义能煤矿3#煤层冲击危险性评价与防治

宋冠忠 刘士法 李少涛

（1.山东裕隆矿业有限公司，山东 曲阜 272000；2.山东义能煤矿有限公司，山东 济宁 272000）

1 工程背景

义能煤矿位于山东省汶上县东15 km 处，生产能力核定为60 万t/a，立井开拓。义能煤矿现主采3#煤层，3#煤层目前布置2 个采煤工作面同时开采，工作面采用走向长壁后退式采煤法。周边矿区冲击地压频发，故需对义能煤矿3#煤层进行冲击危险性评价。矿井位置如图1 所示。

对3#煤顶底板进行钻孔取样后，测定岩石力学参数情况见表1。

表1 3#煤层顶底板情况一览表

2 冲击危险性评价因素

冲击危险性评价需要考虑多个方面，综合成因需考虑三个方向：地质、技术与组织管理，如图2所示[1-3]。

图1 矿井位置

图2 冲击地压发生原因

原岩应力主要考虑自重应力与水平应力。现在煤炭开采日趋深部化，地下空间所承受的上覆岩重也日渐增加，对冲击地压起重要作用的弹性能也在煤岩体中积聚增加，能量增加的同时带来了冲击危险性的增加。原岩应力增大后，支护问题愈发棘手，对冲击地压的发生也有一定增益作用。采深与冲击地压危害的关系如图3 所示。

图3 采深与冲击地压关系

煤岩体固有强度也是冲击危险性衡量的主要指标。工作面开采后带来的煤岩体中应力、能量集聚，容易在巷道等临空面发生煤岩体离层、崩坏等现象，产生强烈动力灾害。煤岩体强度与冲击参数C1关系如图4 所示。

图4 强度与C1 之间的关系

巷道上部岩层结构，尤其是巷道距上部空间中坚硬厚顶板的距离，是评价冲击危险性的主要指标之一。因为上部坚硬顶板之类的稳固结构，一方面坚硬不易垮落，另一方面由于变形量小积聚了大量弹性能，如此类坚硬结构发生破断或者位移变化等变化，积聚的能量会瞬间涌出，造成大量能量波动，给地下空间带来重大事故。图5 为冲击地压次数与巷道距稳固结构距离之间的关系[4]。

图5 冲击地压次数与巷道距断层距离之间的关系

3 冲击性评价

3.1 冲击性因素分析

冲击危险性由于影响因素众多，需综合考虑，使事故发生概率降到最低。在分析各因素对冲击危险性带来的影响后，使用综合指数法建立评价模型，对不同因素进行评价后综合评判矿井某区域是否有冲击危险性。即对前文提出的各因素权重赋参，综合建立评价机制，预测危险性。此种方法由于考虑全面，故可靠性更高。

如前文所述，煤体上部赋存的坚硬顶板总厚度对评价冲击危险性有重要意义，主要考虑100 m 范围内岩性坚硬且厚度较大的砂岩厚度：

式中：hi为100 m 范围内坚硬顶板总厚度，m；ri为岩层间弱化传导系数。

计算得顶板厚度特征值为：

同样的标准也适用于采掘空间周边地质条件。

用式（2）确定此因素对冲击地压影响指数Wt1。

式中：Wt1为地质因素影响权重；Wimax为第i个地质因素最大指数；Wi为第i 个地质因素实际指数；n1为地质因素的数目。

通过试验测定3#煤层单轴抗压强度RC为12.464 MPa，动态破坏时间DT为115.2 ms，弹性能量指数WET为2.281，冲击能量指数KE为2.164，据此判定3#煤层Ⅱ类冲击倾向性，即中等冲击倾向性。

用（3）式确定采掘作业时开采技术的评判指数Wt2。

式中：Wt2为开采技术因素指数；Wimax为第i个开采技术因素的指数最大值；Wi为采掘空间第i个开采技术因素的实际指数；n2为开采技术因素的数目。

据式（2）与式（3），即可判断采掘空间对冲击危险性影响指数Wt。

代入数据得Wt=max{Wt1,Wt2}= 0.52，由此可知3#煤层的埋深、煤体自身冲击性与顶板上覆坚硬顶板总厚度对整个煤层的冲击危险度起主要影响作用。

出于综合考量，使用模糊数学中可能性指数法，考虑采动应力与煤体自身冲击属性，在计算这些因素对冲击地压发生的隶属度基础上，判定冲击地压发生的可能性[5-6]。

煤体应力状态对冲击地压的隶属度UIc：

式中：Ic=σ/ σc，σ = krH；k 为应力集中系数；r为覆岩平均容重，kN/m3；H 为埋深，m；σc为煤体单轴抗压强度，MPa。

煤体自身冲击属性对冲击地压的隶属度UWet：

式中：Wet为冲击倾向性指数。

发生冲击地压的可能性指数U：

评价标准如表2 所示。

表2 冲击地压发生可能性评价标准

可能性指数的评价步骤：

（1）研究采场应力分布；

（2）测试3#煤自身冲击性；

（3）计算上述因素隶属度；

（4）计算可能性指数；

（5）对具体空间冲击地压发生可能性进行判定。

3.2 冲击危险可能性指数评价

（1）研究采场应力分布

3#煤平均埋深达723 m，考虑超前应力与构造应力综合指数判定，集中系数按照k=2，最大应力35 MPa，3#煤单轴抗压强度平均为12.464 MPa，应力比达到了2.81，基本达到冲击地压发生条件。

取Ic=2.81。

（2）测试3#煤自身冲击性

3#的冲击倾向性指数Wet=2.281。

（3）计算隶属度

将Ic=2.81 代入式（5）得

UIc=1.0

即应力隶属度为1.0。

将Wet=2.281 代入式（6）得

UWet=0.636

即冲击倾向性隶属度为0.636。

（4）计算可能性指数

将UIc=1.0 和UWet=0.636 代入式（7）得发生冲击地压的可能性指数U 为

U=（UIc+ UWet）/2 =0.818

义能煤矿3#煤层冲击可能性指数为0.818，可能性等级为“很可能”。

（5）对具体空间冲击地压发生可能性进行判定

3#煤冲击地压的可能性指数UIc=0.818，由于自身埋深大，上覆岩体中有很厚的一层或者数层坚硬顶板，具备发生冲击地压可能性，尤其是在开采时遇到采掘交替或者断层披露时，容易诱发冲击地压。

矿井（3 煤层）开采范围内地质构造整体较复杂，矿井（3 煤层）最浅采深约600 m，最大深度超过900 m，已超过我国规定的冲击地压可能发生的临界深度，采区回采过程中发生冲击地压的可能性将大大增加。为此，采区掘进、回采期间应加强冲击危险的监测，并切实做好冲击地压的防治工作。

4 3#煤防冲措施

针对义能煤矿矿井（3 煤层）条件，提出主要的防治冲击地压措施：停采线位置、爆破卸压等措施。

目前3#煤大巷保护煤柱留设100 m，从工程管理角度保护煤柱已经足够保证大巷安全性，但各保护煤柱停采线附近，巷道顶板活动剧烈，需在停采线附近增设位移、应力监测站，密切观测附近应力。此外，不同工作面停采线参差不齐时造成锯齿状煤柱，应力集中后冲击危险性增加，故还需对齐停采线。

如常规防冲措施无法满足防冲需求时，还需进行爆破卸压，如图6 所示。顺槽卸压爆破孔深度为15 m，装药长度为2 m，炮泥封孔长度13 m，爆破后如具有冲击性，需二次乃至多次爆破，直至消除危险性。

图6 顺槽实体煤卸压爆破炮眼布置示意图

使用综合指数法对义能煤矿3#煤进行冲击性评价，可以较为全面地综合考虑各种因素对义能3#煤冲击危险性的影响，而且根据指数高低判定区域冲击性，对部分区域进行防冲措施，如爆破卸压等。可以在相邻矿区进行类似评价工作，对类似矿井防冲工作有指导意义。

5 结论与建议

（1）义能煤矿开采地质条件复杂，3#煤层最浅采深约600 m，最大深度超过900 m，已超过我国规定的冲击地压可能发生的临界深度，采区回采过程中发生冲击地压的可能性将大大增加。为此，采区掘进、回采期间应加强冲击危险的监测，并切实做好冲击地压的防治工作。

（2）使用综合指数法对义能煤矿冲击危险性评价后，判定义能煤矿目前主采的3#煤层具备了发生冲击地压的应力条件，容易诱发冲击地压，在采掘交替、断层披露时需格外注意。

（3）以后的采煤工作面生产管理中，注意冲击地压发生的可能性，针对此制定行之有效的预防措施与避难措施，如对齐停采线、爆破卸压等，尽量减少可能发生的冲击地压事故。

（4）使用综合指数法对3#煤评价后，可以根据指数高低对冲击性强的区域进行针对性防治措施。