近直立煤层冲击危险静动态评价方法研究

陈建强 ，宋大钊 ，常 博 ，李振雷 ，潘鹏志 ，兰世瑞 ，朱红伟 ，杨华康

（1.国家能源集团新疆能源有限责任公司, 新疆 乌鲁木齐 830000；2.北京科技大学 土木与资源工程学院, 北京 100083；3.中国科学院 武汉岩土力学研究所, 湖北 武汉 430000；4.国家能源集团新疆能源有限责任公司 乌东煤矿, 新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引 言

冲击地压是煤矿生产过程中的动力灾害之一，严重制约矿井安全生产[1]。通常随着开采深度、地质构造复杂程度等因素增大，冲击危险性会同步增加，因此，对冲击危险性的研究就显得尤为重要[2]。波兰是最早开始系统研究冲击地压灾害的国家之一，通过一系列研究并制定严格的冲击地压防治措施，取得了较好的效果[3]。

国内外学者经过大量研究，通过提出多种影响冲击地压发生可能性及严重程度的因素，进而建立了相关的冲击地压危险评价方法，包含综合指数法[4]、可能性指数法[5–7]、动力区划法[8–10]及多因素耦合评价方法[11]等。其中，在工作面生产前，通常进行2 次冲击地压危险评价(掘进工作面冲击危险性评价和回采工作面冲击性危险评价)。窦林名等[12]通过研究提出了综合指数法，对工作面的冲击危险程度进行有效评价；姜福兴等[13]经过大量研究，提出了适用于回采工作面的可能性指数法和基于应力叠加的冲击地压危险评价方法，使冲击地压危险评价效果显著提高；曹安业等[14]利用震动波CT 反演技术对工作面回采过程中的冲击地压危险进行了评价分析，为工作面安全生产提供了有效保障。张科学等[15]提出了基于层次分析法的矿井煤层冲击危险性模糊综合评价模型，建立了模糊综合评价关系矩阵，进行了模糊综合评价。

近直立煤层作为急倾斜煤层的一种特殊形式，由于地质构造、煤层赋存状态等条件复杂，造成其受冲击地压影响较严重[16]。针对近直立煤层冲击危险性评价和监测预警问题，国内外学者展开大量研究。荣海等[17]基于地质动力区划法，分析确定了冲击地压诱发因素及井田构造和断层活动特征；HE 等[18]通过分析近直立煤层冲击显现前兆特征，建立了多元融合的冲击危险监测预警模式。王正义等[19]通过分析急倾斜/近直立煤层开采过程中冲击地压显现特征，对冲击危险性评价的地质因素和开采因素进行了修正，从而使结果更适合这种特殊煤层。曹民远等[20]采用数据统计的方法分别对矿井微震事件分布和B3+6 煤层综放工作面冲击地压事故进行了统计分析，揭示了冲击地压显现的主要致灾因素。何学秋等[21]揭示了近直立煤层群压撬型冲击地压机理，建立了适用于近直立煤层的预警指标体系，提出了近直立煤层降载减撬冲击地压防治技术。

针对冲击危险性评价，目前已经取得了一系列丰硕成果，但由于近直立煤层地质构造复杂，且现有冲击危险性评价方法多为静态评价，评价结果不随工作面采动适时变化。基于此，笔者针对近直立煤层开采过程中冲击显现事件频发现象，研究提出冲击地压危险静动态评价方法，实现动态揭示矿井冲击地压危险的目标。本文研究旨在提高工作面开采过程中冲击地压危险评价的准确性，从而提高矿井安全生产保障水平。

1 工程背景

乌东煤矿属于典型的近直立煤层开采条件，地势为南高北低，矿井采用分区开拓方式进行开采，煤层开采过程中上覆遗留采空区逐渐拉大，造成地表塌陷、大裂缝等现象出现。根据矿井地质资料，乌东煤矿南区处于八道湾向斜区的南翼，矿井主要开采的煤层为B1+2 煤层和B3+6 煤层，由于早期的地质构造造成乌东矿南采区形成典型的近直立煤层，其煤层倾角平均约为87°，煤层厚度分布不均，其中B3+6煤层厚度平均48.9 m,B1+2 煤层厚度平均约37.5 m。

经实验室测定，乌东煤矿南采区两煤层(B1+2煤层、B3+6 煤层)冲击倾向性均为弱冲击倾向性，其中B3+6 煤层单轴抗压强度为19.801 MPa，弹性能指数为3.598，动态破坏时间为216 ms，冲击能量指数为2.501；B1+2 煤层单轴抗压强度为18.317 MPa，弹性能指数3.546，动态破坏时间173 ms，冲击能量指数4.080。乌东煤矿南区煤层分布如图1 所示。B3+6 煤层顶板位于煤层北部，顶板多为粉砂岩和砂质泥岩，岩层质地坚硬；B3+6 和B1+2 煤层中间以一条厚约76 m 的岩柱，以砂岩和细砂岩及泥岩为主，岩性较稳定。2016 年7 月开始，乌东矿开始开采+450B3+6煤层和B1+2 煤层，其中B3+6 煤层工作面超前B1+2 煤层工作面，工作面每层分段高度为25 m(煤层采放比为3∶22)。在开采过后，为了减小地表陷落和岩柱顶板大幅度垮落，采用黄土进行充填。

图1 乌东煤矿南区各水平工作面示意Fig.1 Diagram of the working face at each level in the South Area of Wudong Mine

2 工作面采前冲击危险静态评价

2.1 冲击危险静态评价方法

冲击危险性静态评价方法是对现有综合指数法的改进，通过将评价指标线性归一化并对各个指标赋权，利用各指标加权求和来建立新的评价准则，可减少评价因素的突变性，在工作面开采之前对其进行评价，是一种定量化的冲击危险性评估方法。通过综合指数法划分可能造成冲击危险的地质因素和开采技术条件因素，并根据矿井的现场实际，对各类因素进行赋权，最后给出综合性的冲击危险性静态评价结果，冲击危险性静态评价模型架构如图2 所示。具体流程如下。

1)冲击地压主控因素分析与危险区域初步划分。基于冲击危险主控因素判识结果，对工作面开采过程可能出现冲击显现的区域进行划分圈定，并明确各个区域影响冲击显现事件的主控因素，对工作面前方的冲击危险性进行初步划分，方便后续进行冲击危险性静态评价与危险区划。

2)不同区域冲击地压主控因素集确定及静态评价指标的危险指数计算。对所划定的不同主控因素影响的危险区域，选取适用于不同区域的冲击危险性静态评价地质因素集和开采技术条件因素集，根据综合指数法对各指标因素取值范围进行分析，确定评价指标的上下临界值，当评价指标小于下临界值或者大于上临界值时，危险指数取0 或者1，当评价指标位于上下临界值之间时，利用线性归一化方法建立各个指标的评价准则，正向指标(即与冲击地压的发生呈正相关的指标)的计算见式(1)，负向指标(即与冲击地压的发生呈负相关的指标)的计算见式(2)，得到基于地质因素集和开采技术条件因素集的冲击危险指数。

式中：Ai和Bi分别为地质因素和开采技术因素确定的单指标危险指数；ai和bi分别为地质因素和开采技术因素指标的取值；ai,max和bi,max分别为地质因素和开采技术因素指标的上临界值；ai,min和bi,min分别为地质因素和开采技术因素指标的下临界值。

3)冲击危险静态指标因素权重确定。不同区域的冲击地压主控因素不同，不同因素对冲击地压的贡献不同，需要根据其对冲击地压的贡献程度而赋予相应权重。本文利用层次分析法确定冲击危险性指标因素的权重，使结果更符合矿井实际，层次分析法步骤主要包括：层次结构模型建立、判断矩阵构建、权重矩阵计算与一次性检验、权重确认，具体可参考文献[22]。

4)目标层综合指数计算。基于冲击危险性因素集的危险指数和指标权重的计算结果，依据本文建立的目标层综合指数确定方法，确定冲击危险性静态评价结果，实现工作面采掘过程中冲击危险性静态评价。计算见式(3)和(4)。

式中：A和B分别为地质因素和开采技术因素确定的危险指数；ωi为冲击危险静态指标因素的权重；λa和λb分别为地质因素和开采技术因素危险指数的分配系数；Wj为综合危险性指数，为综合考虑两者对冲击危险性的贡献，均取0.5。

目标层综合危险性指数分级标准见表1。

表1 冲击地压危险静态评价危险分级Table 1 Static evaluation risk classification of rock burst hazard

2.2 冲击危险影响因素及其权重分析

1)冲击危险区域初步划分。乌东煤矿+450 m 水平B3+6 工作面在开采过程中，在不同开采阶段存在的冲击危险因素也明显不同，因此，根据现场实际可将其划分为工作面开切眼附近煤柱影响范围(区域①)、工作面老旧煤矿开采遗留煤柱及保护煤柱边界结构区域(区域②)、B3+6 煤层防护渠保护煤柱边界区域(区域③)、终采线边界煤柱影响区域(区域④)，工作面其他区域(区域⑤)(图3)。根据以上初步划分结果，针对不同区域进行冲击危险性静态评价。

图3 +450B3+6 工作面区域对照Fig.3 +450B3+6 Workface area comparison

2)冲击危险因素分析与权重确定。经过现场调研分析，B3+6 工作面开采过程中受到的地质因素主要包含工作面采深(A1)、顶板岩层厚度特征(A2)、构造发育程度(A3)、煤体单轴抗压强度(A4)、煤的弹性能指数(A5)、本煤层工作面发生的冲击显现事件次数(A6)、及工作面距坚硬顶板距离(A7)等；开采技术条件因素主要包括保护层卸压效果(B1)、工作面分层数量(B2)、工作面宽度(B3)、工作面与上分层开切巷、终采线位置的距离(B4)、工作面分段垂高(B5)及工作面留底煤厚度(B6)等。

针对工作面不同区域，其冲击危险性静态因素及危险性指数取值情况存在不同，并且各个因素对冲击地压的贡献也存在差异，即各因素在进行静态评价时的权重也不尽相同，根据2.1 节的方法，将各区域的条件代入式(1)和式(2)可得到各区域的单指标危险指数，利用层次分析法可计算各个指标因素的权重，结果见表2。

表2 不同区域冲击危险指标因素及权重对照Table 2 Comparison of factors and weights for each indicator of rockburst in different regions

2.3 冲击危险静态评价及危险区划结果

根据以上对+450B3+6 工作面开采过程中的冲击危险性因素危险性指数及权重计算结果，依据式(3)和式(4)计算综合危险性指数。其中区域①地质因素集危险性指数为0.642，开采技术条件因素集危险性指数为0.647，综合危险性指数为0.64；区域②地质因素集危险性指数为0.607，开采技术条件因素集危险性指数为0.537，综合危险性指数为0.57；区域③地质因素集危险性指数为0.639，开采技术条件因素集危险性指数为0.602，综合危险性指数为0.62；区域④地质因素集危险性指数为0.597，开采技术条件因素集危险性指数为0.748，综合危险性指数为0.67；区域⑤地质因素集危险性指数为0.488，开采技术条件因素集危险性指数为0.476，综合危险性指数为0.48。具体计算结果见表3。

表3 +450B3+6 工作面不同区域冲击危险性综合指数Table 3 Combined index of rockburst for different regions of the +450B3+6 Working Face

根据上述不同区域的冲击危险性静态评价结果，结合多因素耦合方法，得出+450B3+6 工作面开采过程中的冲击危险性静态评价危险区域划分结果，如图4 所示。

图4 +450B3+6 工作面冲击危险性区域划分结果Fig.4 Rock burst hazard zone results of +450B3+6 Working Face

3 工作面采中冲击危险动态评价

3.1 冲击危险动态评价指标

冲击显现事件通常伴随着能量的释放和煤岩体大量抛出(纵向或者横向位移的变化)。换言之，在冲击地压发生之前，通常会积聚大量的能量从而保证发生冲击显现时释放出能量，另一方面，采掘过程中也会出现应力集中现象从而满足冲击显现发生时产生采掘空间中的位移。通过对工作面生产过程中的微震、应力等监测系统的前兆指标响应进行分析，从而建立适用于冲击危险性动态评价的评价指标，为后续构建冲击危险性动态评价模型奠定基础。

3.1.1 微震指标与临界值

研究表明，冲击显现事件发生的可能性与工作面微震事件之间的关系很密切。工作面开采过程中，微震事件能量越高则产生冲击显现事件的可能性也就越大。

基于此，利用工作面微震能量建立冲击危险性的微震能量密度判别法，微震能量密度计算见式(5)。

式中：S为所划定区域的面积；Ei为所划定区域的微震能量。计算Md时一般选取半个月至1 个月的微震事件作为研究对象，在进行冲击危险性区划时，根据微震事件的定位结果分析工作面前方区域冲击危险性。

利用微震能量密度计算微震危险性系数Rw，计算方法为：根据经验类比法确定微震能量密度的上下临界值，然后采用线性归一化方法计算微震危险性系数；根据乌东煤矿现场实际，确定微震能量密度上下临界值分别为6lg(J/m2)和3lg(J/m2)，则微震危险性系数的计算式为

微震危险性系数Rw与冲击危险的关系见表4。

表4 微震危险性系数与冲击危险等级对照Table 4 Comparison between microseismic risk index and rockburst risk level

本文确定的微震能量密度上下临界值是基于前人研究基础及矿井实际的统计规律，具有针对性，对于不同矿井的地质和开采技术条件，需要适时的进行调整，以便更好的适应目标矿井开采过程的具体条件。

3.1.2 钻孔应力指标与临界值

工作面生产过程中，钻孔应力与冲击危险性之间存在定量关系。根据国家标准(GB/T25217.7-2019)对工作面生产过程中钻孔应力与冲击危险性之间的关系，将冲击危险性等级分为无、弱、中等、强冲击危险4 种。其中，对于钻孔应力，通常用应力变化率作为判定指标，从而实现运用钻孔应力大小判定工作面的冲击危险性。

钻孔应力变化率的计算见式(7)：

式中：vσ为 应力变化率，MPa/d； Δt为时间间隔，通常为1 d； σmax为 时间间隔内的应力最大值； σmin为时间间隔内的应力最小值。

利用钻孔应力变化率计算应力危险性系数Rl，计算方法为：根据经验类比法确定钻孔应力变化率的上下临界值，然后采用线性归一化方法计算应力危险性系数；根据乌东煤矿现场实际，确定钻孔应力变化率的上下临界值分别为2 MPa/d 和8 MPa/d，则应力危险性系数的计算式为

式中：vσ取工作面前方安装传感器在测定期间(1～2 周)的最大值。

应力危险性系数Rl与冲击危险的关系见表5。

表5 应力危险性系数与冲击危险等级对照Table 5 Comparison between stress risk index and rockburst risk level

本文确定的钻孔应力变化率上下临界值是基于前人研究基础及矿井实际的统计规律，具有针对性，对于不同矿井的地质和开采技术条件，需要适时的进行调整，以便更好的适应目标矿井开采过程的具体条件。

在利用钻孔应力进行冲击危险性评价时，选取工作面前方100 m 范围进行钻孔应力测量。为了方便后续基于钻孔应力进行冲击危险性区域划分，在布置钻孔应力探头时，对探头进行编号并布置在工作面前方各个位置，保证探头之间无死角，每个探头之间间隔5～15 m。

3.2 冲击危险动态评价方法

冲击危险性动态评价模型主要是对微震监测系统、钻孔应力系统所获得的监测数据进行分析，并依此提出微震能量密度、应力变化率等评价指标，通过现场实际和理论计算，对微震震动场动态评价结果和钻孔应力等应力场动态评价结果进行耦合，从而计算出冲击危险性动态评价结果Wd。

利用微震、钻孔应力等动态数据构建冲击危险性动态评价方法。其具体步骤如下：

1)针对某一工作面开采过程中的冲击危险性，分别利用震动场冲击危险性评价和应力场冲击危险性评价方法进行动态评价，并输出相应的冲击危险性指数。

①震动场冲击危险性评价：计算工作面前方一段区域内(一般情况下以推进度乘以15～30 d 为一个周期)的微震能量密度Md。根据微震能量密度，计算出微震危险性系数Rw；根据所得微震危险性系数，计算当前工作面开采条件下的震动场冲击危险性评价结果Wz，从而得出当前环境下的震动场冲击危险性。

②应力场冲击危险性评价：通过对工作面开采过程中工作面前方煤岩体的钻孔应力监测数据进行统计分析，获得工作面一段时间内钻孔应力分布规律。计算钻孔应力变化率vσ，从而得出钻孔应力危险性系数Rl。根据以上结果，计算当前工作面开采条件下的应力场冲击危险性评价结果Wy，从而得出当前环境下的应力场冲击危险性。

2)对震动场和应力场评价结果，采用前述的层次分析法来对两类评价结果的权重进行赋值，本文取震动场和应力场的权重均为0.5。

3)计算冲击危险性动态评价综合指数Wd。依据式(9)计算出工作面开采过程中的冲击危险性动态评价综合指数，根据表6 确定不同区域的危险等级并进行危险区域划分。

表6 冲击危险性动态评价危险分级Table 6 Risk classification for dynamic evaluation of rockburst

式中：μz、μy分别属于震动场和应力场评价指数的权重系数。

3.3 冲击危险动态评价结果

选取乌东矿+450B3+6 工作面2016 年12 月至2017 年4 月开采过程中的监测数据，利用本文建立的冲击危险性动态评价方法对工作面区域局部冲击危险性进行动态评价。利用式(9)计算此区域的冲击危险性动态评价综合指数Wd，并基于危险区域的坐标值，根据计算结果绘制不同区域冲击危险性区域动态划分结果，如图5 所示。分析该区域冲击危险性动态评价结果可知，无论是震动场评价还是应力场评价结果均显示工作面岩柱和顶板区域危险性较高，局部区域甚至处于强冲击危险。根据现场情况，工作面在开采期间岩柱区域和顶板区域发生了多次大能量矿震事件和冲击显现事件，包括“11•24”冲击显现、“2•1”冲击显现、“12•9”大能量事件等。

图5 +450B3+6 工作面冲击地压危险性动态评价结果Fig.5 Results of dynamic evaluation of the rockburst hazard on the +450B3+6 Working Face

4 冲击危险静动态评价及效果检验

4.1 冲击危险静动态评价模型

冲击地压危险静动态评价模型的评价步骤为

1)冲击地压危险静态评价结果和动态评价结果计算。根据前文建立的冲击地压危险静态评价方法，计算工作面开采过程中不同区域的静态评价结果(冲击地压危险静态评价指数Wj)，并进行冲击危险区域划分；利用震动场冲击地压危险指数Wz和应力场冲击地压危险指数Wy计算出动态评价结果Wd，并划分动态评价结果的危险区域。

2)冲击地压危险静态评价和动态评价结果权重赋值。基于前文介绍的层次分析方法，根据现场实际，对冲击地压危险静态评价结果和冲击地压危险动态评价结果进行赋权。

3)冲击地压危险静动态耦合评价指数。根据以上计算出的冲击地压危险静态评价指数和冲击地压危险动态评价指数，通过步骤2 中对各自冲击地压危险指数进行权重赋值，从而得到Wj，Wd及各指标的权重，将其结果代入式(10)进行计算，得到冲击地压危险静动态耦合评价危险指数W2。

式中：γ和λ分别为静态评价和动态评价结果的权重系数。

4)冲击地压危险静动态耦合评价危险程度与危险区域。根据冲击地压危险静动态评价危险程度分级对照表7，得出当前工作面开采条件下的静动态耦合危险级别。根据现场经验和最大安全原则，冲击地压危险静动态耦合冲击危险区域应是静态评价得出的冲击危险区域与动态评价得出的冲击危险区域叠加而成。

表7 静动态耦合冲击危险分级指标Table 7 Static and dynamic coupling rockburst classification index

在实际评价过程中，对冲击地压危险静态评价结果和动态评价结果的耦合包含以下3 种情况：①当所评价区域进行了冲击地压危险静态评价，但未开展动态评价时，式(10)中W2仅包含静态评价结果，相应的权重值γ取1；②当所评价区域仅包含冲击地压危险动态评价时，式(10)中W2仅包含冲击地压危险动态评价结果，相应的权重值λ取1；③当所评价的区域同时进行了冲击地压危险静态评价和动态评价，则采用层次分析法来计算两种评价结果的权重，本文取γ和λ均为0.5。

利用本文所建立的冲击危险性静动态评价模型，在以上对450B3+6 工作面开展开采前冲击危险性静态评价和开采过程中某一阶段的冲击危险性动态评价基础上，进行冲击危险性静态评价结果和动态评价结果的耦合集成，得出该段时间工作面开采过程中的冲击地压静动态耦合危险性。结果如图6 所示。可以发现，选取研究时间段内冲击地压静动态耦合评价结果的区域性特征较明显，部分区域冲击危险性综合指数处于较高水平，而在后续工作面生产过程中该区域附近发生了冲击显现事件。例如，

“4•26”冲击显现事件发生前，工作面静态评价结果为弱冲击危险区，而根据动态评价结果，该事件震源位置附近处于较高危险状态，经过耦合集成后，结果显示该区域处于中等冲击危险区，说明冲击地压静动态耦合评价结果与现场实际情况有较好的一致性。

4.2 冲击危险静动态评价效果检验

针对以上冲击危险性静动态评价结果，本文选取在此期间工作面发生的“4•26”冲击显现事件前后的支架压力分布特征、事件发生前后围岩应力模拟结果对评价结果的合理性进行验证。

通过分析发现，本文所建立的冲击危险性静动态评价方法可以有效的反映工作面开采过程中工作面区域的冲击危险性大小，可以发现，当工作面发生冲击显现事件前，冲击危险性静动态评价结果显示该区域附近为中等冲击危险，随后产生了动力显现。分析冲击显现事件前后支架压力分布规律可以发现，靠近中间岩柱一侧的支架压力值高于顶板侧压力值，在“4•26”冲击显现事件发生前的一段时间内，工作面区域支架压力普遍较高(图7 中黑色虚线圈出的颜色较深区域)，而在临近发生冲击显现事件时出现明显的应力降，直至发生冲击显现事件，冲击发生时，现场出现皮带机侧翻、帮鼓等破坏。根据数值模拟结果(图8)，工作面在“4•26”冲击显现事件前，已开采区域和下部未开采区域均出现了明显的应力集中，且冲击显现事件发生前工作面应力集中程度随工作面推进逐渐增大。

图8 +450B3+6 工作面开采过程围岩应力分布Fig.8 +450B3+6 mining process stress distribution of the surrounding rock

综上，无论是工作面开采过程中围岩应力变化规律的数值模拟结果，还是支架压力变化特征均显示了+450B3+6 工作面开采过程中的应力集中状态和冲击危险性特征，其应力集中区域与冲击危险性静动态评价结果具有较高的重合度和一致性。

5 结 论

1)分析了近直立煤层冲击危险影响因素，利用线性归一化方法得到单因素的危险指数，通过对各因素赋权并进行加权求和得到地质因素和开采技术因素确定的危险指数，将两个危险指数加权平均得到静态评价危险指数，构建了工作面采掘前的冲击危险性静态评价方法，利用该方法将乌东煤矿近直立煤层+450B3+6 工作面划分为5 个局部区域，评价为4 个中等冲击危险和1 个弱冲击危险。

2)构建了微震能量密度和钻孔应力变化率作为动态评价指标，将评价指标线性归一化分别得到震动场评价指数和应力场评价指数，将两者加权平均得到动态评价危险指数，构建了工作面采掘过程的冲击危险性动态评价方法，对+450B3+6 工作面进行了动态评价，结果显示工作面岩柱侧区域具有较高冲击危险性。

3)将冲击危险性静态评价和动态评价结果进行耦合叠加，构建了冲击危险性静动态评价模型，模型综合考虑了采前冲击危险影响因素和采中冲击危险动态变化；将静动态评价模型应用于+450B3+6 工作面，并将评价结果与支架压力监测数据、数值模拟结果和冲击地压显现事件进行了对比分析，发现静动态耦合评价结果更符合现场实际。