尹永明，張興凱，周建新，姜秀慧，溫經(jīng)林

(1. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012；2. 北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0　引言

沖擊地壓是我國(guó)煤礦最為嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害之一，近年來(lái)隨著礦井開采深度不斷增加和開采強(qiáng)度的不斷加大，沖擊地壓礦井越來(lái)越多，嚴(yán)重制約了礦山安全生產(chǎn)[1-2]，沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)作為沖擊地壓防治的基礎(chǔ)工作，我國(guó)修訂后的《煤礦安全規(guī)程》在沖擊地壓防治章節(jié)明確要求“開采具有沖擊傾向性的煤層，必須進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)”。針對(duì)采煤工作面，如能在工作面開采前進(jìn)行沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，即實(shí)現(xiàn)“采前”評(píng)價(jià)，將有利于提前采取針對(duì)性的解危措施，對(duì)工作面沖擊地壓防治具有重要的指導(dǎo)作用。目前，常用的沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法多采用經(jīng)驗(yàn)類比分析法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法[3-4]。經(jīng)驗(yàn)類比分析法是將具有相似地質(zhì)開采條件的采煤區(qū)域與已發(fā)生沖擊地壓的區(qū)域進(jìn)行對(duì)比分析，判斷發(fā)生沖擊地壓的可能性，屬于“采前”評(píng)價(jià)；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)工作面開采過(guò)程中參量變化，綜合評(píng)價(jià)沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)性，主要有鉆屑法、應(yīng)力測(cè)定法[5]、電磁輻射監(jiān)測(cè)法[6]、地音監(jiān)測(cè)法[7]等，多屬于“采中”評(píng)價(jià)。經(jīng)驗(yàn)類比分析法往往只關(guān)注了需評(píng)價(jià)采煤區(qū)域與已發(fā)生沖擊地壓區(qū)域兩者之間的相似因素，而忽視了需評(píng)價(jià)采煤區(qū)域與之不同的其他影響因素，且經(jīng)驗(yàn)類比分析法一般將各影響因素作為一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體進(jìn)行分析，而未考慮各因素之間的相互關(guān)系，因此，經(jīng)驗(yàn)類比分析法具有一定的片面性且受評(píng)價(jià)人主觀性影響較大?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)監(jiān)測(cè)反映沖擊地壓危險(xiǎn)性的參量變化，評(píng)價(jià)結(jié)果更具客觀性，實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓危險(xiǎn)性“精準(zhǔn)”評(píng)價(jià)，但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法屬于“采中”評(píng)價(jià)，相較于經(jīng)驗(yàn)類比分析法這一“采前”評(píng)價(jià)方法，在時(shí)間上具有滯后性，無(wú)法有效指導(dǎo)工作面開采前期沖擊地壓預(yù)防工作。根據(jù)沖擊地壓機(jī)理，沖擊地壓是應(yīng)力作用下煤巖體突然破壞的結(jié)果[8-10]，沖擊地壓的根本控制因素是“應(yīng)力”，而煤巖體所處應(yīng)力環(huán)境受地質(zhì)、開采條件等因素綜合影響，且工作面不同區(qū)域應(yīng)力影響因素賦存特征不同，因此，本文應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法[11]，模擬工作面開采過(guò)程，對(duì)工作面開采過(guò)程中不同區(qū)域煤體應(yīng)力影響因素進(jìn)行綜合分析，評(píng)判沖擊危險(xiǎn)性，從而實(shí)現(xiàn)了采煤工作面沖擊危險(xiǎn)性分區(qū)預(yù)評(píng)價(jià)。該方法屬于“采前”評(píng)價(jià)，同時(shí)該方法實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓影響因素定量化，減少了主觀性影響，評(píng)價(jià)結(jié)果更“精準(zhǔn)”，利于根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提前采取針對(duì)性的解危措施。該評(píng)價(jià)方法在山東某煤礦3105工作面進(jìn)行了應(yīng)用，評(píng)價(jià)結(jié)果較好的反映了工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域分布情況，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基本吻合，有利的指導(dǎo)了該工作面沖擊地壓防治工作。

1　模糊綜合評(píng)價(jià)模型建立步驟

模糊綜合評(píng)價(jià)是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，首先考慮與被評(píng)價(jià)事物相關(guān)的各個(gè)因素，對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，然后對(duì)這些因素進(jìn)行綜合分析，得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。主要包括以下步驟：

1)建立影響因素集。用U表示：U={U1,U2,...,Um}，其中，Um代表第m個(gè)影響因素，m表示影響因素的個(gè)數(shù)。

2)建立評(píng)語(yǔ)集，既危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)。用V表示:V={V1,V2,...,Vn}，其中Vn表示第n個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果，n表示總的評(píng)價(jià)結(jié)果個(gè)數(shù)。

3)確定單因素權(quán)重向量W。單因素權(quán)重向量的大小反映了沖擊地壓各影響因素對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)性影響程度的大小。

4)構(gòu)造關(guān)系模糊矩R。一個(gè)具體的模糊對(duì)象，首先確定合理的隸屬函數(shù)，然后應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行定量分析。

5)模糊綜合評(píng)價(jià)。對(duì)各影響因素進(jìn)行綜合分析，得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2　沖擊地壓危險(xiǎn)性模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立

2.1　建立沖擊地壓影響因素集

遵循重要性、獨(dú)立性和普遍性原則等，結(jié)合該煤礦地質(zhì)開采條件，根據(jù)專家及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)，確定7個(gè)應(yīng)力影響因素，分別為煤巖沖擊傾向性、開采深度、煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)、煤柱影響和工作面開采方式，建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型。具體見表1所示。

表1　影響因素等級(jí)

1)煤巖沖擊傾向性。根據(jù)GB/T 25217.2-2010《沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法第2部分：煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測(cè)定方法》，煤的沖擊傾向性的強(qiáng)弱，一般根據(jù)測(cè)定的4個(gè)指數(shù)進(jìn)行綜合衡量。沖擊能量指數(shù)KE、彈性能量指數(shù)WET、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT和單軸抗壓強(qiáng)度Rc4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2)開采深度。開采深度主要影響原巖應(yīng)力的大小。一般情況下，開采深度越大，煤巖體內(nèi)應(yīng)力水平越高，煤巖體積聚的彈性能越大。

3)煤巖結(jié)構(gòu)。煤巖結(jié)構(gòu)是指其運(yùn)動(dòng)對(duì)采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)產(chǎn)生明顯影響的煤(巖)層或巖層組[12-13]。這些巖層(組)一般為相對(duì)厚而硬的巖層，易于積聚高彈性能，是誘發(fā)沖擊地壓的關(guān)鍵巖層，低(淺)位堅(jiān)硬巖層也是發(fā)生沖擊地壓的必要條件。

4)地質(zhì)構(gòu)造。褶曲、斷層、煤層相變帶等地質(zhì)構(gòu)造帶附近，一方面較大的殘余應(yīng)力的存在使這些區(qū)域成為構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)，是沖擊地壓易發(fā)區(qū)。

5)覆巖空間結(jié)構(gòu)[14]。覆巖空間結(jié)構(gòu)在形成過(guò)程中產(chǎn)生頂?shù)装宓钠屏?、下沉、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，成為動(dòng)載荷“力源”，從而可能誘發(fā)沖擊型突出。其對(duì)回采工作面的影響主要發(fā)生在以下幾個(gè)階段：工作面初次來(lái)壓階段、周期來(lái)壓階段、工作面見方階段等。根據(jù)以上各階段可劃分受覆巖空間結(jié)構(gòu)影響的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)。

6)煤柱。煤柱因受多個(gè)采空區(qū)方向引起的支承壓力的疊加影響而存在應(yīng)力集中區(qū)，煤柱本身已可能誘發(fā)沖擊型突出，同時(shí)上層煤柱可能會(huì)對(duì)下層傳遞集中應(yīng)力，使下層也容易發(fā)生沖擊地壓。煤柱賦存特征包括煤柱寬度、周圍采空區(qū)分布情況等的不同使受煤柱影響的沖擊地壓危險(xiǎn)性不同。

7)開采速度。工作面開采速度越快，對(duì)煤巖層擾動(dòng)越大，也更易形成應(yīng)力集中區(qū)。

2.2　建立沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)

沖擊地壓是應(yīng)力作用下煤巖體突然破壞的結(jié)果，本文根據(jù)各影響因素作用下待評(píng)價(jià)區(qū)域煤巖體應(yīng)力集中程度的大小劃分沖擊地壓危險(xiǎn)性等級(jí)，煤巖體應(yīng)力集中程度越高，沖擊地壓危險(xiǎn)性也相對(duì)越大，將沖擊地壓危險(xiǎn)性分為3個(gè)等級(jí)，即無(wú)危險(xiǎn)性、中度危險(xiǎn)性和高度危險(xiǎn)性，分別用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ表示。

2.3　確定單因素權(quán)重向量

在進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)前，應(yīng)確定各個(gè)因素權(quán)重。為保證確定的結(jié)果能夠真實(shí)反映實(shí)際情況，采用層次分析法(AHP法)[15]。根據(jù)騰東礦區(qū)地質(zhì)開采條件，向具有現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員和專家發(fā)放1-9標(biāo)度法調(diào)查表，根據(jù)打分結(jié)果確定各個(gè)因素的影響程度，進(jìn)而構(gòu)造判斷矩陣，求得各因素權(quán)重。根據(jù)一致性檢驗(yàn)結(jié)果，確定沖擊地壓影響因素權(quán)重集，見表2所示，其中：

W=[0.255,0.131,0.161,0.161,0.122,0.095,0.075]

2.4　構(gòu)造關(guān)系模糊矩陣

在模糊數(shù)學(xué)中，以隸屬度來(lái)描述事物重的模糊界限的。從表1可以看到，所取因素指標(biāo)有2種，定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。根據(jù)確定隸屬函數(shù)的原則，對(duì)表1中的定量指標(biāo)的隸屬度，通過(guò)對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取的各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)沖擊地壓發(fā)生危險(xiǎn)性3級(jí)劃分的隸屬函數(shù)為嶺形模糊分布，標(biāo)準(zhǔn)方程如下：

(1)

式中:u1(xi)，u2(xi)，u3(xi)均為指標(biāo)對(duì)3個(gè)級(jí)別沖擊型突出危險(xiǎn)性的隸屬度；xi為第i個(gè)因素的指標(biāo)值；ai，bi，ci為第i個(gè)因素指標(biāo)的分界值。

對(duì)表1中的定性指標(biāo)可按一定準(zhǔn)則作數(shù)量化處理。本文采用分級(jí)法來(lái)評(píng)定其模糊矩陣Ri。即將各因素按其對(duì)發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)的影響程度分成3個(gè)等級(jí):嚴(yán)重影響(0.8)、中度影響(0.6)、無(wú)影響(0.3)，并按賦值標(biāo)準(zhǔn)給出評(píng)定值。再采用梯形隸屬函數(shù)，構(gòu)建隸屬函數(shù)如下：

(2)

根據(jù)上面隸屬函數(shù)求解公式計(jì)算可得到評(píng)價(jià)對(duì)象所決定的因素集U中的每一個(gè)因素Ui對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果V上的模糊子集為Ri=[ri1,ri2,ri3]。

U中各個(gè)元素對(duì)V的模糊子集可以組成關(guān)系模糊矩陣R。

2.5　模糊綜合評(píng)價(jià)

將關(guān)系模糊矩陣R與通過(guò) AHP法計(jì)算得到的權(quán)重矩陣W按加權(quán)平均算法合成，得到綜合評(píng)價(jià)集B，再按最大隸屬度原則，即可對(duì)某采煤工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。

B=W·R=[b1,b2,b3]

(3)

由此得到評(píng)價(jià)集V的模糊子集B，分向量值最高者在V評(píng)價(jià)集中所屬的位置即為所求的評(píng)價(jià)級(jí)別。

根據(jù)采煤工作面地質(zhì)開采條件，應(yīng)用上述模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)工作面進(jìn)行模擬開采劃分危險(xiǎn)區(qū)域，并對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)程度進(jìn)行等級(jí)劃分，根據(jù)劃分等級(jí)指導(dǎo)沖擊地壓防治工作，提高了礦山生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。

3　工程實(shí)例

山東某煤礦3105工作面屬于深井厚煤層綜放工作面，工作面回采的3下煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，賦存穩(wěn)定，傾角6.5～13°，平均8°，屬近水平煤層，煤厚3.5～7.2 m，平均4.9 m，煤層硬度相對(duì)較大，普氏系數(shù)f為2.2～2.5，煤層密度1.50 t/m3。工作面走向長(zhǎng)度1 200 m，傾斜長(zhǎng)度110 m，平均采深940 m，采用全部垮落法管理頂板，下部相鄰3107工作面采空區(qū)。區(qū)段上平巷為膠帶巷，下平巷為軌道巷。工作面斷層發(fā)育，對(duì)回采工作面有較大影響。直接頂為厚5.01 m細(xì)粒砂巖，距煤層上方46 m處、70 m處、86 m處分別有一層厚14 m中粒砂巖、厚16 m粗粒砂巖和厚67 m礫巖層。經(jīng)沖擊傾向性鑒定，該3下煤層屬于Ⅲ類，為具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層。

以對(duì)工作面初次來(lái)壓階段沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)為例。應(yīng)用礦山壓力與巖層運(yùn)動(dòng)理論計(jì)算得到工作面初次來(lái)壓步距為40～50 m。該階段沖擊地壓危險(xiǎn)性各項(xiàng)評(píng)價(jià)因素的指標(biāo)見表2。

根據(jù)式(1)，式(2)及表2可得相應(yīng)的子集等級(jí)模糊關(guān)系矩陣R。

表2　3105工作面初次來(lái)壓階段沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因素指標(biāo)

按式(3)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)并作歸一化處理，得模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果：

B=W·R=(0.1320.0370.831)

按最大隸屬度原則可知，工作面初次來(lái)壓階段發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)性級(jí)別為高度危險(xiǎn)性，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際情況，并考慮一定的安全系數(shù)，將距開切眼0～90 m范圍內(nèi)劃定為初次來(lái)壓階段沖擊地壓高度危險(xiǎn)區(qū)。

同理對(duì)3105工作面不同位置發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果如表3，其中高度危險(xiǎn)區(qū)7個(gè)，中度危險(xiǎn)區(qū)4個(gè)，分別用紅色、黃色表示，如圖1所示。經(jīng)鉆屑法檢驗(yàn)，評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基本相符，說(shuō)明本文建立的沖擊地壓模糊綜合評(píng)價(jià)模型在煤礦沖擊地壓危險(xiǎn)性分區(qū)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面具有準(zhǔn)確、可靠的特性。

表3　3105工作面沖擊型煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)劃分

注：①危險(xiǎn)區(qū)位置范圍為距開切眼距離；②模糊綜合評(píng)價(jià)得到工作面初次來(lái)壓階段、“見方”階段及斷層區(qū)域均為高度危險(xiǎn)區(qū)。

圖1　3105工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)示意Fig.1　The danger zone of rockburst on LW 3105

4　結(jié)論

1)建立了沖擊地壓危險(xiǎn)性模糊綜合評(píng)價(jià)模型，模擬工作面開采過(guò)程，對(duì)工作面開采過(guò)程中不同區(qū)域煤體應(yīng)力影響因素進(jìn)行綜合分析，評(píng)判沖擊危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)了采煤工作面沖擊危險(xiǎn)性分區(qū)預(yù)評(píng)價(jià)，按危險(xiǎn)程度對(duì)采煤工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了劃分。

2)確定評(píng)價(jià)因素指標(biāo)及其權(quán)重是進(jìn)行沖擊地壓危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)研究，確定了7個(gè)主要影響因素，能夠充分反映工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)力環(huán)境。

3)采用該評(píng)價(jià)方法對(duì)山東某煤礦3105工作面進(jìn)行沖擊地壓危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)，得到7個(gè)沖擊地壓高度危險(xiǎn)區(qū)，4個(gè)中度危險(xiǎn)區(qū)，評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基本吻合，表明該模型是合理可行的。

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