基于地应力反演的褶曲区煤层冲击危险性评价研究

徐隽松 ，潘鹏志 ，陈建强 ，赵善坤 ，吴振华 ，刘旭东

（1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430071；2.中国科学院大学, 北京 100049；3.国家能源集团新疆能源有限责任公司, 新疆 乌鲁木齐 830000；4.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院, 北京 100013）

0 引 言

冲击地压是指在复杂的地应力场作用下，矿井和采掘工作面围岩将积蓄的弹性能量瞬间释放而造成破坏的矿井动力现象[1-2]。随着煤矿开采深度的增加，地应力场的分布趋于复杂，发生冲击矿压的危险性增大[3]。实践证明，冲击地压动力灾害事故的发生与煤矿深井地应力场的分布密切相关。因此，针对煤矿开采区域的地应力场分布特征和煤矿开采的特点，进行冲击地压危险性评价是科学提出冲击地压灾害防治对策的基础[4-7]。

关于冲击地压的危险性评价方法，诸多学者对其进行了广泛而深入的研究。窦林名等[8-9]在冲击地压研究中提出了综合指数法，曲孔典等[10]利用数值模拟分析，结合综合指数法得到了采空区域宽度的评价指数参数的修正方法。陈建强等[11]根据一般综合指数法对各指标进行调整，采用层级分析法对各要素的权重进行确认，提出了适用于急倾斜煤层的冲击地压危险性评价方法。文献[12-14]基于冲击地压评价指标的不确定性，构建了模糊综合判定的冲击地压危险性评价模型，确定了冲击地压危险性评价指标。张宏伟等[15]运用地质动力区划法，分析了急倾斜特厚煤层的原始应力，对乌东井田产生冲击地压的地质动力环境进行了评价。邓志刚[16]应用三维地应力场反演技术进行相关研究，综合考虑结构应力、采动影响等，实现了对采集区域的冲击危险评价。姜福兴等[17]根据自重应力场的分布特征，提出了叠加各冲击危险性因素的冲击危险性评价方法，量化了开采工作面的冲击危险性评价。结合模糊综合判断理论和动态权重思想，秦子晗[18]提出了一种提高评价客观公正性的冲击危险性评价方法。何学秋等[19]提出了近直立煤层的冲击地压发生机理及监测预警机制。

国内常用的综合指数法、地质动力区划法等能够较为准确的评价煤层冲击危险性，但大部分针对的是近水平煤层及缓倾斜煤层，且传统的综合指数法受人工打分带来的主观影响较大。因此，针对急倾斜特厚煤层，有必要综合考虑相应评价指标的适用性。另外，在前人的工作中，地应力场相关的评价指标直接的信息来源基本上是极为有限的地应力场实测数据，因此难以综合全面反应研究区域的地应力场分布特征，从而造成危险性评价结果的不准确。

在前人研究的基础上，将动态权重方法与综合指数法结合，并基于乌东煤矿南采区的地应力场反演，提出了适用于褶曲构造区急倾斜特厚煤层的冲击危险性评价方法。

1 基于地应力场反演的冲击危险性动态权重综合指数评价方法

1.1 研究思路

基于地应力场反演的褶曲构造区特厚煤层冲击危险性评价方法的研究思路如下：①根据地质资料，建立研究区域的地质模型，基于多元线性回归方法，反演研究区域地应力场；②根据地应力场分布特征，确定综合指数法的相关指标及其参数划分范围；③选取评价主控因素，计算指标自然权重和危险等级权重；④计算动态综合权重，并对实际工况进行危险性评估，验证方法的准确性；⑤对不同区域的冲击危险性进行评估。

1.2 地应力场反演方法概述

地应力场反演方法-多元线性回归方法建立在获得实测地应力值的基础上，以研究区域的地形、地貌和地质构造为条件，其计算过程可分5 步进行：

1）根据岩体的地质构造、山体地形条件及实测资料，建立三维数值计算模型。

2）采用三维数值计算模型，开展6 种初始基本工况的计算：① 自重应力状态；②X向水平均匀挤压构造运动；③Y向水平均匀挤压构造运动；④XY向均匀剪切构造运动；⑤YZ向均匀剪切构造运动；⑥XZ向均匀剪切构造运动。通过数值模拟获得每个应力测点处的6 个应力分量计算值。

3）根据各个测点的应力分量计算值和地应力实测值，用最小二乘法进行回归分析，得出各个作用因素对地应力场的影响权重系数，并进行各因素的回归显著性检验，剔除回归效果不显著的因素。

4）重新根据显著影响地应力场分布的作用因素进行回归分析，计算得出各个作用因素对地应力场的影响权重系数。

5）将各因素的权重分别与对应的荷载相乘而得到综合荷载，并将其施加到数值计算模型上，计算分析得出岩体初始地应力场分布及各测点应力值。

1.3 评价主控因素的选取

冲击地压危险性评价结果的可靠程度取决于评价指标选取的科学性及其与具体工程实践结合的紧密程度。在遵循通用的冲击地压危险性评价方法的选取原则下，根据褶皱区急倾斜特厚煤层的特点以及前人的研究工作，选取的评价主控因素如下：开采深度[11]、煤层倾角[20]、上覆硬厚岩层与煤层的距离[11]、煤岩的冲击倾向性[19]、最大主应力、遗留煤柱的水平距离[11]、工作面与邻近采空区的关系[21]、采煤方法[19]、工作面与断层的距离[21]和至八道湾向斜煤层走向逆转区距离[11]。

其中地应力是比较复杂的主控因素，是引起矿井动力现象的根本作用力，其大小和方向对冲击地压具有显著影响[11]。

1.4 动态权重的确定

指标的综合属性权重W[18]为

式中:wk'、wk"分别为第k个指标的属性权重和等级权重；n为指标个数。

综上所述，在获得各指标的综合权重后，结合等级评价指数表，确定各地质量因素对冲击地压危险性的影响程度，计算得到冲击地压危险性的综合指数Wt。

式中：Wt为冲击地压危险性综合指数；αi为第i个因素的综合权重；Wi,max为第i项评价指标中的最大评价指数值；Wi为第i项评价指标的实际评价指数；n为因素的数目。基于式（3），可分别求出地质因素对应的危险性综合指数Wt1和开采条件所对应的危险性指数Wt2。根据Wt指数的大小，针对不同区域的危险状态，制定相应的防治措施。

2 乌东矿褶皱区急倾斜特厚煤层的地应力场反演

2.1 乌东矿南采区工程概况

乌东煤矿南区位于八道湾向斜南翼，如图1 所示。受强烈的地质运动作用，八道湾向斜南北两翼倾角分别约为87°和45°。其中开采的B1+2 煤层和B3+6 煤层为近直立特厚煤层组，地层倾角为87°，两煤层组之间为近直立岩层。其中B1+2 煤取样点煤岩柱状图和B3+6 煤取样点煤岩柱状图分别如图2和图3 所示。采用水平分段开采方法，综合机械化放顶煤开采工艺，采深为350 m 时，矿井出现动力现象，诸如冲击地压、矿震、围岩大变形、矿压显现剧烈等，矿井开采+500 水平分层时于2013 年2 月27日和7 月2 日发生2 次较大冲击地压显现现象，同时造成下分层+475 水平准备工作面两回采巷道大变形破坏，影响范围巷道超过100 m。

图1 乌东矿区构造[22]Fig.1 Structural of Wudong Mining Area[22]

图2 乌东煤矿B1+2 煤取样点煤岩柱状图[23]Fig.2 Coal rock column of sampling point B1+2 in Wudong Coal Mine[23]

图3 乌东煤矿B3+6 煤取样点煤岩柱状图[23]Fig.3 Coal rock column of sampling point B3+6 in Wudong Coal Mine[23]

2.2 地应力场反演模型

地应力场反演中的数值模拟采用工程岩体破裂过程细胞自动机分析软件CASRock[24]，该软件避免了传统方法需求解大型线性方程组及其带来的复杂性，可以对煤岩体的稳定性进行较大规模的数值仿真。根据乌东矿地质资料，利用Ansys 建模软件建立乌东矿褶皱构造区模型，沿巷道走向的长度为2 000 m，垂直于走向的长度约为1 500 m，高度约为1 350 m。模型整体按照四面体单元自由划分，单元总数接近700 万。将模型导入CASRock 计算软件，如图4 所示，其中不同颜色表示区分不同的地质材料。其中模型各材料的力学参数[22]见表1。

表1 煤岩物理及力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal rock

图4 地应力场反演模型Fig.4 Inversion model of geostress field

2.3 多元线性回归地应力场反演

1）建立模型后，约束模型各一侧的X、Y和Z法向位移，分别单独施加重力场、X法向挤压的单位位移、Y法向挤压的单位位移、XY切向单位位移、YZ切向单位位移和XZ切向单位位移，如图5 所示。

2）分别提取每种加载条件下6 个地应力测点对应位置的应力状态信息，将所得到的计算值与通过地应力测量得到的实测值做线性回归处理，其中多元线性回归数学模型如下：

3）将结果代入地应力场反演回归模型，得到如下表达式：

式中：σd为地应力分量回归值；σx为X向水平构造应力场；σy为Y向水平构造应力场；σxy为XY切向构造应力场；σz为自重应力场；σyz为YZ切向构造应力场；σxz为XZ切向水平构造应力场，e为误差。

4）将6 个单位位移加载值分别乘以对应的回归系数，并将其一起施加在模型上，来模拟乌东矿褶皱区的初始地应力场。根据线性叠加原理调整回归系数，最终得到地应力多元线性回归表达式：

相应的地应力测点计算值与实测值的数据比较见表2。

表2 地应力测点计算值与实测值Table 2 Calculated and measured values of in-situ stress measurement points

5）由表2 分析可知，计算值与实测值的误差范围基本上在30%以内，故可以认为地应力反演结果是合理的[25]。

3 褶皱构造区急倾斜煤层冲击地压危险性评估

3.1 地应力场特征指标分析

依据地应力场反演结果，分别在位于同一水平的底板、B1+2 煤层及其两侧的煤岩边界、顶板上等距各取一点，并沿褶曲翼部产状在埋深100～1 300 m选取5 条测线（图6）。

图6 乌东矿近直立煤层模型测线布置Fig.6 Survey line arrangement of near vertical coal seam model in Wudong Mine

绘制应力分量及其相关系数随深度的变化曲线，结果如图7 所示。

图7 应力分量及其相关系数随深度的变化曲线Fig.7 Variation curves of stress components and their correlation coefficients with depth

由图7 可知，越靠近顶板岩层（岩柱），地应力水平越高，变化越剧烈，并且随着深度的增加，不同的曲线呈现出相似的变化趋势。根据地应力反演结果，通过引入应力差异系数[11]，划分煤矿开采深度范围；将最大主应力纳入评价指标，并根据最大主应力的变化情况，对最大主应力的范围进行评级。通过引入应力差异系数α=（σH-σv）/σH（其中σH为最大水平应力；σv为垂直应力），绘制应力差异系数随深度的变化曲线。根据应力差异系数变化曲线，如图7c 所示，在深度为380 m 处，顶板岩层处的应力差异系数降为0，即地应力场的主导应力发生变化；在深度约为530 m 处，煤层与顶板岩层边界处的应力场差异系数降为0，表示边界处垂直应力大于水平应力分量，地应力场分布特征再次发生改变。结合冲击地压最浅发生水平[11]，对上述结果进行调整，确定开采深度范围划分，即<200 m，[200, 350) m，[350, 500) m 和≥500 m。

最大主应力表现为挤压应力，且在乌东矿褶皱区急倾斜特厚煤层的产状形成中起到主要作用，也是引起矿井动力现象的根本原因之一。由图7d 可知，B1+2 煤层附近的地层中最大主应力的范围为15～30 MPa。其中除开岩柱中最大主应力的变化情况，煤层及底板中的最大主应力变化范围为15～25 MPa。因此可将最大主应力范围划分为<15 MPa，[15, 20) MPa，[20, 25) MPa，≥25 MPa。

3.2 乌东矿南采区急倾斜煤层+500 m 水平标高各指标的危险性评分

根据前人的研究成果[11,19-20]和相关规范[21]，结合乌东矿区急倾斜煤层的地质产状、煤岩性质、地应力场分布特征和施工条件，从地质因素和开采条件两方面选取评价主控因素及相应参数。其中地质因素包括开采深度[11]、煤层倾角[20]、煤层及顶底板的冲击倾向性[19]、上覆硬厚岩层与煤层距离[11]和最大主应力；开采条件包括遗留煤柱的水平距离[11]、工作面与邻近采空区的关系[21]、采煤方法[19]、工作面与断层的距离[21]和至八道湾向斜煤层走向逆转区距离[11]。由此确定褶皱区急倾斜特厚煤层冲击地压的评价指标分级表，见表3。

表3 急倾斜特厚煤层冲击地压的评价指标分级表Table 3 Evaluation index classification table of rock burst of steeply inclined extra-thick coal seam

依据表3 对乌东矿南采区+500 m 水平B1+2 煤层工作面各指标进行评估：已知其深度在300 m 左右，采用水平分段综采放顶煤开采，顶底板坚硬岩层至煤层距离在10 m 以内；经试验测定，煤层煤样以及顶底板岩样冲击倾向性均为弱。+500 m 水平B1+2 工作面开采时，B3+6 工作面已开采完毕，故B1+2 工作面所处位置为一侧采空。结合综合指数法，匹配每项评价指标的危险等级与指数得分（表4），最终得到地质因素以及开采条件的各个指标的评估得分，见表5。

表4 等级评估指数Table 4 Grade evaluation index

表5 乌东矿南采区+500 m 水平B1+2 工作面各因素影响的冲击地压危险评估指数Table 5 Rockburst risk assessment index of working face B1+2 at +500 m level in south area of Wudong Mine affected by various factors

3.3 各危险性评价指标的动态权重计算

根据层次分析法[14]，分别对地质因素评价指标和开采条件评价指标进行重要性比较，分别得到相应的评价指标重要性比较矩阵。其中地质因素评价指标重要性比较矩阵如下：

通过计算得到该矩阵的特征向量[0.197,0.132,0.073,0.108,0.089,0.161,0.240]T，即对应为表3 中地质因素评价指标的属性权重。经检验，结果的一致性符合要求。 另外开采条件评价指标重要性比较矩阵如下所示：

同理可得开采条件评价指标属性权重的向量形式：[0.305,0.135,0.076,0.179,0.305]T。

为求得评价指标等级权重，根据评价指标危险等级Ⅰ～Ⅳ的顺序，列出指标等级重要性比较矩阵，如下所示：

同理可得指标等级属性权重的向量形式：

[0.138,0.195,0.276,0.391]T。

根据式（1）、（2）和（3），求解得到各指标的综合权重，结果见表6。

表6 乌东矿南采区+500 m 水平B1+2 综放工作面评价指标权重计算值Table 6 Weight calculation value of evaluation index of B1+2 fully mechanized caving working face at +500 m level in south area of Wudong Mine

根据式（3）求得深度300 m 处地质因素和开采条件的综合指数得分分别为0.566 和0.571，对照冲击地压危险状态分级[11]，见表7，可知该工作面属于中等冲击危险性，并与神新能源公司乌东煤矿冲击地压相关的研究结果作比较[26]，发现二者结论吻合，故验证了该判别方法的准确性。

表7 冲击地压危险状态分级Table 7 Classification of rockburst danger state

3.4 乌东矿南采区急倾斜煤层不同水平标高的冲击危险性预测

根据前文所述方法对乌东矿南采区急倾斜煤层不同水平标高的B1+2 工作面进行危险性预测，由此可得乌东矿南采区不同水平B1+2 工作面各因素影响的冲击地压危险评估指数，见表8。

表8 乌东矿南采区不同水平B1+2 工作面各因素影响的冲击地压危险评估指数Table 8 Rockburst risk assessment index of different levels B1+2 working face of south area of Wudong Mine affected by various factors

根据表6 和式（1）、式（2），计算得到各指标的综合权重，其结果见表9。

表9 乌东矿南采区不同水平B1+2 综放工作面评价指标权重计算值Table 9 Weight calculation values of evaluation indexes of B1+2 fully-mechanized top-coal caving working face at different levels in south area of Wudong Mine

结合表9 和式（3），计算得到不同深度处工作面的地质因素和开采条件的综合指数得分，按照冲击地压危险状态分级，可知乌东矿南采区不同水平B1+2 综放工作面危险评级均为中等冲击危险性，见表10。同时设置对照组，运用传统的综合指数法再次评价煤层的危险性，通过比较2 种方法所取得的结果，可知新方法能有效削弱危险因素中和所带来的影响，相应的危险性变化曲线如图8 所示。

表10 乌东矿南采区不同水平B1+2 综放工作面评价结果Table 10 Evaluation results of B1+2 fully-mechanized top-coal caving face at different levels in south area of Wudong Mine

图8 危险性得分随开采深度的变化Fig.8 Variation of risk score with mining depth

由图8 可知，相较于传统的综合指数法基于动态权重的新方法更能突出危险性因素，相应的危险性评分更高，并能有效区分地质因素与开采条件在不同埋深下的主导作用。

4 结 论

1）根据乌东煤矿南采区地质特性和冲击危险动态加权综合指数评价方法，依据地应力反演结果，确定了急倾斜特厚煤层冲击危险评价指标，并将评价指标分级，形成了急倾斜特厚煤层动态加权评价法的计算体系。与传统的评估方法相比，动态加权方法降低了其他指标元素相互干扰所引起的评估误差，提高了评估结果的精度。

2）对乌东煤矿南采区+500 m 水平B1+2 作业面评价冲击危险性的结果，该作业面冲击危险等级为Ⅲ级，被评价为中等冲击危险等级。

3）运用上述方法评估待开采的乌东煤矿南采区不同水平B1+2 作业面，预测性评价结果为中等及以上的冲击危险性。