煤岩动力系统区域尺度计算方法在冲击地压危险性评价中的应用

＊刘洪泉 杨振华 兰天伟 荣海

（1.龙煤双鸭山矿业有限责任公司 东荣二矿 黑龙江 155100 2.辽宁工程技术大学 矿业学院 辽宁 123000）

引言

冲击地压是破坏性最强的矿井动力灾害之一，当冲击地压发生时，将给矿井带来严重的破坏和巨大的经济损失[1-2]。因此，对冲击地压发生危险性进行预测评估是冲击地压防治的关键。冲击地压危险性预测工作是“四位一体”冲击地压防治技术体系的首要工作，围绕此方向，专家学者开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的研究成果。温廷新等[3]构建了基于预处理的AFOA-ELM冲击地压危险预测模型，提高了冲击地压危险性预测准确率。毕娟等[4]提出了一种R型因子分析Fisher判别的冲击地压危险性预测模型，提高了冲击地压危险性预测等级精度。乔美英等[5]提出利用改进的果蝇优化算法（FOA）优化参数，建立了相应模型，实现了对冲击地压危险性等级的有效预测。文畅平[6]综合考虑冲击地压发生的自然因素、地质因素和开采技术因素，选择了煤层厚度、倾角、埋深、地质构造情况等10个参数作为判别因子，提出了冲击地压危险性的Bayes判别分析法，对冲击地压的预测与危险性分级进行了研究。

冲击地压等矿井动力灾害影响范围是有限的，为冲击地压提供能量及受到影响的煤岩体构成了“煤岩动力系统”。Батуги А.С等[7-9]研究表明矿井冲击地压震源区的尺寸为10～20m，孕育区尺度约为震源区尺度的10～20倍，参与冲击地压发生的孕育区尺度为几十米至几百米的范围[10]。因此构建冲击地压煤岩动力系统模型，确定系统不同尺度范围内煤岩的冲击危险性，对于研究冲击地压孕育、发生和发展过程具有重要意义。

1.煤岩动力系统模型构建与区域尺度计算

(1)煤岩动力系统模型构建

现场实际和研究成果表明，冲击地压等矿井动力灾害影响范围是有限的，影响范围用煤岩动力系统描述，煤岩动力系统主要属性是系统尺度和能量值。在自然地质条件下，煤岩动力系统处于平衡状态，系统能量对冲击地压的发生起着控制作用，并影响整个煤岩动力系统的稳定性。煤岩动力系统能量主控条件是大地构造环境和现代构造应力场，可以说，没有构造运动、没有构造应力场和能量场，就没有煤岩动力系统的形成，也就没有矿井动力灾害发生的能量条件。

为了描述煤岩动力系统与冲击地压显现关系，构建了“煤岩动力系统与冲击地压显现关系模型”，如图1所示。

图1 煤岩动力系统与冲击地压显现关系模型

当采掘工程进入到“影响区”范围内时，动力显现主要以“煤炮”的形式表现出来；当采掘工程进入到“损伤区”范围内时，动力显现主要以“压出、倾出”等形式表现出来；当采掘工程进入到“破坏区”范围内时，动力显现则表现为“冲击地压”；当采掘工程进入“动力核区”范围内时，则会产生“强冲击地压”。

(2)煤岩动力系统区域尺度计算方法

冲击地压是一个复杂的煤岩动力学过程，是煤岩动力系统失稳后能量快速释放过程。煤岩动力系统的能量主要集中在“动力核区”内，当冲击地压发生时，煤岩动力系统动力核内的能量得到激发，形成高强度冲击波。冲击波为煤岩动力系统的“破坏区”提供了强大的压应力，冲击波逐层破坏周边煤岩体的同时，能量逐渐向动力核外部的“破坏区”“损伤区”和“影响区”等各区域耗散。在矿井的实际生产中，煤岩体能量的释放、转换、耗散等过程均是在无限介质中进行的。

荣海等基于爆破理论和Mises屈服强度准则，对冲击地压发生后所释放的能量在煤岩中的传递和耗散过程进行了分析，得到了煤岩动力系统“动力核区”“破坏区”“损伤区”和“影响区”的区域尺度计算方法[7-9]。计算方法如式（1）～式（4）所示。

式中，R为煤岩动力系统“动力核区”半径，m；k1为最大水平主应力与自重应力的比值；k2为垂直应力与自重应力的比值；k3为最小水平主应力与自重应力的比值；μ为泊松比；γ为上覆岩层容重的平均值，kN/m3；H为单元体所处位置的深度，m；E为煤体的弹性模量，MPa；△U为煤岩动力系统的释放能量，J。

式中，RP为煤岩动力系统“破坏区”的半径，m；σc为煤体的单轴抗压强度，MPa；VP为破碎煤岩块体的体积，m3；ρ为煤体的密度，kg/m3；σcd为煤岩体的动态抗压强度，MPa；λ为侧压系数。

式中，RS为煤岩动力系统“损伤区”的半径，m；σtd为煤岩体的动态抗拉强度，MPa。

式中，RY为煤岩动力系统“影响区”的半径，m；D为煤岩体的损伤系数。

2.煤岩动力系统区域尺度计算方法在某矿的应用

(1)矿井概况

某矿位于双鸭山市集贤县境内，向东距双鸭山市约40km。矿井北部与A矿接壤，南部与B矿相邻，东部为无煤区，西部矿界外煤层埋深大于1000m。井田北部边界为F48、F10、F4断层及其延长线，南部边界为F2断层，东部边界为煤系边缘花岗岩和泥盆系拼合基底，西部边界为16#煤层-900水平的垂直投影线，16#煤层以下以各煤层-900水平为界。井田南北走向长度为6.5km，东西宽度为4km，北宽南窄，井田面积为26.16km2。

该矿2003年首次发生冲击地压以来，有记录的冲击地压现象共发生4次（有震级记录的2次），给矿井安全生产带来了严重影响。矿井历史冲击地压统计见表1。

表1 某历史冲击地压统计

(2)煤岩动力系统区域尺度计算

利用冲击地压发生时地震台网监测的震级资料和地震学中的震级-能量公式对释放能量进行计算，如式（5）所示。

式中，ML为地震里氏震级；△Ue为发生一次地震时释放的能量，J。

发生一次地震时释放的能量与煤岩动力系统的释放能量计算方法相同，如式（6）所示。）

在该矿已发生的4次冲击地压现象中，已知震级的有2次。分别是2003年4月20日南二上采区17#煤层三面下料道发生的冲击地压现象（震级2.5级）和2009年4月6日南二下延采区18#煤层六面下料道发生的冲击地压现象（震级1.7级）。

将上述两次冲击地压的震级代入公式（5），可得：

（1）南二上采区17#煤层三面下料道冲击地压释放的能量△U1：

（2）南二下延采区18#煤层六面下料道冲击地压释放的能量△U2：

由上述计算结果可知，该矿冲击地压的释放能量值范围为1.2×106～2.6×107J，两次冲击地压释放的能量均大于106J。

根据煤岩物理力学测试结果，煤岩动力系统内部岩石的单轴抗压强度为51.61MPa，单轴抗拉强度为4.98MPa，弹性模量为27.56GPa，泊松比为0.25，岩石容重取25kN/m3；冲击波在煤系砂岩中的波速取3300m/s。将上述物理力学参数、埋深及两次冲击地压的释放能量值分别代入式（1）～式（4），确定该矿冲击地压煤岩动力系统的动力核区尺度为5.51～9.31m，破坏区尺度为16.15～22.98m，损伤区尺度为97.87～165.32m。将上述两次冲击地压煤岩动力系统不同区域的最大直径范围理论计算结果与现场冲击地压显现情况进行对比分析，见表2。

表2 冲击显现范围与煤岩动力系统范围计算结果对比

由表2可知，南二上采区17#煤层三面下料道冲击地压煤岩动力系统破坏区范围最大为64.58m，损伤区范围最大为395.22m，现场巷道顶板冒落范围为80m，底鼓量为700mm的范围达到200m，冲击显现范围介于理论计算的破坏区范围和损伤区范围之间；南二下延采区18#煤层六面下料道冲击地压煤岩动力系统破坏区范围最大为43.32m，现场巷道破坏深度达2.0～3.2m的范围为40m，冲击显现范围与理论计算结果基本一致。现场实践表明，冲击地压煤岩动力系统尺度范围确定对该矿冲击地压防治具有重要指导作用。

3.结论

（1）计算得到某矿冲击地压煤岩动力系统的动力核区尺度为5.51～9.31m，破坏区尺度为16.15～22.98m，损伤区尺度为97.87～165.32m。

（2）南二上采区17#煤层三面下料道冲击地压煤岩动力系统破坏区范围最大为64.58m，损伤区范围最大为395.22m，现场巷道顶板冒落范围为80m，底鼓量为700mm的范围达到200m，冲击显现范围介于理论计算的破坏区范围和损伤区范围之间；南二下延采区18#煤层六面下料道冲击地压煤岩动力系统破坏区范围最大为43.32m，现场巷道破坏深度达2.0～3.2m的范围为40m，冲击显现范围与理论计算结果基本一致。