沿空工作面冲击危险性动态权重评价方法研究

秦子晗

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013； 2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013)

沿空工作面是指当前工作面沿着上区段已回采的工作面采空区布置，通过留设煤柱的形式保障当前工作面不受邻近采空区内水及有害气体的影响。随着工作面的顺序开采，几乎所有工作面都面临着沿空回采的问题，由于上区段工作面已经回采，所以沿空工作面在回采过程中会受到本工作面采动应力和上区段采空区侧向支承压力的叠加影响。对于煤层及顶底板具有冲击性的工作面，在沿空回采时产生的应力集中很可能导致冲击地压的发生。近年来，煤矿冲击地压事故发生在沿空工作面的屡见不鲜，如古山煤矿的069-2工作面，宽沟煤矿的1403工作面等。

因此，对于具有冲击地压矿井，迫切需要针对沿空工作面的冲击地压影响因素及冲击危险程度进行分析。本文以某矿2310工作面为例，通过对沿空工作面冲击危险影响因素的分析，采用数值模拟和动态权重评价方法对该工作面的冲击危险程度进行评价。

1 工程概况

某矿2310工作面位于230采区，工作面底板标高为-921～-673m，地面标高为+36.2～+36.9m。东面5m处为已回采结束的2309工作面,北、西两面均为未开拓的实体煤区,工作面位置关系如图1所示。

图1 2310工作面位置关系

所采煤层为3上煤,平均厚4.6m。直接顶为泥岩，厚度2.9m，抗压强度为30MPa，属不稳定顶板。基本顶为细砂岩，厚度12.55m，较坚硬，抗压强度为50MPa，属较稳定顶板。底板自上而下为泥岩和细砂岩，分布变化较大，直接底为不稳定底板。

2 冲击影响因素分析

根据冲击启动理论冲击地压的发生主要是集中动载荷和集中静载荷或两者共同作用的结果[4]。

2.1工作面集中静载荷影响因素

冲击地压启动过程中的集中静载荷主要为采动围岩中的集中压缩弹性能和顶底板(岩层)弯曲断裂前产生的集中弯曲弹性能。而造成冲击煤体中积聚静载的原因很多，大致可分为两类：一是地质条件造成的静载集中；二是由于工作面回采引起的静载集中。主要影响因素如下：

(1)开采深度 2310工作面巷道底板标高为-921.0～-673.0m，地面标高为+36.2～+36.9m， 2310工作面埋深为700～950m。就开采深度而言，该工作面已完全达到了冲击地压发生的埋深条件。

(2)煤岩层的力学性质 煤岩层的冲击倾向性是指煤岩体具备产生冲击破坏的能力，是煤岩体的一种固有属性。经测定， 3上煤层属于3类，为具有强冲击倾向性的煤层；3上煤层顶、底板属于2类，为具有弱冲击倾向性的岩层。

(3)地质构造 根据三维地震勘探资料分析，2310工作面地质条件较复杂，受地质构造尤其是断层影响较大。工作面开采范围内分布有CF21，F2310-4，CF46正断层等，因此，在构造区域可能出现应力增高或急剧变化的现象。

(4)采掘顺序 2310工作面上下均未有可采煤层，因此，无法通过进行保护层开采来对3上煤层进行卸压保护。邻近的2309工作面已回采，其采空区边缘存在的应力增高区域将对2310工作面煤体内的应力分布产生影响。

2.2 工作面冲击地压动载影响因素

冲击地压启动时所需动载荷，以采场大面积直接坚硬顶板断裂或上覆高位坚硬顶板断裂、底板断裂、井下爆破产生的瞬间集中压缩弹性能为主，其影响因素主要为顶板岩性及活动规律。

(1)顶板冲击倾向性 2310工作面上覆基本顶厚度平均为13m，成分以石英为主，直立裂隙发育充填方解石，抗压强度为50MPa，属稳定顶板。冲击倾向鉴定，3上煤层顶板具有弱冲击倾向性。

(2)巨厚坚硬岩层 3上煤层上方存在2层细砂岩顶板，厚度分别为12.55m和16.89m，距离煤层垂直距离为2.9m和15.4m。两层顶板相邻，是2310工作面开采的关键层顶板。但根据邻近2309工作面现场观测发现，上述两层顶板由于节理发育，冒落性较好，而由矿井监测数据分析，其周期来压强度并不明显。

(3)开采方法 2310工作面采用综采一次采全高方法，该方法推进速度较快，工作面较长，顶板暴露面积较大，产生大面积悬顶的可能性较高，存在一定的冲击危险，因此在回采过程中应加强顶板活动的监测，并提高工作面支架初撑力和超前支护强度。

(4)顶板管理方式 2310工作面采用全部垮落法管理顶板。从已采2309工作面最新的地表岩层观测结果来看，地表岩移观测线最大下沉值为1350mm，由此推断，2310工作面在推进过程中，顶板垮落情况较充分，充填效果也较好。但随着开采面积的进一步增大，在工作面推进至两面见方、三面见方和四面见方阶段，可能出现顶板的大面积垮落，诱发冲击地压。

根据以上分析并结合冲击启动理论判断，两类因素中对集中静载荷发生作用的因素较多，其危险程度相对较高；而动载荷的影响因素中，根据现场观测，在开采过程中顶板垮落及时，后方并未出现顶板悬顶现象，因此产生集中动载荷的相对危险程度较小。

3 沿空工作面受力状态分析

当工作面一侧采空后，在区段煤柱上方的顶板垮落形态一般如图2所示。

图2 一侧采空后顶板垮落形态

上区段采空区对本工作面的影响主要表现在侧向支承压力的影响，而支承压力的影响程度及范围则与采煤高度、采空区内冒落情况、基本顶岩层断裂特征及煤柱宽度等多因素相关联。根据上述情况，结合2310工作面地质条件及煤层顶底板物理力学特性，对沿空工作面在开采时的应力分布情况进行数值模拟。

通过FLAC3D数值模拟计算，邻近工作面采空后，其产生的侧向支承压力直接影响2310工作面内煤体的应力变化情况，当工作面推进时，其超前支承压力与侧向支承压力相叠加，产生了较高的应力集中现象，尤其是位于工作面下端头的三角区域，应力集中非常明显。沿工作面倾向来看，工作面轨道巷附近受力情况要高于胶带巷，且轨道巷上帮煤体内存在较高的应力集中。

为分析采动过程中的煤体应力变化情况，将煤体内的应力值进行了提取，绘制成曲线，如图3。

图3 工作面应力分布曲线

从2310工作面倾向来看，应力分布比较明显，在位于轨道巷下帮下的采空区内，应力分布最小，在5m小煤柱内，应力略有增加，但仍处于低应力区。在距轨道巷上帮8m左右的煤体内，应力达到了最高。在靠近胶带巷的煤体内，应力变化并不明显，胶带巷围岩内的应力分布虽然增大，但相对较为缓和。因此，从工作面倾向来看，轨道巷围岩所受应力仍高于其他位置。

4 沿空工作面的动态权重评价

根据前文中对2310工作面潜在冲击地压影响因素的分析并结合数值模拟中的采动应力分布情况，采用动态权重法对2310工作面冲击危险性进行评价。

4.1 评价指标确定及隶属度计算

2310工作面冲击危险性评价指标及指标分级情况如表1所示。

表1 冲击地压的评价指标分级

确定评价指标后，根据分级情况对评价指标的隶属度进行计算，本文选择的是正态隶属函数进行计算。计算公式如下：

(1)

将指标值代入即可求得指标隶属度。对于定性指标，其所对应的级别隶属度取1，其他级别隶属度取0。经计算得到两类因素的隶属度矩阵R。

4.2 指标权重计算

采用层次分析法确定指标的属性权重与等级权重，再运用最小信息熵原理把属性权重和等级权重综合为综合权重，进而建立冲击地压评价的动态权重模型。层次分析法的计算过程如下：

(1)首先通过评价指标的两两比较，得出判断矩阵A。

(2)

式中，aij表示元素i与元素j相对重要度之比，由专家和现场技术人员给定；n为指标个数。

(2)求判断矩阵A每行之积mi

(3)

(3)计算mi的n次方根

(4)

通过上述方法，计算得到各指标的属性权重。

同样由上述方法求得不同等级的权重，根据每个指标实际所属的级别，确定该指标的等级权重。

(5)

式中，n为指标个数。

由公式(5)求得各指标的综合权重如下：

W自然=[0.120 0.204 0.158 0.147 0.142 0.109 0.119]，W开采=[0.165 0.142 0.244 0.237 0.212]

4.3 评价结果计算

根据模糊综合评判方法，将隶属矩阵与权重进行加权相乘，得到冲击危险的评判结果B。

B=W·R

(6)

由此求得两类因素的冲击危险隶属结果：

B自然=[0 0.525 0.111 0.364]

B开采=[0.051 0.735 0 0.214]

对地质因素和开采因素的评价结果进行模糊加权计算，两者权重各取0.5。计算结果为：

B综合=[0.025 0.630 0.055 0.290]

按照置信度识别原则分析所得结果，设置信度λ=0.6，计算公式如下：

(8)

计算得k0=2，由此得到2310工作面的冲击危险性评价等级结果为II级，为弱冲击危险等级。

4.4 工作面冲击危险区域划分

根据2310工作面冲击危险因素的分析及工作面的冲击危险评价结果，针对工作面回采过程中的顶板、构造及煤柱等多因素影响区域进行了耦合叠加，确定2310工作面存在16个危险区域，其中一般危险区域4个，中度危险区域5个和高度危险区7个，具体位置如图4所示。当工作面推进至危险区域时，应针对危险区域内的所有巷道及采场加强

图4 工作面冲击危险区域划分

监测，并及时做好卸压解危措施。

5 结束语

(1)根据冲击启动理论，确定了集中静载荷和集中动载荷的影响因素，根据2310沿空工作面地质及开采情况，分析并判断2310工作面中冲击地压的发生以集中静载荷为主要影响因素。

(2)利用FLAC3D数值模拟软件，对2310工作面邻近采空区的开采环境进行了模拟，并对该工作面沿空开采时煤体内的应力分布情况进行了分析，工作面前方煤体受到邻近采空区侧向支承压力及采动超前支承压力的影响，下端头区域应力集中明显，冲击危险性较大。

(3)采用动态权重评价方法，避免了危险指标被其他指标中和的现象；对评价结果采用置信度识别原则，使得评价结果更具客观性。通过该方法评价，得到2310工作面冲击危险性为弱冲击危险。目前，2310工作面回采过程中，除发生较小煤炮外，并未发生冲击显现情况，所监测到的微震事件能量均低于104J，因此评价结果与现场情况基本一致，具有较高的准确性。

[参考文献]

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[2]秦子晗，彭永伟.基于动态权重的区域冲击危险性评价方法研究[J].煤炭科学技术，2011，39(10)：18-21.

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