多因素应力叠加冲击危险性评价应力增量取值实测分析

孙立田，孔 贺，张立明，田国庆，李登月

(1.肥城矿业集团矿业管理服务有限公司双合煤矿，山东 济宁 272600；2.北京安科兴业科技股份有限公司，北京 100083；3.北京安科兴业矿山安全技术研究院有限公司，北京 102299；4.山东安科兴业智能装备有限公司，山东 济南 250002；5.山东双合煤矿有限公司，山东 济宁 272600)

冲击地压是世界范围内井工煤矿开采中遇到的严重动力灾害，对煤矿安全高效开采构成严重威胁，威胁矿井职工生命安全[1-6]。为了有效地控制冲击地压事故的发生，国内外诸多专家学者在冲击地压防控方面开展了大量研究，取得了大量研究成果。例如，窦林名等[7]研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件，系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理，并分析了煤矿动静载特征，根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定。潘俊锋[8]以冲击地压物理演化过程分解为突破口，采用理论与工程案例结合的方法，着重对冲击地压的冲击启动原理进行了分析，在补充完善冲击地压启动理论的基础上，建立煤矿冲击地压启动理论及其成套技术体系。夏永学等[9]采用微震和地音监测系统对千秋煤矿煤岩震动信息进行了联合监测，研究确定了千秋煤矿评价冲击危险性的微震和地音指标。姜福兴、谭运亮等[10-12]为解决复合动力灾害危险性实时预警的难题，通过研究煤矿复合动力灾害发生机理和发生前兆的关联性，提出了针对复合动力灾害危险性的临场预警、中期预警以及远期预警的关键监测参数理念，研究开发了冲击地压综合监控预警平台；同时提出了一种基于自重应力基础之上叠加各个冲击危险性因素产生的应力增量的冲击危险性评价方法，该方法能使回采工作面冲击危险评价更趋量化，从而提高评价结果准确性。

冲击危险性预评价，划分冲击危险区及危险等级，可以指导工程现场针对不同的冲击危险区采取相应的防治措施，是避免冲击地压事故发生的重要途径之一。姜福兴等[11]提出了一种基于应力叠加的工作面冲击危险性评价方法，该方法通过建立坐标系，在坐标系内对所有冲击地压影响因素引起的应力增量进行叠加估算，可以通过多因素耦合叠加估算得到煤体总应力，进而实现工作面冲击危险区趋于定量化的预评价。该方法已在我国近百个冲击地压矿井应用，为现场冲击地压的防治提供了指导，效果良好。但是，该方法中应力增量的确定，尤其是构造应力增量、采动应力增量、见方区域应力增量的确定多为工程经验。研究成果[13-16]在冲击地压理论发展方面做出了有益探索，且主要集中在冲击地压危险性监测方面，结合现场监测参数并反馈于冲击地压危险性评价方面仍存在一定不足。本文针对文献[11]中应力增量确定中存在的不足，通过现场布设应力监测测点，对不同冲击地压影响因素下最大应力增量进行监测分析，探索了不同影响因素下最大应力增量，可为相邻工作面及条件相似工作面冲击危险性评价提供参考。

1 工作面概况

1.1 工作面地质及开采技术条件

双合煤矿主采3煤层，工作面平均采深约900m，工作面一侧为实体煤，一侧为采空区，区段煤柱设计宽度为5m，煤层平均厚度3.3m，单轴抗压强度为1.56MPa，工作面巷道内断层落差不大于10m。现场安装了煤体应力监测系统，测点按深浅孔布置(8m和14m)，测点组间距约25m，每条巷道布置11组，监测工作面超前约250m范围内煤体应力变化，推采速度控制在2.4m/d，且已完成安全回采，工作面测点布置及预评价冲击危险区划分结果如图1所示。

图1 应力测点布置及预评价危险区划分结果

1.2 工作面基于多因素应力叠加的冲击危险性评价

工作面存在断层地质构造，断层落差不大于10m，其中预评价结果重点对工作面回采过断层地质构造、覆岩结构演化期间进行了分析评价，综合工作面回采期间冲击地压影响因素，判定回采期间两顺槽初次来压、工作面见方、过断层期间为强冲击地压危险区，其余区域为中等冲击地压危险区，在危险区划分上工作面两巷差异性较小。

2 基于应力监测的应力增量分析与评价优化

2.1 基于应力监测的应力增量分析

工作面回采期间冲击地压主要受到上覆岩层自重应力、采动应力、采空区覆岩传递应力、断层构造应力等影响，在工作面回采过程中存在一种或多种影响因素叠加的情况。通过冲击地压影响因素分析，划分了五种类型，见表1。不同冲击地压影响因素影响区域均布置了应力监测测点，可以实现工作面回采过程中煤体应力变化量实时监测。

表1 不同冲击地压因素叠加区域统计表

2.1.1 类型Ⅰ下应力监测曲线统计

在初始打压值均为5MPa前提下，为得到工作面见方、采空区覆岩传递应力、采动应力、断层构造应力叠加影响下应力变化量，统计了该区域内多个应力测点的应力曲线，经分析发现轨道巷9深孔应力曲线具有代表性，如图2所示。

图2 类型Ⅰ下应力监测曲线

通过工作面见方、采空区覆岩传递应力、采动应力、断层构造应力叠加影响下数据统计发现应力最大值为14.4MPa，该类型下叠加应力增量为9.4MPa。

2.1.2 类型Ⅱ下应力监测曲线统计

为得到采空区覆岩传递应力、采动应力、断层构造应力叠加影响下应力变化量，统计了该区域内多个应力测点的应力曲线，经分析发现轨道巷14浅孔、12(补)浅孔应力曲线具有代表性，如图3所示。

图3 类型Ⅱ下应力监测曲线

通过统计分析侧向支承压力、采动应力、断层构造应力叠加影响下轨道巷14浅孔最大值为12.2MPa，应力增量为7.2MPa；轨道巷12补浅孔最大值为11.6MPa，应力增量为6.6MPa，平均应力增量为6.9MPa。

2.1.3 类型Ⅲ影响应力曲线分析

为得到采动应力、工作面见方影响下应力变化量，统计了该区域内多个应力测点的应力曲线，经分析发现运输巷13深、浅孔应力曲线具有代表性，如图4所示。

图4 类型Ⅲ下应力监测曲线

统计得到采动应力、工作面见方叠加影响下运输巷13浅孔最大值为12.2MPa，应力增量为7.2MPa；运输巷13深孔最大值为10.1MPa，应力增量为5.1MPa，平均应力增量6.15MPa。

2.1.4 类型Ⅳ下应力监测曲线统计

为得到采动应力、采空区覆岩传递应力叠加影响下应力变化量，统计了该区域内多个应力测点的应力曲线，经分析发现轨道巷5深孔、6深孔应力曲线具有代表性，如图5所示。

图5 类型Ⅳ下应力监测曲线

基于采动应力、采空区覆岩传递应力叠加影响下轨道巷5深孔最大值为10.1MPa，应力增量为5.1MPa；轨道巷6深孔最大值为10.7MPa，应力增量为5.7MPa，平均应力增量为5.4MPa。

2.1.5 类型Ⅴ下应力监测曲线统计

为得到采动影响下应力变化量，统计了该区域内多个应力测点的应力曲线，经分析发现运输巷11深、浅孔应力变化曲线具有代表性，如图6所示。

图6 类型Ⅴ下应力监测曲线

基于工作面运输巷采动影响下测点应力增量分析发现，工作面采动影响下运输巷11深孔应力最大值为10.1MPa，应力增量为5.1MPa；运输巷11浅孔最大值为7.1MPa，应力增量为2.2MPa，平均应力增量为3.65MPa。

通过对不同类型下应力测点最大应力增量分析，估算得到了单一影响因素下最大应力增量，见表2。

表2 不同类型下应力数据

通过上述统计分析，在同一工作面测点初始压力均为5MPa前提下，统计得到采动应力、采空区覆岩传递应力、断层构造应力和工作面见方叠加影响下煤体最大应力增量为9.40MPa；采空区覆岩传递应力、采动应力、断层构造应力叠加影响下煤体最大应力增量为6.90MPa；采动应力和工作面见方叠加影响下煤体最大应力增量为6.15MPa；采动应力和采空区覆岩传递应力叠加影响下煤体最大应力增量为5.40MPa；采动影响下煤体最大应力增量为3.65MPa。基于多因素应力叠加评价方法和不同区域煤体应力变化量实测分析，得到采动影响下应力增量系数取值1.73，断层应力增量系数1.3，采空区覆岩传递应力采空区覆岩传递应力增量系数1.35，见方影响下应力增量系数为1.5。

2.2 工作面评价结果优化

通过统计工作面不同冲击地压影响因素下的煤体相对应力曲线，同时结合矿压显现情况和钻屑检验数据，实现了冲击地压危险区优化调整，基于现场实测的单工作面见方期间钻屑检验数据曲线如图7所示，优化后冲击地压危险区划分如图8所示。

图7 钻屑检验数据曲线

图8 基于现场实测的冲击地压危险区划分

对比图7(a)和图7(b)钻屑检验数据可知，轨道巷侧统计7组钻屑检验数据，其中4组出现吸钻情况，统计期内吸钻占比57%；运输巷侧无吸钻情况，仅出现2组见矸情况。基于钻屑检验揭示的轨道巷侧煤体应力高于运输巷侧。

轨道巷侧在采空区覆岩传递应力、采动应力、覆岩结构演化叠加影响下井下矿压显现较大，主要表现为现场煤炮和钻检吸钻情况，因此判定沿空侧该区域为强冲击地压危险区；在采动应力、采空区覆岩传递应力、断层构造叠加影响下同样出现了矿压显现较大情况，因此判定为强冲击地压危险区。在运输巷侧采动应力和覆岩结构演化叠加影响下井下矿压显现较轨道巷侧低，主要表现在煤炮和钻屑检验情况，综上可知，工作面未受采空区覆岩传递应力影响的工作面巷道，冲击危险性降低。

3 结 论

1)根据不同影响因素下应力测点实测曲线分析可知，采动应力、采空区覆岩传递应力、断层构造应力和工作面见方叠加影响下煤体最大应力增量为9.40MPa；采空区覆岩传递应力、采动应力、断层构造应力叠加影响下煤体最大应力增量为6.90MPa；采动应力和工作面见方叠加影响下煤体最大应力增量为6.15MPa；采动应力和采空区覆岩传递应力叠加影响下煤体最大应力增量为5.40MPa；采动影响下煤体最大应力增量为3.65MPa。

2)分析得到工作面采动应力增量系数为1.73，断层应力增量系数为1.3，采空区覆岩传递应力增量系数1.35，见方影响下应力增量系数为1.5。

3)现场实测分析得到不同影响因素应力增量，可以为相邻工作面或条件相似工作面冲击危险性评价中应力增量的确定提供参考。

4)煤体应力变化受多种影响因素制约，本文针对特定工作面，采用煤体应力监测，对煤体最大应力增量进行了实测分析，不同地质及开采技术条件影响下的工作面将存在一定的差异，更加符合现场实际的最大应力增量取值，需要在现场实践中不断积累与优化。