深井厚煤层大巷孤立煤体冲击危险性评价研究*

张世平，赵 健，李士栋，周 涛，崔小超，张 东，梁记忠，王高昂，朱斯陶，孙 波

(1.中煤资源发展集团有限公司，北京 100011；2.山东能源集团 鲁西矿业有限公司，山东 菏泽 274700；3.兖煤菏泽能化有限公司 赵楼煤矿，山东 菏泽 274700；4.新汶矿业集团有限责任公司 华丰煤矿，山东 泰安 271400；5.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

0 引言

随着浅部煤炭资源采掘殆尽，煤矿开采逐渐向深部转移，许多地区的开采深度达到甚至超过了1 000 m，以至于冲击地压事故频频发生，给煤炭资源的安全开采带来了巨大的挑战[1-5]。此外，相较于一般煤体，由大巷切割作用形成的孤立煤体所受应力更大，再加上煤层厚度等因素的共同影响，更易发生冲击地压事故，是深部煤炭开采亟需攻克的难点[6-9]。

我国众多学者对大采深条件下厚煤层孤立煤体发生冲击地压事故进行了大量研究，例如王绪友[10]应用综合指数法，从煤岩冲击倾向性、采深、地应力方面进行分析，解决了大采深条件下多个煤层开采时相互影响的问题；薛成春等[11]采用数值模拟理论分析了大倾角厚煤层顶板能量分布特征，建立了倾斜悬顶结构力学模型，有效避免了大倾角厚煤层发生冲击地压灾害；朱斯陶等[12-13]针对特厚煤层掘进工作面冲击灾害频发的问题，提出了基于“地音大事件”概念的监测预警方法，揭示了复合厚煤层冲击地压的发生机制，建立了特厚煤层掘进工作面的危险性评价方法；王超等[14]通过应力监测等方法，研究了赵楼煤矿3304工作面深井厚煤层的合理区段煤柱宽度，保证了深井条件下厚煤层区段煤柱的稳定性。

以上学者的研究为本文提供了理论基础，但大采深条件下大巷孤立煤体的开采依旧是发生冲击地压灾害的重灾区，因此本文从实际工程案例出发，从理论分析和数值模拟2方面对深井厚煤层大巷孤立煤体诱发冲击地压的影响因素进行研究，并采用模糊数学方法建立此种类型煤体的冲击危险性评价方法，以期为相关工程提供理论参考。

1 深井厚煤层大巷孤立煤体冲击案例

1.1 深井厚煤层大巷孤立煤体冲击案例概况

2015年8月19日，山东赵楼煤矿七采区发生了2次大能量矿震事件(1.3级、2.11级)。2次大能量矿震事件均发生在七采区二集下山区域[15]，如图1所示。矿震造成采区锚杆、锚索破断，围岩变形和动力性冒顶等灾害，封闭了作业人员的逃生通道，严重危害了作业人员的安全以及事故救援工作的进行。

图1 赵楼煤矿大能量矿震事件分布示意

2016年8月15日，肥矿集团梁宝寺煤矿35000采区发生了1次严重的冲击地压事故，此次事故震源临近35000采区回风联络巷。此处巷道分布密集，完整煤体被巷道切割成孤立状态，导致煤体内部应力集中程度高，煤体失稳诱发冲击地压。事故冲击现场如图2所示。

图2 梁宝寺煤矿35000采区冲击事故现场

2015年8月30日，山东古城煤矿32采区发生了1起冲击地压事故，事故造成大量巷道变形破坏，支护破断，掘进机偏移。因地面存在村庄，古城煤矿采用条带法开采以减少采掘活动对地面房屋产生破坏。事故区域分布有32采区集中皮带巷、采区集中进风巷、3208皮带顺槽、轨道顺槽等巷道，且煤体厚度大、埋藏深。事故现场和事故区域概况如图3～4所示。

图3 古城煤矿冲击事故现场

1.2 深井厚煤层大巷孤立煤体诱冲因素分析

根据上述案例可以发现，煤层的埋深是诱发冲击地压的关键因素之一。尤其是对于埋深超过1 000 m的深井而言，煤体本身所受地应力程度高，再经过采掘活动的影响，发生冲击地压事故的几率大大增加。此外，这类矿井还存在由于大巷布置位置不合理等原因，将完整煤体切割成孤立的煤柱，致使煤体内部应力集中，更易发生煤体失稳冲击，如图5所示。

图5 大巷切割孤立煤体示意

此类煤体发生冲击地压一般有如下共同点：1)大巷切割成的孤立煤体内部应力集中程度高，处于即将失稳破坏的临界状态；2)由于受到采掘等活动的影响，孤立煤体临界应力平衡状态被打破，产生失稳；3)孤立煤体发生失稳破坏时释放的能量大于围岩及支护体的强度。

多起孤立煤体冲击地压事故的发生给矿山的安全生产带来了极大的困扰，使矿井遭受了巨大的损失。通过对上述多起冲击地压事故案例分析可知，孤立煤体失稳诱发冲击具有以下特点：1)事故区域大巷埋深为千米及千米以上，自重应力较高；2)冲击地点都处于巷道切割形成的煤柱内，孤立煤体承受着较高的支承压力；3)大巷均为煤巷布置，煤层厚度均为厚煤层，巷道围岩综合抗压强度较低；4)事故发生区域附近均无工作面正在回采，没有高位岩层破裂产生的大范围动压扰动。

而多起事故的不同之处在于：1)赵楼煤矿二集下山间距为40 m，在掘进过程中未进行卸压活动，大能量矿震事件发生在掘进迎头后方；2)梁宝寺煤矿35000采区联络巷间距为50 m，冲击事故发生前该区域已进行过卸压活动；3)古城煤矿32采区集中进风巷下山间距为70 m，冲击事故发生前该区域已进行过卸压活动。

通过以上事故分析可以发现，采深、煤厚、大巷间距等因素是导致煤体发生失稳冲击的主要原因。在这些因素影响下，常见的大巷孤立煤体冲击主要分为以下2种情况：1)小间距大巷孤立煤体，此情况由于大巷间距较小，为防止巷道产生大变形，大巷未采取卸压活动，孤立煤体弹性承载区高应力主要来自于巷道围岩应力的逐渐集中，表现为蠕变失稳特征，如赵楼煤矿二集下山矿震事件；2)大间距大巷孤立煤体，此类型为防止巷道产生局部冲击，往往会采取巷道卸压进行应力转移，孤立煤体承载区高应力主要来自于巷道卸压后产生的应力集中，表现为整体失稳破坏特征，如梁宝寺煤矿和古城煤矿冲击事故。

2 大巷孤立煤体开采影响因素数值分析

为探究不同开采条件对煤体应力的影响规律，以梁宝寺煤矿35000采区为工程背景，采用FLAC3D数值模拟软件分别对诱发孤立煤体冲击的影响因素：采深、煤层厚度、巷道间距等进行模拟分析，以采区回风巷和皮带集中巷为研究对象，建立简化模型尺寸为长×宽×高=300 m×200 m×70 m，如图6所示。约束模型底部水平和垂直位移，固定模型2侧水平位移，在顶部自由面施加均布荷载模拟上覆岩层自重。

图6 数值模拟计算模型

2.1 采掘深度对孤立煤体冲击影响性分析

根据35000采区实际地质条件，取下山间距D1=50 m，联络巷间距D2=150 m，煤层厚度7 m，采用Mohr-Coulomb破坏准则，分别模拟采深500，600，700，800，900，1 000，1 100，1 200 m条件下大巷孤立煤体垂直应力变化情况，其垂直应力峰值变化曲线如图7所示。

图7 不同采深孤立煤体应力曲线

由图7可知，当大巷间距不变时，大巷孤立煤体上方垂直应力分布形式随采深变化影响较小，500～1 200 m采深条件下孤立煤体应力均为平台形分布，但煤体应力峰值随采深增加不断增大。已知梁宝寺煤矿3煤煤层单轴抗压强度[σc]=20 MPa，同一尺寸的孤立煤体1 200 m采深时的垂直应力峰值约是埋深为500 m时的3倍。以动应力比Ic=σ/[σc]为冲击危险判断标准，Ic≥1.5时为弱冲击危险，Ic≥1.8时为中等冲击危险，Ic≥2.0时为强冲击危险。从图7可以看出，梁宝寺35000采区煤体采深超过800 m时达到弱冲击危险，采深超过900 m时达到中等冲击危险，采深超过1 000 m时达到强冲击危险。在仅考虑自重应力影响下，采掘深度对孤立煤体冲击影响的数值模拟计算结果如表1所示。

表1 不同采深孤立煤体冲击危险性模拟结果

故当大巷间距和煤层厚度不变时，随着采深的增加，孤立煤体应力集中程度逐渐增大，采深达到千米后，孤立煤体超过强冲击危险。因此千米深井条件下高自重应力为大巷孤立煤体冲击提供了基础静载，是大巷孤立煤体冲击频发的根源。

2.2 煤层厚度对孤立煤体冲击影响性分析

根据35000采区实际地质条件，取下山间距D1=50 m，联络巷间距D2=150 m，巷道采深1 000 m，采用Mohr-Coulomb破坏准则，模拟煤厚分别为7，8，9，10，11，12，13，14 m时大巷孤立煤体垂直应力变化情况，模拟结果如图8和表2所示。

图8 不同煤层厚度孤立煤体应力曲线

从表2可知，梁宝寺35000采区煤体在1 000 m采深条件下，大巷间距为50 m，煤层厚度为7 m时已经达到了强冲击危险。

表2 不同煤层厚度孤立煤体冲击危险性模拟结果

通过数值模拟计算结果可知孤立煤体应力峰值与煤层厚度呈正相关，即煤层越厚，孤立煤体应力集中程度越高，孤立煤体应力分布形式逐渐由平台形向单峰形转化，且应力峰值逐渐向孤立煤体弹性承载区集中，煤厚为14 m时比煤厚为7 m时应力峰值增加了约8 MPa，表明煤层越厚，巷道围岩积聚的弹性能越大，当煤体发生冲击时产生的破坏越强。

当采深和大巷间距不变时，千米深井条件下厚煤层大巷孤立煤体随着煤层厚度的增加，孤立煤体积聚的弹性能不断增大，应力集中程度逐渐增大，冲击危险性也随之增大，煤层厚度是诱发孤立煤体冲击的原因之一。

2.3 大巷间距对孤立煤体冲击影响性分析

根据35000采区实际地质条件，取联络巷间距D2=150 m，采深1 000 m，煤层厚度7 m，采用Mohr-Coulomb破坏准则，对不同大巷间距条件下孤立煤体垂直应力变化进行模拟，模拟结果如图9所示。

图9 不同间距孤立煤体应力曲线

由图9可知，当孤立煤体采深及煤层厚度不变时，大巷孤立煤体上方垂直应力分布形式随大巷间距的变化而发生明显改变，大巷间距为80 m时应力呈双峰形分布，大巷间距为70 m时应力呈马鞍形分布，大巷间距为60，50 m时应力呈平台形分布，大巷间距为40，30 m时应力呈单峰形分布，煤体应力峰值随大巷间距的减小而不断增大。在仅考虑自重应力影响下，大巷间距对孤立煤体冲击影响的数值模拟计算结果如表3所示。

表3 不同大巷间距孤立煤体冲击危险性模拟结果

已知梁宝寺煤矿3煤煤层单轴抗压强度[σc]=20 MPa，千米采深条件下孤立煤体大巷间距为40 m时的应力集中系数约是大巷间距为80 m时的应力集中系数的1.3倍。以动应力比Ic=σ/[σc]为冲击危险判断标准，Ic≥1.5时为弱冲击危险，Ic≥1.8时为中等冲击危险，Ic≥2.0时为强冲击危险。从图9可以看出，梁宝寺35000采区煤体大巷间距为80 m时达到弱冲击危险，大巷间距为70，60 m时达到中等冲击危险，大巷间距≤50 m时达到强冲击危险。

由上述分析可知，当采深和煤层厚度不变时，随着大巷间距的缩小，孤立煤体弹性承载区应力逐渐集中，当大巷间距小于50 m时有强冲击危险，因此千米深井条件下大巷间距的不合理布置是孤立煤体冲击频发的主要原因。

3 深井厚煤层大巷孤立煤体冲击危险性评价方法

煤体发生冲击地压的原因与煤体埋深、煤层厚度、大巷间距以及煤层的冲击倾向性有着密切的关系。为了更直观趋量化地分析各个影响因素对煤体发生冲击地压的影响，采用模糊数学方法，对各指标进行归一化处理，建立孤立煤体冲击危险性的隶属度函数如式(1)所示：

U(x)=f(U1，U2)

(1)

式中：U(x)为煤体冲击危险性的隶属度函数；U1为煤体开采因素对冲击危险性的隶属度函数；U2为煤层冲击倾向性因素对冲击危险性的隶属度函数。

3.1 煤体开采因素对冲击危险性隶属度

煤体发生冲击失稳的必要条件是煤体所受支承压力大于其单轴抗压强度，而煤体所受应力与煤体埋深、煤层厚度、大巷间距直接相关。在煤体本身所能承受的最大应力一定的情况下，埋深越大、煤层越厚、大巷间距越小，煤体所承受的应力就越大，发生冲击失稳的风险则越高。

建立煤体开采因素对冲击危险性的隶属度函数如式(2)所示：

U1=a1φ1+a2φ2+a3φ3

(2)

式中：φ1为煤层埋深对冲击地压的隶属度函数；φ2为煤层厚度对冲击地压的隶属度函数；φ3为大巷间距对冲击地压的隶属度函数；a1为煤层埋深对冲击地压的敏感度系数；a2为煤层厚度对冲击地压的敏感度系数；a3为大巷间距对冲击地压的敏感度系数。

根据表1～3中的各项指标进行归一化处理可得隶属度函数φ1，φ2，φ3如式(3)～(5)所示：

(3)

(4)

(5)

式中：H为煤层埋深，m；M为煤层厚度，m；D为大巷间距，m。

依据大巷孤立煤体开采影响因素数值模拟结果可知，采掘深度和大巷间距对煤体冲击危险性的敏感度相对较高，因此分配权重a1=0.4，a2=0.2，a3=0.4，并由式(2)～(5)可得煤体开采因素的隶属度函数如式(6)所示：

U1=0.4φ1+0.2φ2+0.4φ3

(6)

3.2 煤层冲击倾向性因素对冲击危险性隶属度

煤层的冲击倾向性共有4个指标，分别是单轴抗压强度RC、弹性能量指数WET、冲击能量指数KE和动态破坏时间DT。如图4所示建立煤层冲击倾向性对冲击危险性的隶属度函数如式(7)所示：

图4 古城煤矿下山区域概况

U2=b1φRC+b2φWET+b3φKE+b4φDT

(7)

式中：φRc为单轴抗压强度对冲击地压的隶属度函数；φWET为弹性能量指数对冲击地压的隶属度函数；φKE为冲击能量指数对冲击地压的隶属度函数；φDT为动态破坏时间对冲击地压的隶属度函数；b1为单轴抗压强度对冲击地压的敏感度系数；b2为弹性能量指数对冲击地压的敏感度系数；b3为冲击能量指数对冲击地压的敏感度系数；b4为动态破坏时间对冲击地压的敏感度系数。

对上述表4中的4项指标进行归一化处理可得隶属度函数φRc，φWET，φKE，φDT，如式(8)～(11)所示：

表4 煤层冲击倾向性鉴定标准

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：RC为煤体单轴抗压强度，MPa；WET为弹性能量指数；KE为冲击能量指数；DT为动态破坏时间，ms。

因煤层冲击倾向性4个因素对煤体冲击危险性的敏感度相对平均，故取b1=b2=b3=b4=0.25，并由式(7)～(11)可得煤层冲击倾向性对冲击危险性的隶属度如式(12)所示：

U2=0.25φRC+0.25φWET+0.25φKE+0.25φDT

(12)

3.3 煤体冲击危险性评估方法及分级

通过上述隶属度分析，综合式(1)，(6)，(12)得深井厚煤层大巷孤立煤体冲击危险指数如式(13)所示：

(13)

根据冲击危险指数U及冲击地压危险等级标准评价深井厚煤层大巷孤立煤体冲击地压危险可能性，冲击地压危险等级划分标准由表5所示。

表5 冲击地压危险等级划分

3.4 梁宝寺煤矿大巷孤立煤体冲击危险性评价

梁宝寺煤矿35000采区主采3煤，煤厚7 m，平均埋深约1 000 m，煤层冲击倾向性指标如表6所示，35000采区下山间距为50 m，联络巷间距150 m。

表6 梁宝寺3#煤层冲击倾向性指标

将上述数据代入式(3)～(6)，式(8)～(12)可得

U1=0.4φ1+0.2φ2+0.4φ3=0.841 6

U2=0.25φRC+0.25φWET+0.25φKE+0.25φDT=0.97

将U1，U2代入式(13)得出梁宝寺煤矿35000采区冲击地压危险性指数为

对照表5冲击地压危险等级划分标准可知，梁宝寺煤矿35000采区冲击地压危险性指数U=0.905 8>0.75，具有强冲击危险，与实际工程情况相符。因此包含采掘深度、煤层厚度、大巷间距和煤层冲击倾向性的大巷孤立煤体冲击危险性评价方法科学合理，可为实际工程提供借鉴。

4 结论

1)随着采深的增加，孤立煤体应力集中程度逐渐增大，大采深所造成的高自重应力为大巷孤立煤体提供基础静载，同一尺寸的孤立煤体采深1 200 m时的垂直应力峰值是500时的3倍左右，是大巷孤立煤体频繁发生冲击地压的根源。

2)大采深条件下大巷孤立煤体随着煤层厚度的增加，孤立煤体积聚的弹性能不断增大，应力集中程度逐渐增大，冲击危险性也随之增大，煤层厚度是诱发孤立煤体冲击的原因之一。

3)当采深和煤层厚度不变时，随着大巷间距的缩小，孤立煤体弹性承载区应力逐渐集中，因此千米深井条件下大巷间距的不合理布置是孤立煤体冲击频发的主要原因。

4)提出包含开采因素和煤层冲击倾向性的深井厚煤层大巷孤立煤体冲击危险性评价方法，使多因素条件影响下煤体冲击危险性评价更加合理。