采煤工作面冲击地压发生的可能性评价方法研究

第三编冲击地压监测与预测技术采煤工作面冲击地压发生的可能性姜福兴１评价方法研究‘．王存文・叶根喜・张广文ｚ张士斌ｚ桂兵２（１．北京科技大学土木与环境工程学院北京１０００８３；

２．兖州煤业公司济宁３号煤矿山东济宁２７３５００）

摘要：通过研究诱发冲击地压的主要因素，以“采动应力”和“煤层冲击倾向性”为主要指标，采用模糊数学方法，提出了采煤工作面冲击地压发生的可能性指数评价方法，以及该方法与构造诱发冲击地压评价相结合的冲击地压发生的可能性评价方法。为了能够得到煤柱应力场分布，文中采用有限元方法计算了某工作面不同宽度煤柱的应力分布，为评价煤柱发生冲击地压的可能性提供了力学依据。经过十多个煤矿的应用和检验，证明本文提出的方法简单实用，比较准确地划分了危险区，为提前采取预防性措施提供了依据。关键词：煤矿；长壁工作面；冲击地压；冲击可能性评价；可能性指数

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ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｉｎｄｅｘ

基金项目：国家自然科学基金项目（４０６７４０１７）（５０７７４０１２）资助。・９】・煤矿高效开采与冲击地压新技术在新建煤矿和初步呈现动力现象的煤矿，除需要进行煤岩冲击倾向性测验外，工程技术人员更关心的是采煤工作面发生冲击地压的可能性，特别是哪些区域是最危险的区域，需要提前采取预防性措施和加强监测预报。国内外研究人员和机构已经提出了很多评价冲击地压危险性的方法ｎ卜。３，取得了较好的效果，但是，现场普遍感到理论性太强、使用起来比较麻烦，不易掌握，导致推广困难。本文在冲击地压防治理论研究和工程总结的基础上，试图抓住影响冲击地压发生的主要因素，采用简单、实用的方法，对采煤工作面冲击地压发生的可能性进行初步评价，为确定危险区和提前采取预防性措施提供依据。。一本文提出的方法已经在十多个煤矿得到应用。

Ｉ诱发冲击地压的主要因素分析・・冲击地压的发生与否，主要取决于煤岩体的冲击倾向性、开采区的应力水平、关键岩层的运动以及构造活化四个主要因素。而已经监测鉴定为具有冲击倾向性的煤层或岩层是否发生冲击地压，则主要取决于下列三类机理是否单独或同时起到诱发冲击地压的作用：（１）冲击应力场机理冲击应力场机理包含以下内容：开采过程中形成的采动应力是否达到能够诱发冲击地压的应力水平；是否存在高应力差以及高应力差值的大小；采动应力场的动态分布规律。（２）关键岩层运动机理这里的关键岩层是指其运动可能诱发冲击地压的岩层或岩层组，也可称其为冲击性岩层。冲击性岩层分为单一岩层和组合岩层两类，因此，需要研究单一冲击性岩层的运动效应和组合岩层空间结构的运动效应。（３）冲击性构造活化场机理构造活化是诱发冲击地压的重要因素。例如，相邻的工作面或煤矿发生矿震与向斜构造或断层关系密切，工作面接近这些构造时，必须提前做好卸压和防范工作。综合上述（１）、（２）、（３）的研究结果，可以对冲击地压发生的可能性做出初步的评价。

２冲击地压发生的可能性指数评价方法冲击地压危险区的危险程度受到很多因素的影响，但是，应力状态和煤岩体的性质是最主要的因素，因此，本文提出的评价方法中，以冲击地压发生的可能性指数诊断法为基本方法，以构造分析、工程类比等为辅助方法进行综合研究。基本步骤如图１所示。

图Ｉ冲击地压发生的可能性评价方法示意图冲击地压发生可能性指数诊断法的基本内容和步骤为：①估算或计算采动应力场分布规律；

・９２・第三编冲击地压监测与预测技术②测试煤岩体的冲击倾向性；③计算应力和冲击倾向性各自对“发生冲击地压”事件的隶属度；④计算冲击地压发生的可能性指数；⑤诊断某一点冲击地压发生的可能性。２．１估算或计算采动应力场分布规律准确计算采动应力是困难的，根据大量理论和监测研究，可以近似地认为，应力集中系数为２（在放顶煤采场，如果出现较大塑性区，则可取１．６～Ｌ８；如果塑性区很小，仍取２），这样可以作为采动应力诱发冲击地压的基本应力条件。当然，在顶板出现来压或采空区见方等特殊条件时，不能以应力集中系数为２作为采动应力的计算依据。当有条件进行数值计算时，可以建立数学模型进行比较准确的应力计算。２．２测试煤岩体的冲击倾向性按照我国和国际通行的规范，进行煤岩冲击倾向性测定，作为评价的基础数据。在没有条件测试的情况下，可以根据类比确定煤岩冲击倾向性，特别是煤层的Ｗｅｔ值。２．３计算应力和冲击倾向性各自对“发生冲击地压”事件的隶属度由于冲击地压发生的条件复杂，在目前的技术水平下，不可能做到十分精确的计算，因此，采用模糊数学的方法对冲击可能性进行评价。设“应力”和“煤层冲击倾向性”为诱发冲击地压的因素，则应力对“发生冲击地压”事件的隶属度Ｕ，的计算公式为：ｒ０．５Ｉ。，Ｉ。≤１．０Ｕ，一．｛ｆ。一０．５，１．０＜Ｉ。＜１．５（１）

。【１．ｏ，Ｉ。≥１．５

式中，ｊ。＝志，．Ｈ／［仉］，其中，ｋ为应力集中系数，一般取２，煤柱区则另行计算；ｒ为岩石密度，Ｎ／ｍ３；Ｈ为采深，ｍ；［仉］为煤层单向抗压强度，ＭＰａ。公式（１）中的表达式是根据经验和多个煤矿检验后确定的。例如，如果某工作面志＝２，ｒ＝２．５Ｘ１０４Ｎ／ｍ３，Ｈ一８００ｍ，煤层的［仉］＝２０ＭＰａ，则Ｉ。一２。根据经验，ｆ。一定要大于１－５后，才能有效地破坏煤层，当ｆ。一２时，表明采动应力已经达到了可能诱发冲击地压的应力水平，采动应力对“发生冲击地压”事件的隶属度为Ｕ，．一１。但是否一定发生冲击地压还需要看煤岩的冲击倾向性。冲击倾向性对“发生冲击地压”事件的隶属度计算公式为：ｒＯ．０５ｗ。。，Ⅳ。。≤２．０ＵⅣ．＝．｛０．１３３Ｗ。。＋０．３３３，２．０＜Ｗ。。＜５．０（２）【１．０，Ｗ。。≥５．０式中，Ｗ。。为冲击倾向性指数。式中的表达式根据ｗ。。国际通行的标准得到。如果上述工作面煤层的Ｗ。。值为４，则ＵⅣ．．＝０．１３３Ｗ。。＋０．３３３－－－－０．８６。２．４计算冲击地压发生的可能性指数我们定义包含“应力”和“煤层冲击倾向性”隶属度的综合指数为冲击地压发生的可能性指数【，，且近似地认为两者对冲击地压的影响同样重要，则可能性指数【，可以表达为Ｕ一（【厂Ｊ＋ＵⅣ）／ｚ（３）

即上述工作面的冲击地压发生的可能性指数【，一（ＵＪ，＋Ｕｗ。）／２＝０．９３。２．５诊断某一点冲击地压发生的可能性为了能够直观地界定工作面某一点发生冲击地压的可能性，初步采用表１的指数分区指标和与可能性的对应关系。

・９３。