低抗压强度煤体工作面冲击地压危险性修正应力因数评价方法

秦 帅，刘 懿

(1.中色非洲矿业有限公司， 赞比亚 基特韦 22592;2.北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 100083)

低抗压强度煤体工作面冲击地压危险性修正应力因数评价方法

秦 帅1，刘 懿2

(1.中色非洲矿业有限公司， 赞比亚 基特韦 22592;2.北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 100083)

综合分析讨论了目前国内评价冲击地压危险性时采用的一般方法，在此基础上指出采用单轴抗压强度指标作为主要依据的应力泛定量评价法在评价矿井冲击危险性以及指导现场支护和冲击地压治理方面的优势，针对该方法在评价低抗压强度煤体工作面时存在的评价结果偏于保守，冲击危险性结论高于真实结果的问题，提出了引入应力修正因数指标对评价结果进行修正。以最新的煤体冲击倾向性鉴定国家标准为理论依据，建立了煤体单轴抗压强度与应力修正因数之间的函数关系式，完善了冲击危险性应力泛定量评价法，构建了可用于低抗压强度煤体矿井的冲击危险性评价方法，扩大了应力泛定量评价法的适用范围。

软煤；低抗压强度；冲击地压；危险性评价；修正应力因数

0 引 言

随着国民经济的飞速增长，我国对煤炭的需求量也在不断增加，然而经过多年的煤炭开采，浅部的资源越来越少，深部资源逐渐成为开采的主要目标[1]。在大采深条件下，采掘活动造成的扰动容易诱发具有冲击倾向性的煤岩体突然破坏并且大量抛出，造成巨大的人员伤亡和财产损失。然后由于地应力显现的突发性和复杂性，形成冲击地压的机理和其预评估方法一直是专家和学者们探讨的课题。

国内众多专家学者对如何评价冲击危险提出了不同的理论和方法，其中应力泛定量评价方法是由姜福兴教授提出，因其具有快速简便，易获得相关数据等特点，在我国多个省份得到广泛的应用。然而该方法的适用条件具有一定的局限性，在煤体单轴抗压强度偏低的条件下，评价的结论偏于保守，误差增大。

按照已有工程经验，松软煤体(单轴抗压强度很低的煤体)一般不具有冲击危险，在深部高应力条件下，低抗压强度煤体的矿山由于深部的高原岩应力也会存在冲击地压事故。因此，行业内急需一种能够适用于低抗压强度煤体冲击危险性评价的方法。

为扩大应力泛定量评价方法的适用范围，本文提出，在对单轴抗压强度较低煤体的工作面进行冲击危险性评价时，需要针对其低抗压强度，引入应力修正因子，保证冲击危险性评价能够更加符合实际，减少冲击危险程度的误判，避免评价区域的防冲措施制定过激，引起人力和财力的浪费，造成工人紧张情绪，耽误矿山正常生产的有序进行。

1 冲击危险性评价方法

1.1 冲击危险性影响因素

目前专家和学者们对于冲击地压发生的机理的认识尚未统一[2]，但是对于影响冲击危险性的因素大约可以划分为以下3类：

(1) 煤岩体的冲击倾向性。对于存在冲击灾害的矿山，其煤层在积蓄巨大能量以后，突然发生破坏并瞬间释放大量弹性变形能，然而在几乎相同的地质条件和技术条件下，煤层发生冲击的几率是不同的，证明各类煤层的储蓄能量和产生突然破坏的能力也不一样[3]。

(2) 地质条件。地质因素为煤岩发生冲击提供了主要力源，同一煤层在不同位置处，其受力状态是不同的[4]。地质条件因素包括开采深度、顶底板岩层结构、褶曲、断层等地质构造。

(3) 开采技术条件。开采技术条件的不同也会导致煤层内部所受的应力集中程度不同，不合理的采掘布置会导致局部煤体处于高应力状态，极易发生冲击地压[5]。开采技术条件主要包括开采方法、采掘顺序、巷道布置、采空区处理方法、煤柱布置等因素。

1.2 国内冲击危险性评价方法

冲击地压的危害是巨大的，是煤矿生产当中应当重点防治的动力灾害。为了保证生产安全，一般国内矿山都会提前对即将采掘的工作面进行冲击危险性评价，以期掌握工作面的冲击危险性，在后续生产中针对危险制定相应的防范和治理措施。

由于冲击地压的危害之大，引起了人们对煤矿安全生产的高度重视，经过多年研究，国内专家和学者在冲击地压方面已取得了很多研究成果。如窦林名等[6]针对地质因素与采矿因素对冲击地压的影响，提出了冲击地压危险性评价的综合指数法。雷毅采用数量化理论，根据所研究问题的不同目的，用数量化预测方法(Ⅰ类问题)和数量化判别方法(II类问题)建立了冲击地压危险性综合评价模型[7]。张开智等[8]根据属性识别理论，建立了有冲击危险煤岩的冲击危险程度综合评价的变权识变模型。姜谙男[9]提出了最小二乘支持向量机模式识别的冲击危险性预测方法。秦子晗等[10]提出基于模糊物元模型的冲击危险性评价方法。葛志会[11]采用模糊数学方法结合层次分析法，建立了冲击地压危险性的模糊综合评价方法。

以上学者提出的理论从不同角度评估了煤岩的冲击危险性，对实践有一定的指导作用。但现有方法基本都属于静态综合性评价，给出的是整个被评价的工作面冲击危险程度的结论，并没有针对矿山的具体现场条件，指出采掘生产过程中，工作面内部具体区域的动态冲击危险性情况，用于指导矿山制定具体的冲击地压防治措施的可操作性较低；另外，很多评价方法所用到的数据通常需要复杂的现场测量和多次实验过程才能够得到，还有些数据需要专门的测量设备和技术人员，这些要求对于一般的矿山不易达到。基于这些原因，姜福兴教授提出了将垂直应力与煤体单轴抗压强度的比值和煤层冲击倾向性指数之一的弹性能量指数两个指标用于模糊评价煤体冲击危险性[12]。通过泛定量计算工作面各个区域包括垂直应力、构造应力、超前应力、覆岩运动动压等多因素耦合叠加后煤体内部的垂直应力状态，将其与单轴抗压强度的比值作为判断冲击危险性的依据，指导矿山根据不同区域的危险程度制定不同防治措施，避免了措施过量或者不足。该评价方法已经在山东、内蒙古、黑龙江等多个省份及自治区得到广泛应用。

单轴抗压强度因其易于获得并具有一定的工程指导意义，广泛应用于煤矿开采工程中的矿压、支护及冲击地压防治。结合矿山原有的生产地质资料，应力泛定量评价法采用煤体单轴抗压强度就能够划出不同级别的危险区域，是一种快速有效的评价方法。然而该方法在用于煤体单轴抗压强度较低的矿井将出现评价结果偏于保守，冲击危险性比实际偏高的问题。针对该问题，在应力泛定量评价过程中加入应力修正过程，引入应力修正因数，保证最后的评价结果更加符合工程实际。

2 应力泛定量评价的应力修正因数

2.1 应力泛定量评价法存在的问题

应力泛定量评价法在评价冲击地压危险性时，采用矿井岩体内某一点处垂直应力与其单轴抗压强度的比值IC来判定该点处冲击危险性，如式(1)。这是在现有技术与理论条件下广泛运用于煤矿及金属矿山的评价冲击地压(岩爆)危险性的有效方法。

(1)

式中，IC为冲击危险性系数；σy为某点处的垂直应力水平；[σC]为煤、岩体的单轴抗压强度。

根据式(1)，煤、岩体的单轴抗压强度与冲击危险性系数呈反比例关系，即在垂直应力不变的条件下，单轴抗压强度减小，冲击危险性将增加。这显然需要一定的适用范围，否则就会出现与日常工程经验相矛盾的结论。例如在单轴抗压强度极低的情况下，计算所得冲击危险性系数会非常大，但显然煤岩体在极软弱的条件下是难以发生冲击危险的。因此引入应力修正因数，保证最后的评价结果更加符合工程实际。

2.2 应力修正因数

2.2.1 应力修正因数的理论依据

为了扩大应力泛定量评价方法在低抗压强度条件下的适用性，引入应力修正因数，该因数的数值应当与煤体的单轴抗压强度密切相关。建立应力修正因数与煤体单轴抗压强度之间数量关系的重点在于找到煤的单轴抗压强度与其冲击倾向性的关系。

齐庆新教授通过对多个具有冲击倾向性的矿山研究发现冲击倾向性与单轴抗压强度有着密切关系，因此提出将单轴抗压强度作为鉴定冲击倾向性的指标之一，同时给出了鉴定范围[13]。其实验结果表明，对于无冲击倾向性煤层，单轴抗压强度通常小于7 MPa；对于中等冲击倾向性煤层，单轴抗压强度为7～21 MPa；对于强冲击倾向性煤层，单轴抗压强度为13～36 MPa[12]。

根据最新的《国家标准》[14]，煤的冲击倾向性的强弱由动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能力指数及单轴抗压强度四个指数进行综合衡量，分别用DT、WET、KE和RC来表示。当DT、WET、KE、RC的测定值存在矛盾关系时，其分类可采用模糊综合评判方法，4个指标的权重分别为0.3，0.2，0.2，0.3。

按4个指标数值的大小分，煤岩的冲击倾向性看可以分为3类，见表1。

表1 煤的冲击倾向性分类

从表1可知，将单轴抗压强度指标用于评价煤体冲击倾向性，可选用7 MPa及14 MPa两个值作为区分冲击倾向性类别的分界点。若煤体的单轴抗压强度低于7 MPa，普遍认为不具有冲击倾向；若煤体单轴抗压强度高于14 MPa，认为具有强冲击倾向。在拟定应力修正因数时，借鉴了该《国家标准》的分界指标。

2.2.2 应力修正因数指标

根据《国家标准》附录A中综合评判结果表，当煤体单轴抗压强度小于7 MPa时，其他3项因素的不同组合可以使得冲击倾向性综合评判结果出现无冲击、弱冲击、强冲击3种情况。因此在实际进行冲击危险性评价时，某矿的煤体单轴抗压强度很低时，也不能认定该矿没有冲击危险性，只是在煤体单轴抗压强度逐渐趋近于0的过程中，其冲击危险性逐渐减小，逼近于无冲击危险；而当煤体单轴抗压强度很大时，由于高强度的煤体破坏前所能够承受的最大垂直应力增大，失稳破坏过程中所释放的弹性能量更大，造成的冲击事故后果更为严重，冲击危险性也相应增高，此时不存在低强度条件对于应力泛定量评价方法产生的影响效应，应力修正因数的取值应当使冲击危险性系数的表达式回归初始形态。

针对以上分析，尝试采用二次抛物型隶属函数，建立煤层单轴抗压强度σC与应力修正因数μ之间的关系见式(2)：

(2)

作出单轴抗压强度σC与应力修正因数μ的关系，如图1所示。

图1 应力修正因数隶属函数曲线

因此，将应力修正因数代入到式(1)中，得到修正后的冲击危险性系数表达式为：

(3)

以IC修正的值为1.5，2.0和2.5分别作为一般、中度和高度危险区的判别依据，相应的预警危险应力σ采用下式计算：

(4)

通过应力泛定量评价方法计算出煤体内部的垂直应力状态，即可根据式(2)和式(4)判断该点处的冲击危险性。

3 应力修正因数的应用

为验证引入应力修正因数后，采用应力泛定量评价方法评价低抗压强度煤体的矿井冲击危险性结果的合理性，选择山东某矿进行冲击危险性评价。

3.1 工作面条件

(1) 开采深度。12305工作面开采水平为-680 m，地面标高为+35 m左右，工作面标高为-839.8～-905.4 m，深度在950 m左右。

(2) 顶板岩层结构特征。12305工作面煤层老顶中砂岩，厚度9～14 m。浅灰-灰白色，石英长石为主，次圆状，分选中等，中部夹泥质条纹，显平行层理，下部见垂直裂隙发育，裂隙面全填充，此类岩层易积蓄大量弹性能。

(3) 煤的冲击倾向性。根据鉴定结果，煤层具有弱冲击倾向性，煤层顶板岩层具有强冲击倾向性，底板岩层具有弱冲击倾向性。经过单轴抗压强度试验，工作面区域内煤体平均强度为11.63 MPa。

(4) 地质构造。12305工作面范围内造复杂，两顺槽及切眼实际揭露3条断层，落差2 m以上断层1条。12305切眼外侧有2条断层对回采没有影响。工作面内含有两条隐伏断层：F106断层倾角75°，落差0～5 m，F107断层倾角75°，落差0～7 m。

12305工作面范围内存在向斜构造，两侧巷道均穿过向斜翼部应力集中区域。

3.2 冲击危险性应力泛定量评价

综合某煤矿地质资料和巷道掘进情况，造成工作面发生冲击地压灾害的原因有：

(1) 垂直应力与采动应力相互作用导致的冲击；

(2) 采动应力与构造应力相互作用导致的冲击；

(3) 坚硬顶板运动诱发的冲击；

(4) 采动应力与沿空巷道侧向支承压力叠加诱发冲击。

根据以上分析，以切眼处为坐标原点，巷道离切眼的距离为自变量，分别建立两条巷道在各项因素影响下的应力值与切眼距离的函数关系。

3.2.1 垂直地应力

根据12305工作面轨道、皮带顺槽地质剖面图，将巷道按照标高划分为几个不同的区段，采用分段函数表达每个区段的垂直应力。

3.2.2 断层构造应力

为了便于定量的分析断层两侧应力的分布状态，将断层两侧应力分布情况近似为等腰三角形分布，如图2所示。

图2 断层集中应力计算模型

计算出两条巷道受断层影响的应力分布为：

3.2.3 褶曲构造应力

取褶曲引起的应力集中程度系数为1.1，计算褶曲影响范围内的煤体应力水平。

3.2.4 侧向支承应力

12305工作面西北部12303老空区，受“S”型覆岩空间结构控制，应力较大的地区分布在接近采空区一侧的轨道顺槽附近。取侧向支承应力集中系数为1.2。

3.2.5 覆岩运动应力

根据同煤层矿压观测结果，取老顶初次来压应力集中系数为2.0，老顶周期来压应力集中系数为1.2，在其影响范围内的最大动压分别为：

根据应力增量原则，将以上各个因素影响下的垂直应力值进行叠加，作出两顺槽在回采期间煤体所受的垂直应力曲线，将煤体单轴抗压强度的1.5倍、2.0倍、2.5倍3个数值分别作为一般危险性(绿色)、中度危险性(黄色)、高度危险性(红色)的判定指标，曲线高于某一指标的区域，即为相应的危险区，划分冲击危险区域如图3所示。

3.3 引入修正因数的评价结果

将该矿3层煤单轴抗压强度11.6 MPa值代入式(4)，可计算出一般、中度、高度冲击地压危险性程度的判定线分别为18.9，25.2，31.5 MPa。冲击危险区域划分结果见图4。

图4 冲击危险区域修正评价结果

从图4中可以看出，应力泛定量法在引入应力修正因数后，对该工作面进行冲击危险性评价划分的危险区域明显减少，危险程度显著降低。

应用结果表明，引入应力修正因数可以扩大应力泛定量评估法的适用范围，保证了其在低抗压强度煤体工作面的冲击危险性评估的准确性。

4 结 论

(1) 讨论了影响煤层冲击地压危险性的因素，对现有的评价方法进行了分析，在此基础上指出采用单轴抗压强度指标作为主要依据的应力泛定量评价法在评价矿井冲击危险性以及指导现场支护和冲击地压治理方面的优势；

(2) 指出并分析了应力泛定量评价法用于评价低抗压强度煤体工作面时存在的问题，提出了采用应力修正因数来对应力泛定量评价法在低抗压强度煤体工作面应用时出现的误差进行修正；

(3) 以最新的煤体冲击倾向性鉴定国家标准为理论依据，建立了煤体单轴抗压强度与应力修正因数之间的函数关系式，完善了冲击危险性应力泛定量评价法，构建了可用于低抗压强度煤体矿井的冲击危险性评价方法，扩大了应力泛定量评价法的适用范围。对某冲击地压矿井的冲击危险性进行了评价，表明了本方法具有合理性。

需要指出的是，由于现场工程条件的复杂性，且应力修正后的泛定量评价方法并非完全基于冲击地压发生机理本质的一种评价方法，因此其用于生产实践中仍不可避免出现一定的偏差。冲击地压事故在松软煤体矿井发生的机理尚不明确，仍需要进行进一步深入的理论研究，建立完整的致灾理论体系，才能够从根本上实现冲击地压危险性的准确评估。

[1]张 农.深部煤炭资源开采现状与技术挑战[A].全国煤矿千米深井开采技术[C].中国煤炭工业协会，2013:22￣23.

[2]张 瑞.断层影响区域回采冲击危险演化规律与评价方法及应用[D].泰安：山东科技大学，2014.

[3]李宏艳.煤岩物理力学性质与冲击倾向性关系[J].煤矿安全，2011，16(3)：43￣46.

[4]彭永伟，齐庆新，毛德兵，等.回采过程中煤层冲击危险性评价方法研究[J].煤矿开采，2010，1(15)：1￣3.

[5]周坤鹏，路庆超，徐 睿，等.浅谈冲击矿压影响因素与防治技术[J].煤矿安全，2008，39(8)：94￣96.

[6]窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001.

[7]雷 毅.冲击危险性评价模型的建立及应用研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2005.

[8]张开智，夏均民.冲击危险性综合评价的变权识别模型[J].岩石力学与工程学报，2004，23(20)：3480￣3483.

[9]姜谙男.冲击地压危险性预测的最小二乘支持向量机模式识别[A].全国岩石动力学学术会议[C].宜昌：三峡大学学报，2005(A01)：4881￣4886[10]秦子晗，齐庆新.基于模糊物元模型的冲击危险性评价[A].全国冲击地压研讨会暨全国煤矿安全、高效、洁净开采技术新进展研讨会论文集[C].2008：209￣213.

[11]葛志会，肖福坤，段立群，等.冲击矿压危险等级预测[J].煤炭技术，2010，29(11)：100￣102.

[2]姜福兴，王存文，叶根喜，等.采煤工作面冲击地压发生的可能性评价方法研究[A].全国冲击地压研讨会-煤矿高效开采与冲击地压新技术[C].徐州:中国矿业大学出版社，2008：91￣96[3]齐庆新，彭永伟，李宏艳，等.煤岩冲击倾向性研究[J].岩石力学与工程学报，2011 (S1)：2736￣2742.

[4]GB/T 25217.2-2010.冲击地压测定、监测与防治方法：第2 部分煤的冲击倾向性分类及指数测定方法[S].北京：中国标准出版社，2010.