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冲击-突出复合动力灾害危险性评估方法研究
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摘要：针对目前缺乏系统性评价冲击-突出复合动力灾害危险性的评价方法，基于复合动力灾害扰动响应失稳理论，综合考虑煤体应力、瓦斯压力、围岩结构、支护作用等，建立冲击-突出复合动力灾害危险性评估方法，并以某矿22240工作面为例进行现场应用。针对工作面的危险区域采用煤层注水进行解危，通过电荷监测验证解危效果。该方法能够量化评价工作面冲击-突出复合动力灾害危险性，为灾害防治提供有力依据。
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随着煤矿开采深度的增加,煤矿深部冲击地压与瓦斯突出复合动力灾害发生概率明显增加[1-2]｡为实现灾害的精准预测及高效防控,需对工作面进行危险性评价[3-4]｡诸多学者针对煤矿不同灾害类型的危险评价方法进行研究｡为进行冲击地压危险性评价,窦林名等[5]提出综合指数法;葛志会等[6]建立了模糊综合评价方法;王爱文等[7]提出了临界应力指数计算方法,量化评价了巷道冲击地压危险性｡为预测煤与瓦斯突出危险性,胡千庭等[8]提出了煤层瓦斯含量指标法;王云刚等[9]提出了熵权灰色关联法｡然而目前关于冲击-突出复合动力灾害危险性评价相关的研究较少,欧阳振华等[10]提出一种改进型含瓦斯煤冲击危险性综合指数法,但其忽略了瓦斯压力与围岩应力之间的耦合作用;潘一山[11]提出将煤与瓦斯突出和冲击地压两类动力灾害进行一体化研究,建立了复合动力灾害扰动响应统一失稳理论｡
为此,本文基于扰动响应失稳理论,综合考虑围岩､支护､瓦斯､地质条件等计算评价区域的临界应力及实际应力,基于已发生动力现象的临界应力指数划分工作面危险等级及危险区域,建立冲击-突出复合动力灾害危险性评估方法,通过煤层注水进行冲击-突出复合动力灾害防治,采用电荷监测验证解危效果｡
1、冲击-突出复合动力灾害危险性评估方法
(1)临界应力指数法
将地下巷道简化为圆形硐室,综合考虑煤体应力､瓦斯压力､围岩结构､支护作用等,建立冲击-突出复合动力灾害危险性评价模型,如图1所示｡当含瓦斯煤岩体系统所受应力超过临界应力P*时,巷道失稳发生动力灾害[11-12]｡
图1圆形巷道冲击-突出复合动力灾害危险性评价模型
在同时考虑巷道支护应力Ps及瓦斯压力pg的情况下,圆形巷道发生冲击-突出复合动力灾害的临界应力
计算围岩实际应力P与灾害发生临界应力P*的比值得出应力指数
应力指数可判断不同位置处冲击-突出复合动力灾害发生的危险等级｡
将式(2)代入式(1)可得冲击-突出复合动力灾害发生的应力指数
(2)评价流程
①实测出煤的单轴抗压强度和冲击能量指数[13];
②根据巷道实际支护情况,计算支护应力;
③测出工作面各位置处瓦斯压力,求平均值;
④计算圆形巷道发生冲击-突出复合动力灾害的临界应力;
⑤对于非圆形巷道,需考虑巷道形状变异系数,如表1所示;
表1巷道形状变异系数表
⑥分析待评价工作面的应力来源,包括自重应力､构造应力､老顶来压等,基于应力叠加原则计算巷道的实际应力[14];
⑦若待评价或相邻区域发生过冲击-突出复合动力灾害,计算灾害发生区域的应力指数作为危险评价标准,若没有,则参考地质条件相似且发生过冲击-突出复合动力灾害区域的应力指数;
⑧计算各位置处的应力指数,划分危险等级及危险区域｡
2、现场应用
2.1工作面概况
某矿22240工作面煤层厚度4.0~6.7m,平均5.55m;煤层倾角2°~11°,平均7.8°｡工作面设计采高5.6m,可采走向平均长1035.8m,倾斜198m｡原始瓦斯压力0.38~0.76MPa,瓦斯含量4.21~7.85m3/t｡残余瓦斯压力小于0.6MPa,残余瓦斯含量小于6m3/t｡
2.2评价结果
(1)工作面临界应力
22240工作面煤体的单轴抗压强度及冲击能量指数､瓦斯压力､巷道支护应力和临界应力如表2所示｡
表2工作面临界应力
由于工作面的瓦斯压力均小于0.74MPa,同时工作面巷道皆为矩形断面,由表1可得,巷道形状变异系数均为1.3｡
修正后的临界应力如表3所示｡
表3修正后工作面临界应力
(2)工作面实际应力
分析22240工作面地质情况可知,机､风两巷的应力主要由自重应力和断层构造应力组成,切眼应力主要包括上覆岩层自重应力｡
22240工作面开切眼埋深938.74~972.19m,地面标高+183.0~+240.0m,自重应力26.262665~27.10895MPa;机巷埋深972.19~1000.59m,自重应力27.10895~27.8274749MPa;回风巷埋深928.74~974.26m,自重应力26.262665~27.161321MPa｡应力集中区域主要包括以下几种类型:
①断层影响工作面复合动力灾害的主要因素为其落差高度｡不同落差高度条件下由于断层产生的应力集中系数和影响范围如表4所示｡断层构造情况如表5所示｡
表4断层影响情况
表5断层构造情况
②工作面切眼上覆岩层悬顶面积大,易发生压架事件,应力集中系数取1.7｡
③工作面回采造成上覆岩层垮落,直接顶初次来压步距为16.5m｡故工作面0~16.5m初始推采范围内的应力集中系数取1.6｡
④1次见方200m处和2次见方350m处,影响范围取50m,即150~250m､300~400m,应力集中系数取1.6｡
⑤工作面回采至联络巷前方一定距离时,其与机巷､风巷及回采工作面共同作用形成“孤岛”,在上覆岩层作用下产生应力集中现象,增加动力灾害发生的可能性｡参考某矿301工作面,其地质条件与22240工作面相似,取“孤岛”位置处影响范围为110m,应力集中系数取1.7｡
⑥工作面上方小于30m处,开采有保护层,近距离保护层对于巷道及工作面围岩的应力峰值具有降低作用,降低至原来的0.7~0.75倍(此处按0.75倍进行计算)｡
⑦经应力集中计算后机巷和回风巷距开切眼位置和近似应力分布如图2､图3所示｡由图2､图3可知,近似应力最高的区域为开切眼,其他较高区域为机巷和回风巷距开切眼250m以内､300~400m处,以及联络巷位置处｡
图2风巷近似应力分布
图3机巷近似应力分布
(3)临界应力指数评价指标
由于22240工作面未发生过冲击-突出复合动力灾害,故危险等级划分标准参照工作面所在采区发生动力现象的临界指数,如表6所示｡
表6区域临界指数
计算得出临界应力范围为2.47~2.71MPa,临界应力指数取2.47(保险起见可取2.50)为中危险的评价标准,最大值2.71(保险起见可取2.75)为强危险的评价标准,如表7所示｡
表7临界应力指数评价标准
(4)22240工作面危险区域划分
计算工作面各段临界应力,求出临界应力指数划分如图4､图5所示｡危险区域划分如图6所示｡具有强危险区域0处;中危险区域6处,位于开切眼､机巷距开切眼0~16.5m､150~250m和300~400m处､联络巷位置处､风巷距开切眼0~16.5m处;弱危险区域4处,主要位于机巷460~590m､704~904m和回风巷150~400m､616~815m处;其余各段为无危险区域｡机巷的危险等级略高于回风巷,主要由于机巷采深较大,断层数量多,存在联络巷｡
图4风巷应力指数划分
图5机巷应力指数划分
图6危险区域划分结果
3、解危措施及效果
为防治工作面F3断层附近冲击-突出复合动力灾害的发生,采用螯合型湿润剂进行断层前后100m范围内煤层注水作业[15]｡作业完成后测得原煤的含水率为2.93%,测得所取煤样含水率为5.97%,煤体含水率提高至原来的103.7%,显著提高了煤层润湿效果,降低了复合动力灾害发生可能性｡
为验证煤层注水解危效果,在煤层注水作业前后对断层前后各20m范围内每隔5m进行电荷监测[16-17]｡监测结果如图7所示｡
图7断层前后20m范围内电荷监测
由图7可知,随钻进深度的增加,感应电荷值呈现先增大后减小的趋势,且断层位置处的电荷值最大,表明断层的存在使得附近煤体所受围岩应力增加使煤岩体微破裂事件增加,煤层复合动力灾害危险性增大｡煤层注水作业后,最大电荷值由51.8pC减少至43.5pC,电荷值显著减小并降至临界值50pC以下｡因此,煤层注水对于该工作面断层区域的冲击-突出复合动力灾害实现了有效解危｡
4、结语
(1)通过临界应力指数法对某矿22240工作面､停采线附近､断层附近进行危险性区域划分｡其中工作面的强危险区域0处,中危险区域6处,弱危险区域4处｡机巷的危险等级略高于回风巷,主要由于联络巷､断层､采深的影响｡
(2)煤层注水作业将煤层含水率提高至原来的103.7%,显著提高了煤层润湿效果｡同时,电荷监测结果显示,最大电荷值由51.8pC减少至43.5pC,电荷值显著减小并降至临界值50pC以下,有效防止了冲击-突出复合动力灾害事故的发生｡
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基金资助:国家自然科学基金项目(51904141);国家自然科学基金-辽宁联合基金重点项目(U1908222);国家重点研发计划项目(2022YFC3004605);
文章来源:张国川,李娜,张海庆,等.冲击-突出复合动力灾害危险性评估方法研究[J].煤矿机械,2025,46(04):100-103.
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