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

新建煤矿位于七台河矿区西北部，始建于1958年，东西走向长10.9公里，南北宽约4.5公里，井田面积49.2平方公里。新建矿目前没有发生過冲击地压事故，但新建煤矿已进入深部开采，最大开采深度已超过500米，将会面临高地应力和采动应力以及局部支承压力的叠加影响，危险性大大增加。为保证安全生产，已对85、90、91、95和98层等五层进行鉴定，对过断层、停采线区域和回采和准备工作面下巷、工作面老顶初次来压和周期来压等加强管理。

开拓方式为立井与斜井的综合开拓方式，均为全岩巷道，均布置在低应力区;煤层开采顺序为下行式开采，先采上煤层，后采下煤层;采区主要巷道与硐室都布置低应力区;采煤方法为走向长壁后退式，采煤工艺为高档普采和综采，顶板管理采用全部垮落法，采后备采用锚索及石墙维护，不留区段煤柱;所有采空区不留设煤柱。

新建矿对近几年内回采煤层按规定进行冲击倾向性鉴定及冲击危险性评估，85层、90层、91层、95层、98层五层煤冲击倾向性鉴定，85层、90层及91层顶板煤层鉴定为弱冲击倾向性、底板无冲击倾向性，95层和98层顶板鉴定为弱冲倾向性、煤层及底板无冲击倾向性。

成立了以行政矿长为组长的防冲组织机构，设有防治冲击地压科，负责监测及措施实施指导工作。编制了新建煤矿防治冲击地压管理制度及组织机构成员岗位责任制。在建立微震监测系统同时，使用电磁辐射仪（KBD5）及煤岩动力灾害声电监测仪（YDD16）等装备进行局部监控。

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。

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.

（作者单位：龙煤集团七台河矿业公司新建煤矿）