冲击危险性影响因素分析

张博 张连鹏

摘 要：煤岩体冲击倾向性和矿井冲击危险性研究是煤矿灾害防治领域重要研究课题之一。本文综合考虑煤岩体变形过程中的能量效应和时间效应，提出了有效冲击能量释放速度指数（WDT）的煤岩体冲击倾向性指标，在此基础上，利用多元统计分析方法，考虑有效冲击能量释放速度指数 WDT和煤层埋深 H、上覆厚硬岩层影响系数 K、应力集中系数 λ四个因素，建立了矿井冲击危险性评价数学模型 W ij（X），数学模型把矿井冲击危险性分为强冲击、中等冲击和弱冲击 3 个危险等级。通过样品回判和待判样品判别结果验证了该数学模型的准确性和可操作性，研究结果可为相关决策人员提供技术指导和理论依据。

关键词：冲击地压；危险性影响因素；数学模型

一、引言

能源是人類赖以生存和发展的基础，煤炭作为我国的主要能源在国民经济和社会发展中占有举足轻重的地位。随着我国城市化和工业化进程加快，国民经济快速发展，煤炭消费需求量大幅增长，煤矿开采速度和开采深度不断增加，井下开采条件越来越复杂，冲击地压动力灾害现象越来越频繁，造成的危害也越来越严重。

如何治理深部条带开采冲击地压问题己经成为采矿学科的重大问题，许多专家、学者在冲击地压发生机理、表现形式、预测方法及治理手段上进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。但对于深井条带开采冲击地压发生机理尚未完全认清，尤其是对于深井条带开采区域周边冲击频繁、条带煤柱易整体失稳、后续开采条带易发生大面积冲击的现象没有建立科学的认识，也没有形成针对深井条带开采这一特殊条件下的冲击地压防治技术体系和安全开采设计方法。现有冲击地压理论及防治技术己经不能完全满足深井条带开采冲击地压防治要求，严重制约着我国深井条带开采冲击地压矿井的安全生产。

二、有效冲击能量释放速度指数

1、数学表达式

综合考虑冲击能量效应和时间效应，笔者提出有效冲击能量释放指数的煤岩体冲击倾向性指标，定义为有效冲击能量与冲击时间的比值，其数学表达式为：WDT=（W- WX）/DT （1）

其中，W 指煤岩体中聚集的总能量；WX指煤岩体破坏过程中消耗的能量（包括煤岩体破坏消耗能量WP、冲击产生的光、热和声能 WZ以及煤岩体塑性变性所吸收的能量 WS）；DT 指动态破坏时间。W - WX即有效冲击能量 WY，它最大限度的表述了煤岩体破坏过程中能量转变和能量贮存的性质。

2、参数的获得

有效冲击能量和能量释放时间可通过煤岩体单轴压缩力学试验获得。

（1）有效冲击能量 WY的获得中指出冲击能量为煤岩试件在单轴压缩状态下，应力应变全过程曲线中峰值前积蓄的变形能。

但我认为该指标未考虑峰值前煤样塑性变形能的损耗，利用该指标作为煤层冲击倾向性的判别会造成结果偏高。图 1 为煤样单轴压缩全程应力—应变曲线，其中峰值前积聚的变形能为 W12+ W22部分，W3为峰值后耗损变形能。根据式（1）中参数概念，可知：W12对应煤岩体塑性变形所吸收的能量 WS；W3对应煤岩体破坏消耗能量 WP与冲击产生的光、热和声能WZ的和，即W3= WP+ WZ；那么 W22即为有效冲击能量 WY。因为W12+ W22和 W3容易求得，因此问题转变为如何合理估算煤样的峰值前塑性变形所消耗的能量 W12。

将图 1 中煤样单轴压缩全程应力 - 应变曲线进行以下两方面的合理简化和假设：

①将加载曲线 OABC简化为直线 OC，也就是假设峰值前的加载曲线以线弹性阶段为主；

②煤样在峰值前弹塑性段卸载曲线简化为与原来塑性应变 ε1和 ε2相等的直线，且从 B 点和峰值点 C点的卸载曲线 BE 和 CF 斜率相等，假设煤样

在进入塑性阶段后，煤样产生的不可逆的塑性变形随应力和应变的增加而成正比增加。简化后的模型见图 2。根据简化后的煤岩体单轴压缩全程应力—应变曲线，可得以下关系式：ε2= ε4·ε1/ε3 （2）

式中，ε2为煤样达到峰值应力时的塑性应变；ε4为煤样达到峰值应力时的总应变；ε1为煤样在峰值前应力达到 σB（平均破坏载荷的 75%～85%）时的塑性应变；ε3为应力为 σB时的总应变。

三、矿井冲击危险性评价数学模型

冲击地压危险综合指数法把冲击地压影响因素分为地质因素和开采技术因素，但从根本考虑冲击地压发生的原因可归结为煤岩体的冲击倾向性和煤岩体所处应力场的环境。因此论文综合考虑有效冲击能量释放速度指数 WDT和煤层埋深 H、上覆厚硬岩层影响系数 K（岩层厚度与该岩层到煤层距离的比值）、应力集中系数 λ 四个因素，利用多元统计分析方法建立了冲击地压危险性评价的数学模型。

该冲击危险性评价模型综合考虑有效冲击能量和释放时间两个因素的基础上建立的，可对具有潜在冲击危险的矿井或区域进行冲击危险性等级进行划分，分为强冲击、中等冲击和弱冲击倾向性 3 个等级，有助于矿井相关技术人员针对防冲减灾制定相应的措施。

四、结束语

冲击地压是制约我国煤矿向深部开采的重大难题之一，冲击地压危险性评价需要综合考虑煤岩体的冲击倾向性和其所处的应力场环境，而煤岩体的冲击倾向性需要综合考虑能量效应和时间效应。利用多元统计分析方法建立了冲击地压危险性评价的数学模型，该数学模型在综合考虑有效冲击能量和释放时间两个因素的条件下，针对具有冲击倾向性的矿井或区域进行冲击危险性划分，有助于防冲减灾措施决策。

参考文献

[1]方新秋，窦林名，柳俊仓，等.大采深条带开采坚硬顶板工作面冲击地压治理研究[J].中国矿业大学学报，2006，35（5）：602 - 606.

[2]高明仕.冲击地压巷道围岩稳定性控制研究进展及展望[A]：煤炭开采新理论与新技术论文集[C].中国煤炭学会开采专业委员会，2012：185 - 193.