Static-dynamic rockburst risk assessment method in near-vertical coal seams
-
摘要:
现有冲击地压危险评价方法以采掘前揭露的地质条件和开采技术条件为依据，属于静态评价，评价结果与真实情况存在差距，如何与采掘过程中的监测数据相结合得到更加符合实际的评价结果是需要进一步解决的问题。为此，综合地质及开采条件和监测数据，提出了一种冲击地压危险静动态耦合评价方法，并在典型近直立煤层工作面进行了应用。首先，通过改进综合指数法提出工作面采掘前静态评价方法，包括将综合指数法包含的评价指标进行线性归一化得到单指标危险指数，利用层次分析法对各评价指标赋权，通过加权求和分别得到地质因素和开采技术因素确定的危险指数，然后将两个危险指数加权平均得到静态评价危险指数；其次，利用监测数据构建了采掘过程中动态评价方法，包括根据微震和钻孔应力监测特点及其与冲击危险性的关系，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；最后，利用加权平均法将静态评价危险指数和动态评价危险指数进行耦合叠加得到耦合评价危险指数，根据该指数来确定危险等级和危险区域。上述方法在乌东煤矿+450B3+6工作面的应用结果显示，静态评价方法在工作面回采前划定4个中等冲击危险区和1个弱冲击危险区，动态评价方法判定工作面回采过程中岩柱侧具有较高冲击危险性，静动态耦合评价将静态评价的部分弱冲击危险区再评价为中等冲击危险区；通过工作面回采过程的支架压力监测数据、数值模拟结果和冲击地压显现事件对评价结果进行了检验，发现静动态耦合评价结果更符合现场实际。研究成果为冲击地压危险评价提供了一种新方法和新思路。
Abstract:The existing rockburst risk assessment methods generally belong to static assessment method which normally depends on the geological and mining conditions that are revealed prior to mining. There is commonly a certain gap between the assessment results and the real situation. How to combine with the monitoring data in the mining process to get more realistic evaluation results is a problem that needs to be further solved. To this end, this work proposes a static-dynamic coupling rockburst risk assessment method taking into account the geological and mining conditions as well as the monitoring data, and the method has been being applied in typical panels in near-vertical coal seams. Firstly, a static evaluation method used before mining based on the improved comprehensive index method is proposed. The evaluation indicators contained in the comprehensive index method are linearly normalized to obtain the single indicator risk index. The AHP method is used to assign weights to each evaluation indicator, and the weighted summation of all indicator risk indexes is calculated to obtain the risk indexes determined by geological factors and mining technology factors, respectively. Then the weighted mean of the two risk indexes is used as the static evaluation risk index. Secondly, a dynamic evaluation method used during mining by utilizing the monitoring data is constructed. According to the characteristics of microseismic monitoring and borehole stress monitoring and their relationship with rockburst risk, the dynamic evaluation indicators are constructed based on the microseismic energy density and borehole stress variation. The evaluation indicators are linearly normalized to obtain two evaluation indexes. The weighted mean of the two indexes is used as the dynamic evaluation risk index. Finally, the two proposed methods are combined to get a static-dynamic coupling evaluation model. The coupling evaluation risk index is obtained by weighted average of the static evaluation risk index and the dynamic evaluation risk index, and then the risk grade and risk area are determined. The method is applied in +450B3+6 panel of Wudong Coal Mine. Results show that the static evaluation method demarcates 4 medium risk areas and 1 weak risk area before the mining of the panel, the dynamic evaluation method determines that the rock pillar side has high risk level in the mining process of the panel, and the static dynamic coupling evaluation re-evaluates the weak risk area of the static evaluation to the medium risk area. By investigating the monitoring data of support pressure, the numerical simulation results and the rockburst occurrence on site during the mining process of the panel, the evaluation results are verified, and it is found that the static and dynamic coupling evaluation results are more consistent with the actual situation. This work provides a new method and a new idea for the risk assessment of rock burst.
-
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Figure 1. Diagram of the working face at each level in the South Area of Wudong Mine2. 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。
![]()
图 2 冲击危险性静态评价模型流程示意Figure 2. Diagram of the rockburst static evaluation model process1)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。
$$ \left\{\begin{array}{l} A_i=\left(a_i-a_{i, \min }\right) /\left(a_{i, \max }-a_{i, \min }\right) \\ B_i=\left(b_i-b_{i, \min }\right) /\left(b_{i, \max }-b_{i, \min }\right) \end{array}\right.$$ (1) $$ \left\{\begin{array}{l} A_i=\left(a_{i, \max }-a_i\right) /\left(a_{i, \max }-a_{i, \min }\right) \\ B_i=\left(b_{i, \max }-b_i\right) /\left(b_{i, \max }-b_{i, \min }\right) \end{array}\right. $$ (2) 式中：
$ {A}_{i} $ 和$ {B}_{i} $ 分别为地质因素和开采技术因素确定的单指标危险指数；$ {a}_{i} $ 和$ {b}_{i} $ 分别为地质因素和开采技术因素指标的取值；$ {a}_{i,{\rm{max}}} $ 和$ {b}_{i,{\rm{max}}} $ 分别为地质因素和开采技术因素指标的上临界值；$ {a}_{i,{\rm{min}}} $ 和$ {b}_{i,{\rm{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)。
$$ A=\sum {\omega }_{{{i}}}{A}_{{{i}}} \text{；} B=\sum {\omega }_{i}{B}_{i} $$ (3) $$ {W}_{{\rm{j}}}={\lambda }_{{\rm{a}}}A+{\lambda }_{{\rm{b}}}B $$ (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；
${\omega }_{{{i}}}$ 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冲击危险等级 冲击危险状态 综合危险指数Wj I 无 <0.25 II 弱 0.25～0.50 III 中等 0.50～0.75 IV 强 >0.75 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。
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区域 参数A 参数B 参数 危险性指数 权重 参数 危险性指数 权重 ① A1 0.66 0.14 B1 0 0.24 A2 0.54 0.20 B2 0.50 0.22 A3 0.53 0.19 B3 0.98 0.17 A4 0.98 0.12 B4 1.00 0.13 A5 0.53 0.12 B5 1.00 0.09 A6 0 0.07 B6 1.00 0.15 A7 1.00 0.16 — — — 区域② A1 0.66 0.16 B1 0.33 0.21 A2 0.54 0.18 B2 0.50 0.16 A3 0.53 0.18 B3 0.87 0.17 A4 0.98 0.12 B4 0 0.22 A5 0.53 0.21 B5 1.00 0.12 A6 0 0.07 B6 1.00 0.12 A7 1.00 0.08 — — — 区域③ A1 0.66 0.17 B1 0.33 0.19 A2 0.54 0.12 B2 0.50 0.24 A3 0.53 0.15 B3 0.87 0.08 A4 0.98 0.19 B4 0 0.14 A5 0.53 0.22 B5 1.00 0.13 A6 0 0.07 B6 1.00 0.22 A7 1.00 0.08 — — — 区域④ A1 0.66 0.11 B1 0 0.16 A2 0.54 0.15 B2 0.50 0.18 A3 0.53 0.17 B3 0.98 0.09 A4 0.98 0.09 B4 1.00 0.16 A5 0.53 0.16 B5 1.00 0.19 A6 0 0.14 B6 1.00 0.22 A7 1.00 0.18 — — — 区域⑤ A1 0.66 0.17 B1 0 0.22 A2 0.54 0.07 B2 0.50 0.15 A3 0.23 0.20 B3 0.87 0.24 A4 0.98 0.13 B4 0.50 0.16 A5 0.53 0.14 B5 0.66 0.11 A6 0 0.20 B6 0.33 0.12 A7 1.00 0.09 — — — 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区域 地质因素指数 开采技术因素指数 综合指数 冲击危险性 区域① 0.642 0.647 0.64 中等 区域② 0.607 0.537 0.57 中等 区域③ 0.639 0.602 0.62 中等 区域④ 0.597 0.748 0.67 中等 区域⑤ 0.488 0.476 0.48 弱 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Figure 4. Rock burst hazard zone results of +450B3+6 Working Face3. 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)。
$$ {M}_{d}=\frac{\displaystyle\sum _{i=1}^{n}{\lg}{E}_{{\rm{i}}}}{S} $$ (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
$$ {R}_{{\rm{w}}}=\left\{ \begin{aligned} &0,& {M}_{{\rm{d}}}\leqslant 3\\ &\dfrac{{M}_{{\rm{d}}}}{3}-1,& 3 < {M}_{{\rm{d}}}\leqslant 6\\ &1,& {M}_{{\rm{d}}} > 6\end{aligned} \right. $$ (6) 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危险等级 危险状态 微震危险性系数 I 无冲击危险 Rw＜0.25 II 弱冲击危险 0.25≤Rw＜0.50 III 中等冲击危险 0.50≤Rw＜0.75 IV 强冲击危险 0.75≤Rw＜1 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)：
$$ {v}_{\sigma }=\frac{{\sigma }_{{\rm{max}}}-{\sigma }_{{\rm{min}}}}{\mathrm{\Delta }t} $$ (7) 式中：
$ {v}_{\sigma } $ 为应力变化率，MPa/d；$ \Delta t $ 为时间间隔，通常为1 d；$ {\sigma }_{{\rm{max}}} $ 为时间间隔内的应力最大值；$ {\sigma }_{{\rm{min}}} $ 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
$$ {R}_{l}=\left\{\begin{array}{cc} 0,& {v}_{\sigma }\leqslant 2\\ \dfrac{{v}_{\sigma }}{6}-\dfrac{1}{3},& 2 < {v}_{\sigma }\leqslant 8\\ 1,& {v}_{\sigma } > 8\end{array}\right. $$ (8) 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危险等级 危险状态 应力危险性系数 I 无冲击危险 Rl＜0.25 II 弱冲击危险 0.25≤Rl＜0.50 III 中等冲击危险 0.50≤Rl＜0.75 IV 强冲击危险 0.75≤Rl＜1 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危险等级 危险状态 冲击危险综合指数Wd I 无冲击危险 <0.25 II 弱冲击危险 0.25～0.50 III 中等冲击危险 0.50～0.75 IV 强冲击危险 >0.75 $$ W_{\rm{d}}=\mu_{\textit{z}} W_{\textit{z}}+\mu_y W_y$$ (9) 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。
![]()
图 5 +450B3+6工作面冲击地压危险性动态评价结果Figure 5. Results of dynamic evaluation of the rockburst hazard on the +450B3+6 Working Face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。
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。
$$ {W}_{\mathrm{2}}=\gamma {W}_{{\rm{d}}}+\lambda {W}_{{\rm{j}}} $$ (10) 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危险等级 危险状态 耦合危险性指数 I 无冲击危险 Wz＜0.25 II 弱冲击危险 0.25≤Wz＜0.50 III 中等冲击危险 0.50≤Wz＜0.75 IV 强冲击危险 0.75≤Wz＜1 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。
![]()
图 6 +450B3+6面冲击地压静动态耦合危险性评价结果Figure 6. +450B3+6 Working Face rockburst static and dynamic coupling hazard evaluation results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Figure 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。
-
![]()
图 1 乌东煤矿南区各水平工作面示意
Figure 1. Diagram of the working face at each level in the South Area of Wudong Mine
![]()
图 2 冲击危险性静态评价模型流程示意
Figure 2. Diagram of the rockburst static evaluation model process
![]()
图 4 +450B3+6工作面冲击危险性区域划分结果
Figure 4. Rock burst hazard zone results of +450B3+6 Working Face
![]()
图 5 +450B3+6工作面冲击地压危险性动态评价结果
Figure 5. Results of dynamic evaluation of the rockburst hazard on the +450B3+6 Working Face
![]()
图 6 +450B3+6面冲击地压静动态耦合危险性评价结果
Figure 6. +450B3+6 Working Face rockburst static and dynamic coupling hazard evaluation results
![]()
图 8 +450B3+6工作面开采过程围岩应力分布
Figure 8. +450B3+6 mining process stress distribution of the surrounding rock
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
冲击危险等级 冲击危险状态 综合危险指数Wj I 无 <0.25 II 弱 0.25～0.50 III 中等 0.50～0.75 IV 强 >0.75 
下载: 导出CSV
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
区域 参数A 参数B 参数 危险性指数 权重 参数 危险性指数 权重 ① A1 0.66 0.14 B1 0 0.24 A2 0.54 0.20 B2 0.50 0.22 A3 0.53 0.19 B3 0.98 0.17 A4 0.98 0.12 B4 1.00 0.13 A5 0.53 0.12 B5 1.00 0.09 A6 0 0.07 B6 1.00 0.15 A7 1.00 0.16 — — — 区域② A1 0.66 0.16 B1 0.33 0.21 A2 0.54 0.18 B2 0.50 0.16 A3 0.53 0.18 B3 0.87 0.17 A4 0.98 0.12 B4 0 0.22 A5 0.53 0.21 B5 1.00 0.12 A6 0 0.07 B6 1.00 0.12 A7 1.00 0.08 — — — 区域③ A1 0.66 0.17 B1 0.33 0.19 A2 0.54 0.12 B2 0.50 0.24 A3 0.53 0.15 B3 0.87 0.08 A4 0.98 0.19 B4 0 0.14 A5 0.53 0.22 B5 1.00 0.13 A6 0 0.07 B6 1.00 0.22 A7 1.00 0.08 — — — 区域④ A1 0.66 0.11 B1 0 0.16 A2 0.54 0.15 B2 0.50 0.18 A3 0.53 0.17 B3 0.98 0.09 A4 0.98 0.09 B4 1.00 0.16 A5 0.53 0.16 B5 1.00 0.19 A6 0 0.14 B6 1.00 0.22 A7 1.00 0.18 — — — 区域⑤ A1 0.66 0.17 B1 0 0.22 A2 0.54 0.07 B2 0.50 0.15 A3 0.23 0.20 B3 0.87 0.24 A4 0.98 0.13 B4 0.50 0.16 A5 0.53 0.14 B5 0.66 0.11 A6 0 0.20 B6 0.33 0.12 A7 1.00 0.09 — — —
下载: 导出CSV
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
区域 地质因素指数 开采技术因素指数 综合指数 冲击危险性 区域① 0.642 0.647 0.64 中等 区域② 0.607 0.537 0.57 中等 区域③ 0.639 0.602 0.62 中等 区域④ 0.597 0.748 0.67 中等 区域⑤ 0.488 0.476 0.48 弱
下载: 导出CSV
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
危险等级 危险状态 微震危险性系数 I 无冲击危险 Rw＜0.25 II 弱冲击危险 0.25≤Rw＜0.50 III 中等冲击危险 0.50≤Rw＜0.75 IV 强冲击危险 0.75≤Rw＜1
下载: 导出CSV
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
危险等级 危险状态 应力危险性系数 I 无冲击危险 Rl＜0.25 II 弱冲击危险 0.25≤Rl＜0.50 III 中等冲击危险 0.50≤Rl＜0.75 IV 强冲击危险 0.75≤Rl＜1
下载: 导出CSV
表 6 冲击危险性动态评价危险分级
Table 6 Risk classification for dynamic evaluation of rockburst
危险等级 危险状态 冲击危险综合指数Wd I 无冲击危险 <0.25 II 弱冲击危险 0.25～0.50 III 中等冲击危险 0.50～0.75 IV 强冲击危险 >0.75
下载: 导出CSV
表 7 静动态耦合冲击危险分级指标
Table 7 Static and dynamic coupling rockburst classification index
危险等级 危险状态 耦合危险性指数 I 无冲击危险 Wz＜0.25 II 弱冲击危险 0.25≤Wz＜0.50 III 中等冲击危险 0.50≤Wz＜0.75 IV 强冲击危险 0.75≤Wz＜1
下载: 导出CSV
-
[1] LI Zhenlei,HE Xueqiu,DOU Linming,et al. Numerical investigation of load shedding and rockburst reduction effects of top-coal caving mining in thick coal seams[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2018,110:266−278. doi: 10.1016/j.ijrmms.2018.08.005
[2] 于正兴,姜福兴,桂 兵. 冲击地压危险性的宏观评价方法在“孤岛”工作面的应用[J]. 矿业安全与环保,2011,38(5):30−32. doi: 10.3969/j.issn.1008-4495.2011.05.011 YU Zhengxing,JIANG Fuxing,GUI Bing. Application of macroscopic evaluation method of rockburst risk in “isolated island” face[J]. Mining Safety & Environmental Protection,2011,38(5):30−32. doi: 10.3969/j.issn.1008-4495.2011.05.011
[3] 冀贞文,孙春江,姜福兴. 波兰煤矿冲击地压防治技术现状及分析[J]. 煤炭科学技术,2008,36(1):11−14. doi: 10.13199/j.cst.2008.01.16.jizhw.012 JI Zhenwen,SUN Chunjiang,JIANG Fuxing. Present status and analysis on rock burst prevention and control technology in Poland[J]. Coal Science and Technology,2008,36(1):11−14. doi: 10.13199/j.cst.2008.01.16.jizhw.012
[4] ZHU Z,WU Y,HAN J. A prediction method of coal burst based on analytic hierarchy process(AHP) and fuzzy comprehensive evaluation(FCE)[J]. Frontiers in Earth Science,2022,9:834958.
[5] 舒凑先. 陕蒙接壤矿区深部富水工作面冲击地压机理与防治研究[D]. 北京: 北京科技大学, 2019. SHU Couxian. The mechanism and prevention of rock burst at the water-rich working face in the deep zone of mine in the adjacent area of Shaanxi and Inner Mongolia[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2019.
[6] 宋来智,王同旭,何 勇,等. 基于可能性指数诊断法的半孤岛工作面冲击地压危险评价[J]. 煤矿安全,2015,46(8):209−211,215. SONG Laizhi,WANG Tongxu,HE Yong,et al. Rock burst evaluation of half isolated island face by probability index diagnosis method[J]. Safety in Coal Mines,2015,46(8):209−211,215.
[7] 姜福兴,史先锋,王存文,等. 高应力区分层开采冲击地压事故发生机理研究[J]. 岩土工程学报,2015,37(6):1123−1131. doi: 10.11779/CJGE201506019 JIANG Fuxing,SHI Xianfeng,WANG Cunwen,et al. Mechanical mechanism of rock burst accidents in slice mining face under high pressure[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2015,37(6):1123−1131. doi: 10.11779/CJGE201506019
[8] 张宏伟,荣 海,陈建强,等. 基于地质动力区划的近直立特厚煤层冲击地压危险评价[J]. 煤炭学报,2015,40(12):2755−2762. ZHANG Hongwei,RONG Hai,CHEN Jianqiang,et al. Risk assessment of rockburst based on geo-dynamic division method insuberect and extremely thick coal seam[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(12):2755−2762.
[9] 张宏伟,孟庆男,韩 军,等. 地质动力区划在冲击地压矿井中的应用[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2016,35(5):449−455. doi: 10.11956/j.issn.1008-0562.2016.05.001 ZHANG Hongwei,MENG Qingnan,HAN Jun,et al. Application of the geological dynamic division in rock burst coal mine[J]. Journal of Liaoning Technical University: (Natural Science),2016,35(5):449−455. doi: 10.11956/j.issn.1008-0562.2016.05.001
[10] 陈 蓥,张宏伟,韩 军,等. 基于地质动力区划的矿井动力环境研究[J]. 世界地质,2011,30(4):690−696. doi: 10.3969/j.issn.1004-5589.2011.04.027 CHEN Ying,ZHANG Hongwei,HAN Jun,et al. Research on mine dynamic environment based on geo-dynamic division[J]. World Geology,2011,30(4):690−696. doi: 10.3969/j.issn.1004-5589.2011.04.027
[11] 冯宜语,刘同策,尹增德,等. 多因素耦合法评定工作面冲击地压危险性[J]. 煤矿安全,2013,44(8):196−199. FENG Yiyu,LIU Tongce,YIN Zengde,et al. Coalface rock burst evaluation by multifactor coupling method[J]. Safety in Coal Mines,2013,44(8):196−199.
[12] 窦林名, 何学秋. 冲击矿压防治理论与技术[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2001. [13] 姜福兴,刘 懿,翟明华,等. 基于应力与围岩分类的冲击地压危险性评价研究[J]. 岩石力学与工程学报,2017,36(5):1041−1052. doi: 10.13722/j.cnki.jrme.2016.1203 JIANG Fuxing,LIU Yi,ZHAI Minghua,et al. Evaluation of rock burst hazard based on the classification of stress and surrounding rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2017,36(5):1041−1052. doi: 10.13722/j.cnki.jrme.2016.1203
[14] 曹安业,王常彬,窦林名,等. 临近断层孤岛面开采动力显现机理与震动波CT动态预警[J]. 采矿与安全工程学报,2017,34(3):411−417. doi: 10.13545/j.cnki.jmse.2017.03.002 CAO Anye,WANG Changbin,DOU Linming,et al. Dynamic manifestation mechanism of mining on the island coalface along fault and dynamic pre-warning of seismic waves with seismic tomography[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2017,34(3):411−417. doi: 10.13545/j.cnki.jmse.2017.03.002
[15] 张科学,亢 磊,何满潮,等. 矿井煤层冲击危险性多层次综合评价研究[J]. 煤炭科学技术,2020,48(8):82−89. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2020.08.010 ZHANG Kexue,KANG Lei,HE Manchao,et al. Research on multi-level comprehensive evaluation of coal seam rock burst risk in underground mine[J]. Coal Science and Technology,2020,48(8):82−89. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2020.08.010
[16] HE Shengquan,SONG Dazhao,LI Zhenlei,et al. Mechanism and prevention of rockburst in steeply inclined and extremely thick coal seams for fully mechanized top-coal caving mining and under gob filling conditions[J]. Energies,2020,13(6):1362. doi: 10.3390/en13061362
[17] 荣 海,张宏伟,陈建强,等. 基于多因素模式识别的急倾斜特厚煤层冲击地压危险性预测[J]. 采矿与安全工程学报,2018,35(1):125−132. doi: 10.13545/j.cnki.jmse.2018.01.018 RONG Hai,ZHANG Hongwei,CHEN Jianqiang,et al. Rockburst-risk prediction in steep-inclined and extremely thick coal seams based on the multi-factor pattern recognition method[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2018,35(1):125−132. doi: 10.13545/j.cnki.jmse.2018.01.018
[18] HE S,SONG D,LI Z,et al. Precursor of spatio-temporal evolution law of MS and AE activities for rock burst warning in steeply inclined and extremely thick coal seams under caving mining conditions[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2019,52(7):2415−2435. doi: 10.1007/s00603-018-1690-z
[19] 王正义. 急倾斜特厚煤层水平分段开采夹持型冲击失稳机理研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2019. WANG Zhengyi. Mechanism of clamping rockburst in horizontal section mining of steeply inclined, extra-thick coalseam[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2019.
[20] 曹民远,陈建强,闫瑞兵,等. 基于数据分析的近直立煤层冲击地压致灾因素研究[J]. 煤炭科学技术,2019,47(12):32−37. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2019.12.005 CAO Minyuan,CHEN Jianqiang,YAN Ruibing,et al. Study on factors affecting rock burst of sub-erect coal seam based on data analysis[J]. Coal Science and Technology,2019,47(12):32−37. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2019.12.005
[21] 何学秋,陈建强,宋大钊,等. 典型近直立煤层群冲击地压机理及监测预警研究[J]. 煤炭科学技术,2021,49(6):13−22. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2021.06.002 HE Xueqiu,CHEN Jianqiang,SONG Dazhao,et al. Study on mechanism of rock burst and early warning of typical steeply inclined coal seams[J]. Coal Science and Technology,2021,49(6):13−22. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2021.06.002
[22] 许振浩,李术才,李利平,等. 基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估[J]. 岩土力学,2011,32(6):1757−1766. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2011.06.027 XU Zhenhao,LI Shucai,LI Liping,et al. Risk assessment of water or mud inrush of karst tunnels based on analytic hierarchy process[J]. Rock and Soil Mechanics,2011,32(6):1757−1766. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2011.06.027
-
期刊类型引用(6)
1. 陈泽民，李振雷，钟涛平，宋大钊，刘旭东，胡旭聪. 急倾斜特厚煤层防冲开采方法数值模拟研究. 煤矿安全. 2025(01): 117-127 . 
百度学术
2. 钟涛平，李振雷，陈建强，宋大钊，何学秋，刘旭东，周超，冯攀飞. 近直立特厚煤层应力调控防冲方法及机制. 中国矿业大学学报. 2024(02): 291-306 . 百度学术
3. 杨景，牟宗龙，李家卓，刘广建，尹子霆，庄佳鑫. 多指标融合赋权综合预警的冲击危险评价方法. 采矿与岩层控制工程学报. 2024(03): 81-94 . 百度学术
4. 朱红伟，薛雅荣，李振雷，杨菲，何生全. 基于微震时空信息的近直立煤层致冲因素研究. 煤矿安全. 2024(06): 117-125 . 百度学术
5. 王子伟，程博源，魏炜杰，孙文超，谢东恒，谢缅羽. 近直立煤层群水平分段综放开采充填卸压防冲研究. 工矿自动化. 2024(09): 82-89 . 百度学术
6. 谷雪斌，张呈国，郭伟耀，张悦颖，公绪飞，王超，赵西坡，张磊. 冲击地压矿井典型微震信号特征及其判识研究. 煤炭学报. 2024(S2): 694-713 . 百度学术
其他类型引用(1)
计量
- 文章访问数: 100
- HTML全文浏览量: 14
- PDF下载量: 37
- 被引次数: 7
