陳建強 ，宋大釗 ，常 博 ，李振雷 ，潘鵬志 ，蘭世瑞 ，朱紅偉 ，楊華康

（1.國家能源集團新疆能源有限責任公司, 新疆 烏魯木齊 830000；2.北京科技大學 土木與資源工程學院, 北京 100083；3.中國科學院 武漢巖土力學研究所, 湖北 武漢 430000；4.國家能源集團新疆能源有限責任公司 烏東煤礦, 新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

沖擊地壓是煤礦生產(chǎn)過程中的動力災害之一，嚴重制約礦井安全生產(chǎn)[1]。通常隨著開采深度、地質(zhì)構造復雜程度等因素增大，沖擊危險性會同步增加，因此，對沖擊危險性的研究就顯得尤為重要[2]。波蘭是最早開始系統(tǒng)研究沖擊地壓災害的國家之一，通過一系列研究并制定嚴格的沖擊地壓防治措施，取得了較好的效果[3]。

國內(nèi)外學者經(jīng)過大量研究，通過提出多種影響沖擊地壓發(fā)生可能性及嚴重程度的因素，進而建立了相關的沖擊地壓危險評價方法，包含綜合指數(shù)法[4]、可能性指數(shù)法[5–7]、動力區(qū)劃法[8–10]及多因素耦合評價方法[11]等。其中，在工作面生產(chǎn)前，通常進行2 次沖擊地壓危險評價(掘進工作面沖擊危險性評價和回采工作面沖擊性危險評價)。竇林名等[12]通過研究提出了綜合指數(shù)法，對工作面的沖擊危險程度進行有效評價；姜福興等[13]經(jīng)過大量研究，提出了適用于回采工作面的可能性指數(shù)法和基于應力疊加的沖擊地壓危險評價方法，使沖擊地壓危險評價效果顯著提高；曹安業(yè)等[14]利用震動波CT 反演技術對工作面回采過程中的沖擊地壓危險進行了評價分析，為工作面安全生產(chǎn)提供了有效保障。張科學等[15]提出了基于層次分析法的礦井煤層沖擊危險性模糊綜合評價模型，建立了模糊綜合評價關系矩陣，進行了模糊綜合評價。

近直立煤層作為急傾斜煤層的一種特殊形式，由于地質(zhì)構造、煤層賦存狀態(tài)等條件復雜，造成其受沖擊地壓影響較嚴重[16]。針對近直立煤層沖擊危險性評價和監(jiān)測預警問題，國內(nèi)外學者展開大量研究。榮海等[17]基于地質(zhì)動力區(qū)劃法，分析確定了沖擊地壓誘發(fā)因素及井田構造和斷層活動特征；HE 等[18]通過分析近直立煤層沖擊顯現(xiàn)前兆特征，建立了多元融合的沖擊危險監(jiān)測預警模式。王正義等[19]通過分析急傾斜/近直立煤層開采過程中沖擊地壓顯現(xiàn)特征，對沖擊危險性評價的地質(zhì)因素和開采因素進行了修正，從而使結果更適合這種特殊煤層。曹民遠等[20]采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法分別對礦井微震事件分布和B3+6 煤層綜放工作面沖擊地壓事故進行了統(tǒng)計分析，揭示了沖擊地壓顯現(xiàn)的主要致災因素。何學秋等[21]揭示了近直立煤層群壓撬型沖擊地壓機理，建立了適用于近直立煤層的預警指標體系，提出了近直立煤層降載減撬沖擊地壓防治技術。

針對沖擊危險性評價，目前已經(jīng)取得了一系列豐碩成果，但由于近直立煤層地質(zhì)構造復雜，且現(xiàn)有沖擊危險性評價方法多為靜態(tài)評價，評價結果不隨工作面采動適時變化?；诖?，筆者針對近直立煤層開采過程中沖擊顯現(xiàn)事件頻發(fā)現(xiàn)象，研究提出沖擊地壓危險靜動態(tài)評價方法，實現(xiàn)動態(tài)揭示礦井沖擊地壓危險的目標。本文研究旨在提高工作面開采過程中沖擊地壓危險評價的準確性，從而提高礦井安全生產(chǎn)保障水平。

1 工程背景

烏東煤礦屬于典型的近直立煤層開采條件，地勢為南高北低，礦井采用分區(qū)開拓方式進行開采，煤層開采過程中上覆遺留采空區(qū)逐漸拉大，造成地表塌陷、大裂縫等現(xiàn)象出現(xiàn)。根據(jù)礦井地質(zhì)資料，烏東煤礦南區(qū)處于八道灣向斜區(qū)的南翼，礦井主要開采的煤層為B1+2 煤層和B3+6 煤層，由于早期的地質(zhì)構造造成烏東礦南采區(qū)形成典型的近直立煤層，其煤層傾角平均約為87°，煤層厚度分布不均，其中B3+6煤層厚度平均48.9 m,B1+2 煤層厚度平均約37.5 m。

經(jīng)實驗室測定，烏東煤礦南采區(qū)兩煤層(B1+2煤層、B3+6 煤層)沖擊傾向性均為弱沖擊傾向性，其中B3+6 煤層單軸抗壓強度為19.801 MPa，彈性能指數(shù)為3.598，動態(tài)破壞時間為216 ms，沖擊能量指數(shù)為2.501；B1+2 煤層單軸抗壓強度為18.317 MPa，彈性能指數(shù)3.546，動態(tài)破壞時間173 ms，沖擊能量指數(shù)4.080。烏東煤礦南區(qū)煤層分布如圖1 所示。B3+6 煤層頂板位于煤層北部，頂板多為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖，巖層質(zhì)地堅硬；B3+6 和B1+2 煤層中間以一條厚約76 m 的巖柱，以砂巖和細砂巖及泥巖為主，巖性較穩(wěn)定。2016 年7 月開始，烏東礦開始開采+450B3+6煤層和B1+2 煤層，其中B3+6 煤層工作面超前B1+2 煤層工作面，工作面每層分段高度為25 m(煤層采放比為3∶22)。在開采過后，為了減小地表陷落和巖柱頂板大幅度垮落，采用黃土進行充填。

圖1 烏東煤礦南區(qū)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 工作面采前沖擊危險靜態(tài)評價

2.1 沖擊危險靜態(tài)評價方法

沖擊危險性靜態(tài)評價方法是對現(xiàn)有綜合指數(shù)法的改進，通過將評價指標線性歸一化并對各個指標賦權，利用各指標加權求和來建立新的評價準則，可減少評價因素的突變性，在工作面開采之前對其進行評價，是一種定量化的沖擊危險性評估方法。通過綜合指數(shù)法劃分可能造成沖擊危險的地質(zhì)因素和開采技術條件因素，并根據(jù)礦井的現(xiàn)場實際，對各類因素進行賦權，最后給出綜合性的沖擊危險性靜態(tài)評價結果，沖擊危險性靜態(tài)評價模型架構如圖2 所示。具體流程如下。

1)沖擊地壓主控因素分析與危險區(qū)域初步劃分。基于沖擊危險主控因素判識結果，對工作面開采過程可能出現(xiàn)沖擊顯現(xiàn)的區(qū)域進行劃分圈定，并明確各個區(qū)域影響沖擊顯現(xiàn)事件的主控因素，對工作面前方的沖擊危險性進行初步劃分，方便后續(xù)進行沖擊危險性靜態(tài)評價與危險區(qū)劃。

2)不同區(qū)域沖擊地壓主控因素集確定及靜態(tài)評價指標的危險指數(shù)計算。對所劃定的不同主控因素影響的危險區(qū)域，選取適用于不同區(qū)域的沖擊危險性靜態(tài)評價地質(zhì)因素集和開采技術條件因素集，根據(jù)綜合指數(shù)法對各指標因素取值范圍進行分析，確定評價指標的上下臨界值，當評價指標小于下臨界值或者大于上臨界值時，危險指數(shù)取0 或者1，當評價指標位于上下臨界值之間時，利用線性歸一化方法建立各個指標的評價準則，正向指標(即與沖擊地壓的發(fā)生呈正相關的指標)的計算見式(1)，負向指標(即與沖擊地壓的發(fā)生呈負相關的指標)的計算見式(2)，得到基于地質(zhì)因素集和開采技術條件因素集的沖擊危險指數(shù)。

式中：Ai和Bi分別為地質(zhì)因素和開采技術因素確定的單指標危險指數(shù)；ai和bi分別為地質(zhì)因素和開采技術因素指標的取值；ai,max和bi,max分別為地質(zhì)因素和開采技術因素指標的上臨界值；ai,min和bi,min分別為地質(zhì)因素和開采技術因素指標的下臨界值。

3)沖擊危險靜態(tài)指標因素權重確定。不同區(qū)域的沖擊地壓主控因素不同，不同因素對沖擊地壓的貢獻不同，需要根據(jù)其對沖擊地壓的貢獻程度而賦予相應權重。本文利用層次分析法確定沖擊危險性指標因素的權重，使結果更符合礦井實際，層次分析法步驟主要包括：層次結構模型建立、判斷矩陣構建、權重矩陣計算與一次性檢驗、權重確認，具體可參考文獻[22]。

4)目標層綜合指數(shù)計算。基于沖擊危險性因素集的危險指數(shù)和指標權重的計算結果，依據(jù)本文建立的目標層綜合指數(shù)確定方法，確定沖擊危險性靜態(tài)評價結果，實現(xiàn)工作面采掘過程中沖擊危險性靜態(tài)評價。計算見式(3)和(4)。

式中：A和B分別為地質(zhì)因素和開采技術因素確定的危險指數(shù)；ωi為沖擊危險靜態(tài)指標因素的權重；λa和λb分別為地質(zhì)因素和開采技術因素危險指數(shù)的分配系數(shù)；Wj為綜合危險性指數(shù)，為綜合考慮兩者對沖擊危險性的貢獻，均取0.5。

目標層綜合危險性指數(shù)分級標準見表1。

表1 沖擊地壓危險靜態(tài)評價危險分級Table 1 Static evaluation risk classification of rock burst hazard

2.2 沖擊危險影響因素及其權重分析

1)沖擊危險區(qū)域初步劃分。烏東煤礦+450 m 水平B3+6 工作面在開采過程中，在不同開采階段存在的沖擊危險因素也明顯不同，因此，根據(jù)現(xiàn)場實際可將其劃分為工作面開切眼附近煤柱影響范圍(區(qū)域①)、工作面老舊煤礦開采遺留煤柱及保護煤柱邊界結構區(qū)域(區(qū)域②)、B3+6 煤層防護渠保護煤柱邊界區(qū)域(區(qū)域③)、終采線邊界煤柱影響區(qū)域(區(qū)域④)，工作面其他區(qū)域(區(qū)域⑤)(圖3)。根據(jù)以上初步劃分結果，針對不同區(qū)域進行沖擊危險性靜態(tài)評價。

圖3 +450B3+6 工作面區(qū)域?qū)φ誇ig.3 +450B3+6 Workface area comparison

2)沖擊危險因素分析與權重確定。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研分析，B3+6 工作面開采過程中受到的地質(zhì)因素主要包含工作面采深(A1)、頂板巖層厚度特征(A2)、構造發(fā)育程度(A3)、煤體單軸抗壓強度(A4)、煤的彈性能指數(shù)(A5)、本煤層工作面發(fā)生的沖擊顯現(xiàn)事件次數(shù)(A6)、及工作面距堅硬頂板距離(A7)等；開采技術條件因素主要包括保護層卸壓效果(B1)、工作面分層數(shù)量(B2)、工作面寬度(B3)、工作面與上分層開切巷、終采線位置的距離(B4)、工作面分段垂高(B5)及工作面留底煤厚度(B6)等。

針對工作面不同區(qū)域，其沖擊危險性靜態(tài)因素及危險性指數(shù)取值情況存在不同，并且各個因素對沖擊地壓的貢獻也存在差異，即各因素在進行靜態(tài)評價時的權重也不盡相同，根據(jù)2.1 節(jié)的方法，將各區(qū)域的條件代入式(1)和式(2)可得到各區(qū)域的單指標危險指數(shù)，利用層次分析法可計算各個指標因素的權重，結果見表2。

表2 不同區(qū)域沖擊危險指標因素及權重對照Table 2 Comparison of factors and weights for each indicator of rockburst in different regions

2.3 沖擊危險靜態(tài)評價及危險區(qū)劃結果

根據(jù)以上對+450B3+6 工作面開采過程中的沖擊危險性因素危險性指數(shù)及權重計算結果，依據(jù)式(3)和式(4)計算綜合危險性指數(shù)。其中區(qū)域①地質(zhì)因素集危險性指數(shù)為0.642，開采技術條件因素集危險性指數(shù)為0.647，綜合危險性指數(shù)為0.64；區(qū)域②地質(zhì)因素集危險性指數(shù)為0.607，開采技術條件因素集危險性指數(shù)為0.537，綜合危險性指數(shù)為0.57；區(qū)域③地質(zhì)因素集危險性指數(shù)為0.639，開采技術條件因素集危險性指數(shù)為0.602，綜合危險性指數(shù)為0.62；區(qū)域④地質(zhì)因素集危險性指數(shù)為0.597，開采技術條件因素集危險性指數(shù)為0.748，綜合危險性指數(shù)為0.67；區(qū)域⑤地質(zhì)因素集危險性指數(shù)為0.488，開采技術條件因素集危險性指數(shù)為0.476，綜合危險性指數(shù)為0.48。具體計算結果見表3。

表3 +450B3+6 工作面不同區(qū)域沖擊危險性綜合指數(shù)Table 3 Combined index of rockburst for different regions of the +450B3+6 Working Face

根據(jù)上述不同區(qū)域的沖擊危險性靜態(tài)評價結果，結合多因素耦合方法，得出+450B3+6 工作面開采過程中的沖擊危險性靜態(tài)評價危險區(qū)域劃分結果，如圖4 所示。

圖4 +450B3+6 工作面沖擊危險性區(qū)域劃分結果Fig.4 Rock burst hazard zone results of +450B3+6 Working Face

3 工作面采中沖擊危險動態(tài)評價

3.1 沖擊危險動態(tài)評價指標

沖擊顯現(xiàn)事件通常伴隨著能量的釋放和煤巖體大量拋出(縱向或者橫向位移的變化)。換言之，在沖擊地壓發(fā)生之前，通常會積聚大量的能量從而保證發(fā)生沖擊顯現(xiàn)時釋放出能量，另一方面，采掘過程中也會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象從而滿足沖擊顯現(xiàn)發(fā)生時產(chǎn)生采掘空間中的位移。通過對工作面生產(chǎn)過程中的微震、應力等監(jiān)測系統(tǒng)的前兆指標響應進行分析，從而建立適用于沖擊危險性動態(tài)評價的評價指標，為后續(xù)構建沖擊危險性動態(tài)評價模型奠定基礎。

3.1.1 微震指標與臨界值

研究表明，沖擊顯現(xiàn)事件發(fā)生的可能性與工作面微震事件之間的關系很密切。工作面開采過程中，微震事件能量越高則產(chǎn)生沖擊顯現(xiàn)事件的可能性也就越大。

基于此，利用工作面微震能量建立沖擊危險性的微震能量密度判別法，微震能量密度計算見式(5)。

式中：S為所劃定區(qū)域的面積；Ei為所劃定區(qū)域的微震能量。計算Md時一般選取半個月至1 個月的微震事件作為研究對象，在進行沖擊危險性區(qū)劃時，根據(jù)微震事件的定位結果分析工作面前方區(qū)域沖擊危險性。

利用微震能量密度計算微震危險性系數(shù)Rw，計算方法為：根據(jù)經(jīng)驗類比法確定微震能量密度的上下臨界值，然后采用線性歸一化方法計算微震危險性系數(shù)；根據(jù)烏東煤礦現(xiàn)場實際，確定微震能量密度上下臨界值分別為6lg(J/m2)和3lg(J/m2)，則微震危險性系數(shù)的計算式為

微震危險性系數(shù)Rw與沖擊危險的關系見表4。

表4 微震危險性系數(shù)與沖擊危險等級對照Table 4 Comparison between microseismic risk index and rockburst risk level

本文確定的微震能量密度上下臨界值是基于前人研究基礎及礦井實際的統(tǒng)計規(guī)律，具有針對性，對于不同礦井的地質(zhì)和開采技術條件，需要適時的進行調(diào)整，以便更好的適應目標礦井開采過程的具體條件。

3.1.2 鉆孔應力指標與臨界值

工作面生產(chǎn)過程中，鉆孔應力與沖擊危險性之間存在定量關系。根據(jù)國家標準(GB/T25217.7-2019)對工作面生產(chǎn)過程中鉆孔應力與沖擊危險性之間的關系，將沖擊危險性等級分為無、弱、中等、強沖擊危險4 種。其中，對于鉆孔應力，通常用應力變化率作為判定指標，從而實現(xiàn)運用鉆孔應力大小判定工作面的沖擊危險性。

鉆孔應力變化率的計算見式(7)：

式中：vσ為 應力變化率，MPa/d； Δt為時間間隔，通常為1 d； σmax為 時間間隔內(nèi)的應力最大值； σmin為時間間隔內(nèi)的應力最小值。

利用鉆孔應力變化率計算應力危險性系數(shù)Rl，計算方法為：根據(jù)經(jīng)驗類比法確定鉆孔應力變化率的上下臨界值，然后采用線性歸一化方法計算應力危險性系數(shù)；根據(jù)烏東煤礦現(xiàn)場實際，確定鉆孔應力變化率的上下臨界值分別為2 MPa/d 和8 MPa/d，則應力危險性系數(shù)的計算式為

式中：vσ取工作面前方安裝傳感器在測定期間(1～2 周)的最大值。

應力危險性系數(shù)Rl與沖擊危險的關系見表5。

表5 應力危險性系數(shù)與沖擊危險等級對照Table 5 Comparison between stress risk index and rockburst risk level

本文確定的鉆孔應力變化率上下臨界值是基于前人研究基礎及礦井實際的統(tǒng)計規(guī)律，具有針對性，對于不同礦井的地質(zhì)和開采技術條件，需要適時的進行調(diào)整，以便更好的適應目標礦井開采過程的具體條件。

在利用鉆孔應力進行沖擊危險性評價時，選取工作面前方100 m 范圍進行鉆孔應力測量。為了方便后續(xù)基于鉆孔應力進行沖擊危險性區(qū)域劃分，在布置鉆孔應力探頭時，對探頭進行編號并布置在工作面前方各個位置，保證探頭之間無死角，每個探頭之間間隔5～15 m。

3.2 沖擊危險動態(tài)評價方法

沖擊危險性動態(tài)評價模型主要是對微震監(jiān)測系統(tǒng)、鉆孔應力系統(tǒng)所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并依此提出微震能量密度、應力變化率等評價指標，通過現(xiàn)場實際和理論計算，對微震震動場動態(tài)評價結果和鉆孔應力等應力場動態(tài)評價結果進行耦合，從而計算出沖擊危險性動態(tài)評價結果Wd。

利用微震、鉆孔應力等動態(tài)數(shù)據(jù)構建沖擊危險性動態(tài)評價方法。其具體步驟如下：

1)針對某一工作面開采過程中的沖擊危險性，分別利用震動場沖擊危險性評價和應力場沖擊危險性評價方法進行動態(tài)評價，并輸出相應的沖擊危險性指數(shù)。

①震動場沖擊危險性評價：計算工作面前方一段區(qū)域內(nèi)(一般情況下以推進度乘以15～30 d 為一個周期)的微震能量密度Md。根據(jù)微震能量密度，計算出微震危險性系數(shù)Rw；根據(jù)所得微震危險性系數(shù)，計算當前工作面開采條件下的震動場沖擊危險性評價結果Wz，從而得出當前環(huán)境下的震動場沖擊危險性。

②應力場沖擊危險性評價：通過對工作面開采過程中工作面前方煤巖體的鉆孔應力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，獲得工作面一段時間內(nèi)鉆孔應力分布規(guī)律。計算鉆孔應力變化率vσ，從而得出鉆孔應力危險性系數(shù)Rl。根據(jù)以上結果，計算當前工作面開采條件下的應力場沖擊危險性評價結果Wy，從而得出當前環(huán)境下的應力場沖擊危險性。

2)對震動場和應力場評價結果，采用前述的層次分析法來對兩類評價結果的權重進行賦值，本文取震動場和應力場的權重均為0.5。

3)計算沖擊危險性動態(tài)評價綜合指數(shù)Wd。依據(jù)式(9)計算出工作面開采過程中的沖擊危險性動態(tài)評價綜合指數(shù)，根據(jù)表6 確定不同區(qū)域的危險等級并進行危險區(qū)域劃分。

表6 沖擊危險性動態(tài)評價危險分級Table 6 Risk classification for dynamic evaluation of rockburst

式中：μz、μy分別屬于震動場和應力場評價指數(shù)的權重系數(shù)。

3.3 沖擊危險動態(tài)評價結果

選取烏東礦+450B3+6 工作面2016 年12 月至2017 年4 月開采過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用本文建立的沖擊危險性動態(tài)評價方法對工作面區(qū)域局部沖擊危險性進行動態(tài)評價。利用式(9)計算此區(qū)域的沖擊危險性動態(tài)評價綜合指數(shù)Wd，并基于危險區(qū)域的坐標值，根據(jù)計算結果繪制不同區(qū)域沖擊危險性區(qū)域動態(tài)劃分結果，如圖5 所示。分析該區(qū)域沖擊危險性動態(tài)評價結果可知，無論是震動場評價還是應力場評價結果均顯示工作面巖柱和頂板區(qū)域危險性較高，局部區(qū)域甚至處于強沖擊危險。根據(jù)現(xiàn)場情況，工作面在開采期間巖柱區(qū)域和頂板區(qū)域發(fā)生了多次大能量礦震事件和沖擊顯現(xiàn)事件，包括“11?24”沖擊顯現(xiàn)、“2?1”沖擊顯現(xiàn)、“12?9”大能量事件等。

圖5 +450B3+6 工作面沖擊地壓危險性動態(tài)評價結果Fig.5 Results of dynamic evaluation of the rockburst hazard on the +450B3+6 Working Face

4 沖擊危險靜動態(tài)評價及效果檢驗

4.1 沖擊危險靜動態(tài)評價模型

沖擊地壓危險靜動態(tài)評價模型的評價步驟為

1)沖擊地壓危險靜態(tài)評價結果和動態(tài)評價結果計算。根據(jù)前文建立的沖擊地壓危險靜態(tài)評價方法，計算工作面開采過程中不同區(qū)域的靜態(tài)評價結果(沖擊地壓危險靜態(tài)評價指數(shù)Wj)，并進行沖擊危險區(qū)域劃分；利用震動場沖擊地壓危險指數(shù)Wz和應力場沖擊地壓危險指數(shù)Wy計算出動態(tài)評價結果Wd，并劃分動態(tài)評價結果的危險區(qū)域。

2)沖擊地壓危險靜態(tài)評價和動態(tài)評價結果權重賦值。基于前文介紹的層次分析方法，根據(jù)現(xiàn)場實際，對沖擊地壓危險靜態(tài)評價結果和沖擊地壓危險動態(tài)評價結果進行賦權。

3)沖擊地壓危險靜動態(tài)耦合評價指數(shù)。根據(jù)以上計算出的沖擊地壓危險靜態(tài)評價指數(shù)和沖擊地壓危險動態(tài)評價指數(shù)，通過步驟2 中對各自沖擊地壓危險指數(shù)進行權重賦值，從而得到Wj，Wd及各指標的權重，將其結果代入式(10)進行計算，得到?jīng)_擊地壓危險靜動態(tài)耦合評價危險指數(shù)W2。

式中：γ和λ分別為靜態(tài)評價和動態(tài)評價結果的權重系數(shù)。

4)沖擊地壓危險靜動態(tài)耦合評價危險程度與危險區(qū)域。根據(jù)沖擊地壓危險靜動態(tài)評價危險程度分級對照表7，得出當前工作面開采條件下的靜動態(tài)耦合危險級別。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和最大安全原則，沖擊地壓危險靜動態(tài)耦合沖擊危險區(qū)域應是靜態(tài)評價得出的沖擊危險區(qū)域與動態(tài)評價得出的沖擊危險區(qū)域疊加而成。

表7 靜動態(tài)耦合沖擊危險分級指標Table 7 Static and dynamic coupling rockburst classification index

在實際評價過程中，對沖擊地壓危險靜態(tài)評價結果和動態(tài)評價結果的耦合包含以下3 種情況：①當所評價區(qū)域進行了沖擊地壓危險靜態(tài)評價，但未開展動態(tài)評價時，式(10)中W2僅包含靜態(tài)評價結果，相應的權重值γ取1；②當所評價區(qū)域僅包含沖擊地壓危險動態(tài)評價時，式(10)中W2僅包含沖擊地壓危險動態(tài)評價結果，相應的權重值λ取1；③當所評價的區(qū)域同時進行了沖擊地壓危險靜態(tài)評價和動態(tài)評價，則采用層次分析法來計算兩種評價結果的權重，本文取γ和λ均為0.5。

利用本文所建立的沖擊危險性靜動態(tài)評價模型，在以上對450B3+6 工作面開展開采前沖擊危險性靜態(tài)評價和開采過程中某一階段的沖擊危險性動態(tài)評價基礎上，進行沖擊危險性靜態(tài)評價結果和動態(tài)評價結果的耦合集成，得出該段時間工作面開采過程中的沖擊地壓靜動態(tài)耦合危險性。結果如圖6 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，選取研究時間段內(nèi)沖擊地壓靜動態(tài)耦合評價結果的區(qū)域性特征較明顯，部分區(qū)域沖擊危險性綜合指數(shù)處于較高水平，而在后續(xù)工作面生產(chǎn)過程中該區(qū)域附近發(fā)生了沖擊顯現(xiàn)事件。例如，

“4?26”沖擊顯現(xiàn)事件發(fā)生前，工作面靜態(tài)評價結果為弱沖擊危險區(qū)，而根據(jù)動態(tài)評價結果，該事件震源位置附近處于較高危險狀態(tài)，經(jīng)過耦合集成后，結果顯示該區(qū)域處于中等沖擊危險區(qū)，說明沖擊地壓靜動態(tài)耦合評價結果與現(xiàn)場實際情況有較好的一致性。

4.2 沖擊危險靜動態(tài)評價效果檢驗

針對以上沖擊危險性靜動態(tài)評價結果，本文選取在此期間工作面發(fā)生的“4?26”沖擊顯現(xiàn)事件前后的支架壓力分布特征、事件發(fā)生前后圍巖應力模擬結果對評價結果的合理性進行驗證。

通過分析發(fā)現(xiàn)，本文所建立的沖擊危險性靜動態(tài)評價方法可以有效的反映工作面開采過程中工作面區(qū)域的沖擊危險性大小，可以發(fā)現(xiàn)，當工作面發(fā)生沖擊顯現(xiàn)事件前，沖擊危險性靜動態(tài)評價結果顯示該區(qū)域附近為中等沖擊危險，隨后產(chǎn)生了動力顯現(xiàn)。分析沖擊顯現(xiàn)事件前后支架壓力分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，靠近中間巖柱一側(cè)的支架壓力值高于頂板側(cè)壓力值，在“4?26”沖擊顯現(xiàn)事件發(fā)生前的一段時間內(nèi)，工作面區(qū)域支架壓力普遍較高(圖7 中黑色虛線圈出的顏色較深區(qū)域)，而在臨近發(fā)生沖擊顯現(xiàn)事件時出現(xiàn)明顯的應力降，直至發(fā)生沖擊顯現(xiàn)事件，沖擊發(fā)生時，現(xiàn)場出現(xiàn)皮帶機側(cè)翻、幫鼓等破壞。根據(jù)數(shù)值模擬結果(圖8)，工作面在“4?26”沖擊顯現(xiàn)事件前，已開采區(qū)域和下部未開采區(qū)域均出現(xiàn)了明顯的應力集中，且沖擊顯現(xiàn)事件發(fā)生前工作面應力集中程度隨工作面推進逐漸增大。

圖8 +450B3+6 工作面開采過程圍巖應力分布Fig.8 +450B3+6 mining process stress distribution of the surrounding rock

綜上，無論是工作面開采過程中圍巖應力變化規(guī)律的數(shù)值模擬結果，還是支架壓力變化特征均顯示了+450B3+6 工作面開采過程中的應力集中狀態(tài)和沖擊危險性特征，其應力集中區(qū)域與沖擊危險性靜動態(tài)評價結果具有較高的重合度和一致性。

5 結 論

1)分析了近直立煤層沖擊危險影響因素，利用線性歸一化方法得到單因素的危險指數(shù)，通過對各因素賦權并進行加權求和得到地質(zhì)因素和開采技術因素確定的危險指數(shù)，將兩個危險指數(shù)加權平均得到靜態(tài)評價危險指數(shù)，構建了工作面采掘前的沖擊危險性靜態(tài)評價方法，利用該方法將烏東煤礦近直立煤層+450B3+6 工作面劃分為5 個局部區(qū)域，評價為4 個中等沖擊危險和1 個弱沖擊危險。

2)構建了微震能量密度和鉆孔應力變化率作為動態(tài)評價指標，將評價指標線性歸一化分別得到震動場評價指數(shù)和應力場評價指數(shù)，將兩者加權平均得到動態(tài)評價危險指數(shù)，構建了工作面采掘過程的沖擊危險性動態(tài)評價方法，對+450B3+6 工作面進行了動態(tài)評價，結果顯示工作面巖柱側(cè)區(qū)域具有較高沖擊危險性。

3)將沖擊危險性靜態(tài)評價和動態(tài)評價結果進行耦合疊加，構建了沖擊危險性靜動態(tài)評價模型，模型綜合考慮了采前沖擊危險影響因素和采中沖擊危險動態(tài)變化；將靜動態(tài)評價模型應用于+450B3+6 工作面，并將評價結果與支架壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬結果和沖擊地壓顯現(xiàn)事件進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)靜動態(tài)耦合評價結果更符合現(xiàn)場實際。