為了描述煤巖動力系統與沖擊地壓顯現關系，構建了“煤巖動力系統與沖擊地壓顯現關系模型”，如圖1所示。

圖1 煤巖動力系統與沖擊地壓顯現關系模型

當采掘工程進入到“影響區”范圍內時，動力顯現主要以“煤炮”的形式表現出來；當采掘工程進入到“損傷區”范圍內時，動力顯現主要以“壓出、傾出”等形式表現出來；當采掘工程進入到“破壞區”范圍內時，動力顯現則表現為“沖擊地壓”；當采掘工程進入“動力核區”范圍內時，則會產生“強沖擊地壓”。

(2)煤巖動力系統區域尺度計算方法

沖擊地壓是一個復雜的煤巖動力學過程，是煤巖動力系統失穩后能量快速釋放過程。煤巖動力系統的能量主要集中在“動力核區”內，當沖擊地壓發生時，煤巖動力系統動力核內的能量得到激發，形成高強度沖擊波。沖擊波為煤巖動力系統的“破壞區”提供了強大的壓應力，沖擊波逐層破壞周邊煤巖體的同時，能量逐漸向動力核外部的“破壞區”“損傷區”和“影響區”等各區域耗散。在礦井的實際生產中，煤巖體能量的釋放、轉換、耗散等過程均是在無限介質中進行的。

榮海等基于爆破理論和Mises屈服強度準則，對沖擊地壓發生后所釋放的能量在煤巖中的傳遞和耗散過程進行了分析，得到了煤巖動力系統“動力核區”“破壞區”“損傷區”和“影響區”的區域尺度計算方法[7-9]。計算方法如式（1）～式（4）所示。

式中，R為煤巖動力系統“動力核區”半徑，m；k1為最大水平主應力與自重應力的比值；k2為垂直應力與自重應力的比值；k3為最小水平主應力與自重應力的比值；μ為泊松比；γ為上覆巖層容重的平均值，kN/m3；H為單元體所處位置的深度，m；E為煤體的彈性模量，MPa；△U為煤巖動力系統的釋放能量，J。

式中，RP為煤巖動力系統“破壞區”的半徑，m；σc為煤體的單軸抗壓強度，MPa；VP為破碎煤巖塊體的體積，m3；ρ為煤體的密度，kg/m3；σcd為煤巖體的動態抗壓強度，MPa；λ為側壓系數。

式中，RS為煤巖動力系統“損傷區”的半徑，m；σtd為煤巖體的動態抗拉強度，MPa。

式中，RY為煤巖動力系統“影響區”的半徑，m；D為煤巖體的損傷系數。

2.煤巖動力系統區域尺度計算方法在某礦的應用

(1)礦井概況

某礦位于雙鴨山市集賢縣境內，向東距雙鴨山市約40km。礦井北部與A礦接壤，南部與B礦相鄰，東部為無煤區，西部礦界外煤層埋深大于1000m。井田北部邊界為F48、F10、F4斷層及其延長線，南部邊界為F2斷層，東部邊界為煤系邊緣花崗巖和泥盆系拼合基底，西部邊界為16#煤層-900水平的垂直投影線，16#煤層以下以各煤層-900水平為界。井田南北走向長度為6.5km，東西寬度為4km，北寬南窄，井田面積為26.16km2。

該礦2003年首次發生沖擊地壓以來，有記錄的沖擊地壓現象共發生4次（有震級記錄的2次），給礦井安全生產帶來了嚴重影響。礦井歷史沖擊地壓統計見表1。

表1 某歷史沖擊地壓統計

(2)煤巖動力系統區域尺度計算

利用沖擊地壓發生時地震臺網監測的震級資料和地震學中的震級-能量公式對釋放能量進行計算，如式（5）所示。

式中，ML為地震里氏震級；△Ue為發生一次地震時釋放的能量，J。

發生一次地震時釋放的能量與煤巖動力系統的釋放能量計算方法相同，如式（6）所示。）

在該礦已發生的4次沖擊地壓現象中，已知震級的有2次。分別是2003年4月20日南二上采區17#煤層三面下料道發生的沖擊地壓現象（震級2.5級）和2009年4月6日南二下延采區18#煤層六面下料道發生的沖擊地壓現象（震級1.7級）。

將上述兩次沖擊地壓的震級代入公式（5），可得：

（1）南二上采區17#煤層三面下料道沖擊地壓釋放的能量△U1：

（2）南二下延采區18#煤層六面下料道沖擊地壓釋放的能量△U2：

由上述計算結果可知，該礦沖擊地壓的釋放能量值范圍為1.2×106～2.6×107J，兩次沖擊地壓釋放的能量均大于106J。

根據煤巖物理力學測試結果，煤巖動力系統內部巖石的單軸抗壓強度為51.61MPa，單軸抗拉強度為4.98MPa，彈性模量為27.56GPa，泊松比為0.25，巖石容重取25kN/m3；沖擊波在煤系砂巖中的波速取3300m/s。將上述物理力學參數、埋深及兩次沖擊地壓的釋放能量值分別代入式（1）～式（4），確定該礦沖擊地壓煤巖動力系統的動力核區尺度為5.51～9.31m，破壞區尺度為16.15～22.98m，損傷區尺度為97.87～165.32m。將上述兩次沖擊地壓煤巖動力系統不同區域的最大直徑范圍理論計算結果與現場沖擊地壓顯現情況進行對比分析，見表2。

表2 沖擊顯現范圍與煤巖動力系統范圍計算結果對比

由表2可知，南二上采區17#煤層三面下料道沖擊地壓煤巖動力系統破壞區范圍最大為64.58m，損傷區范圍最大為395.22m，現場巷道頂板冒落范圍為80m，底鼓量為700mm的范圍達到200m，沖擊顯現范圍介于理論計算的破壞區范圍和損傷區范圍之間；南二下延采區18#煤層六面下料道沖擊地壓煤巖動力系統破壞區范圍最大為43.32m，現場巷道破壞深度達2.0～3.2m的范圍為40m，沖擊顯現范圍與理論計算結果基本一致。現場實踐表明，沖擊地壓煤巖動力系統尺度范圍確定對該礦沖擊地壓防治具有重要指導作用。

3.結論

（1）計算得到某礦沖擊地壓煤巖動力系統的動力核區尺度為5.51～9.31m，破壞區尺度為16.15～22.98m，損傷區尺度為97.87～165.32m。

（2）南二上采區17#煤層三面下料道沖擊地壓煤巖動力系統破壞區范圍最大為64.58m，損傷區范圍最大為395.22m，現場巷道頂板冒落范圍為80m，底鼓量為700mm的范圍達到200m，沖擊顯現范圍介于理論計算的破壞區范圍和損傷區范圍之間；南二下延采區18#煤層六面下料道沖擊地壓煤巖動力系統破壞區范圍最大為43.32m，現場巷道破壞深度達2.0～3.2m的范圍為40m，沖擊顯現范圍與理論計算結果基本一致。