徐雋松 ，潘鵬志 ，陳建強 ，趙善坤 ，吳振華 ，劉旭東

（1.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室, 湖北 武漢 430071；2.中國科學院大學, 北京 100049；3.國家能源集團新疆能源有限責任公司, 新疆 烏魯木齊 830000；4.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院, 北京 100013）

0 引 言

沖擊地壓是指在復雜的地應力場作用下，礦井和采掘工作面圍巖將積蓄的彈性能量瞬間釋放而造成破壞的礦井動力現(xiàn)象[1-2]。隨著煤礦開采深度的增加，地應力場的分布趨于復雜，發(fā)生沖擊礦壓的危險性增大[3]。實踐證明，沖擊地壓動力災害事故的發(fā)生與煤礦深井地應力場的分布密切相關。因此，針對煤礦開采區(qū)域的地應力場分布特征和煤礦開采的特點，進行沖擊地壓危險性評價是科學提出沖擊地壓災害防治對策的基礎[4-7]。

關于沖擊地壓的危險性評價方法，諸多學者對其進行了廣泛而深入的研究。竇林名等[8-9]在沖擊地壓研究中提出了綜合指數(shù)法，曲孔典等[10]利用數(shù)值模擬分析，結合綜合指數(shù)法得到了采空區(qū)域?qū)挾鹊脑u價指數(shù)參數(shù)的修正方法。陳建強等[11]根據(jù)一般綜合指數(shù)法對各指標進行調(diào)整，采用層級分析法對各要素的權重進行確認，提出了適用于急傾斜煤層的沖擊地壓危險性評價方法。文獻[12-14]基于沖擊地壓評價指標的不確定性，構建了模糊綜合判定的沖擊地壓危險性評價模型，確定了沖擊地壓危險性評價指標。張宏偉等[15]運用地質(zhì)動力區(qū)劃法，分析了急傾斜特厚煤層的原始應力，對烏東井田產(chǎn)生沖擊地壓的地質(zhì)動力環(huán)境進行了評價。鄧志剛[16]應用三維地應力場反演技術進行相關研究，綜合考慮結構應力、采動影響等，實現(xiàn)了對采集區(qū)域的沖擊危險評價。姜福興等[17]根據(jù)自重應力場的分布特征，提出了疊加各沖擊危險性因素的沖擊危險性評價方法，量化了開采工作面的沖擊危險性評價。結合模糊綜合判斷理論和動態(tài)權重思想，秦子晗[18]提出了一種提高評價客觀公正性的沖擊危險性評價方法。何學秋等[19]提出了近直立煤層的沖擊地壓發(fā)生機理及監(jiān)測預警機制。

國內(nèi)常用的綜合指數(shù)法、地質(zhì)動力區(qū)劃法等能夠較為準確的評價煤層沖擊危險性，但大部分針對的是近水平煤層及緩傾斜煤層，且傳統(tǒng)的綜合指數(shù)法受人工打分帶來的主觀影響較大。因此，針對急傾斜特厚煤層，有必要綜合考慮相應評價指標的適用性。另外，在前人的工作中，地應力場相關的評價指標直接的信息來源基本上是極為有限的地應力場實測數(shù)據(jù)，因此難以綜合全面反應研究區(qū)域的地應力場分布特征，從而造成危險性評價結果的不準確。

在前人研究的基礎上，將動態(tài)權重方法與綜合指數(shù)法結合，并基于烏東煤礦南采區(qū)的地應力場反演，提出了適用于褶曲構造區(qū)急傾斜特厚煤層的沖擊危險性評價方法。

1 基于地應力場反演的沖擊危險性動態(tài)權重綜合指數(shù)評價方法

1.1 研究思路

基于地應力場反演的褶曲構造區(qū)特厚煤層沖擊危險性評價方法的研究思路如下：①根據(jù)地質(zhì)資料，建立研究區(qū)域的地質(zhì)模型，基于多元線性回歸方法，反演研究區(qū)域地應力場；②根據(jù)地應力場分布特征，確定綜合指數(shù)法的相關指標及其參數(shù)劃分范圍；③選取評價主控因素，計算指標自然權重和危險等級權重；④計算動態(tài)綜合權重，并對實際工況進行危險性評估，驗證方法的準確性；⑤對不同區(qū)域的沖擊危險性進行評估。

1.2 地應力場反演方法概述

地應力場反演方法-多元線性回歸方法建立在獲得實測地應力值的基礎上，以研究區(qū)域的地形、地貌和地質(zhì)構造為條件，其計算過程可分5 步進行：

1）根據(jù)巖體的地質(zhì)構造、山體地形條件及實測資料，建立三維數(shù)值計算模型。

2）采用三維數(shù)值計算模型，開展6 種初始基本工況的計算：① 自重應力狀態(tài)；②X向水平均勻擠壓構造運動；③Y向水平均勻擠壓構造運動；④XY向均勻剪切構造運動；⑤YZ向均勻剪切構造運動；⑥XZ向均勻剪切構造運動。通過數(shù)值模擬獲得每個應力測點處的6 個應力分量計算值。

3）根據(jù)各個測點的應力分量計算值和地應力實測值，用最小二乘法進行回歸分析，得出各個作用因素對地應力場的影響權重系數(shù)，并進行各因素的回歸顯著性檢驗，剔除回歸效果不顯著的因素。

4）重新根據(jù)顯著影響地應力場分布的作用因素進行回歸分析，計算得出各個作用因素對地應力場的影響權重系數(shù)。

5）將各因素的權重分別與對應的荷載相乘而得到綜合荷載，并將其施加到數(shù)值計算模型上，計算分析得出巖體初始地應力場分布及各測點應力值。

1.3 評價主控因素的選取

沖擊地壓危險性評價結果的可靠程度取決于評價指標選取的科學性及其與具體工程實踐結合的緊密程度。在遵循通用的沖擊地壓危險性評價方法的選取原則下，根據(jù)褶皺區(qū)急傾斜特厚煤層的特點以及前人的研究工作，選取的評價主控因素如下：開采深度[11]、煤層傾角[20]、上覆硬厚巖層與煤層的距離[11]、煤巖的沖擊傾向性[19]、最大主應力、遺留煤柱的水平距離[11]、工作面與鄰近采空區(qū)的關系[21]、采煤方法[19]、工作面與斷層的距離[21]和至八道灣向斜煤層走向逆轉(zhuǎn)區(qū)距離[11]。

其中地應力是比較復雜的主控因素，是引起礦井動力現(xiàn)象的根本作用力，其大小和方向?qū)_擊地壓具有顯著影響[11]。

1.4 動態(tài)權重的確定

指標的綜合屬性權重W[18]為

式中:wk'、wk"分別為第k個指標的屬性權重和等級權重；n為指標個數(shù)。

綜上所述，在獲得各指標的綜合權重后，結合等級評價指數(shù)表，確定各地質(zhì)量因素對沖擊地壓危險性的影響程度，計算得到?jīng)_擊地壓危險性的綜合指數(shù)Wt。

式中：Wt為沖擊地壓危險性綜合指數(shù)；αi為第i個因素的綜合權重；Wi,max為第i項評價指標中的最大評價指數(shù)值；Wi為第i項評價指標的實際評價指數(shù)；n為因素的數(shù)目?；谑剑?），可分別求出地質(zhì)因素對應的危險性綜合指數(shù)Wt1和開采條件所對應的危險性指數(shù)Wt2。根據(jù)Wt指數(shù)的大小，針對不同區(qū)域的危險狀態(tài)，制定相應的防治措施。

2 烏東礦褶皺區(qū)急傾斜特厚煤層的地應力場反演

2.1 烏東礦南采區(qū)工程概況

烏東煤礦南區(qū)位于八道灣向斜南翼，如圖1 所示。受強烈的地質(zhì)運動作用，八道灣向斜南北兩翼傾角分別約為87°和45°。其中開采的B1+2 煤層和B3+6 煤層為近直立特厚煤層組，地層傾角為87°，兩煤層組之間為近直立巖層。其中B1+2 煤取樣點煤巖柱狀圖和B3+6 煤取樣點煤巖柱狀圖分別如圖2和圖3 所示。采用水平分段開采方法，綜合機械化放頂煤開采工藝，采深為350 m 時，礦井出現(xiàn)動力現(xiàn)象，諸如沖擊地壓、礦震、圍巖大變形、礦壓顯現(xiàn)劇烈等，礦井開采+500 水平分層時于2013 年2 月27日和7 月2 日發(fā)生2 次較大沖擊地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，同時造成下分層+475 水平準備工作面兩回采巷道大變形破壞，影響范圍巷道超過100 m。

圖1 烏東礦區(qū)構造[22]Fig.1 Structural of Wudong Mining Area[22]

圖2 烏東煤礦B1+2 煤取樣點煤巖柱狀圖[23]Fig.2 Coal rock column of sampling point B1+2 in Wudong Coal Mine[23]

圖3 烏東煤礦B3+6 煤取樣點煤巖柱狀圖[23]Fig.3 Coal rock column of sampling point B3+6 in Wudong Coal Mine[23]

2.2 地應力場反演模型

地應力場反演中的數(shù)值模擬采用工程巖體破裂過程細胞自動機分析軟件CASRock[24]，該軟件避免了傳統(tǒng)方法需求解大型線性方程組及其帶來的復雜性，可以對煤巖體的穩(wěn)定性進行較大規(guī)模的數(shù)值仿真。根據(jù)烏東礦地質(zhì)資料，利用Ansys 建模軟件建立烏東礦褶皺構造區(qū)模型，沿巷道走向的長度為2 000 m，垂直于走向的長度約為1 500 m，高度約為1 350 m。模型整體按照四面體單元自由劃分，單元總數(shù)接近700 萬。將模型導入CASRock 計算軟件，如圖4 所示，其中不同顏色表示區(qū)分不同的地質(zhì)材料。其中模型各材料的力學參數(shù)[22]見表1。

表1 煤巖物理及力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal rock

圖4 地應力場反演模型Fig.4 Inversion model of geostress field

2.3 多元線性回歸地應力場反演

1）建立模型后，約束模型各一側的X、Y和Z法向位移，分別單獨施加重力場、X法向擠壓的單位位移、Y法向擠壓的單位位移、XY切向單位位移、YZ切向單位位移和XZ切向單位位移，如圖5 所示。

2）分別提取每種加載條件下6 個地應力測點對應位置的應力狀態(tài)信息，將所得到的計算值與通過地應力測量得到的實測值做線性回歸處理，其中多元線性回歸數(shù)學模型如下：

3）將結果代入地應力場反演回歸模型，得到如下表達式：

式中：σd為地應力分量回歸值；σx為X向水平構造應力場；σy為Y向水平構造應力場；σxy為XY切向構造應力場；σz為自重應力場；σyz為YZ切向構造應力場；σxz為XZ切向水平構造應力場，e為誤差。

4）將6 個單位位移加載值分別乘以對應的回歸系數(shù)，并將其一起施加在模型上，來模擬烏東礦褶皺區(qū)的初始地應力場。根據(jù)線性疊加原理調(diào)整回歸系數(shù)，最終得到地應力多元線性回歸表達式：

相應的地應力測點計算值與實測值的數(shù)據(jù)比較見表2。

表2 地應力測點計算值與實測值Table 2 Calculated and measured values of in-situ stress measurement points

5）由表2 分析可知，計算值與實測值的誤差范圍基本上在30%以內(nèi)，故可以認為地應力反演結果是合理的[25]。

3 褶皺構造區(qū)急傾斜煤層沖擊地壓危險性評估

3.1 地應力場特征指標分析

依據(jù)地應力場反演結果，分別在位于同一水平的底板、B1+2 煤層及其兩側的煤巖邊界、頂板上等距各取一點，并沿褶曲翼部產(chǎn)狀在埋深100～1 300 m選取5 條測線（圖6）。

圖6 烏東礦近直立煤層模型測線布置Fig.6 Survey line arrangement of near vertical coal seam model in Wudong Mine

繪制應力分量及其相關系數(shù)隨深度的變化曲線，結果如圖7 所示。

圖7 應力分量及其相關系數(shù)隨深度的變化曲線Fig.7 Variation curves of stress components and their correlation coefficients with depth

由圖7 可知，越靠近頂板巖層（巖柱），地應力水平越高，變化越劇烈，并且隨著深度的增加，不同的曲線呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。根據(jù)地應力反演結果，通過引入應力差異系數(shù)[11]，劃分煤礦開采深度范圍；將最大主應力納入評價指標，并根據(jù)最大主應力的變化情況，對最大主應力的范圍進行評級。通過引入應力差異系數(shù)α=（σH-σv）/σH（其中σH為最大水平應力；σv為垂直應力），繪制應力差異系數(shù)隨深度的變化曲線。根據(jù)應力差異系數(shù)變化曲線，如圖7c 所示，在深度為380 m 處，頂板巖層處的應力差異系數(shù)降為0，即地應力場的主導應力發(fā)生變化；在深度約為530 m 處，煤層與頂板巖層邊界處的應力場差異系數(shù)降為0，表示邊界處垂直應力大于水平應力分量，地應力場分布特征再次發(fā)生改變。結合沖擊地壓最淺發(fā)生水平[11]，對上述結果進行調(diào)整，確定開采深度范圍劃分，即<200 m，[200, 350) m，[350, 500) m 和≥500 m。

最大主應力表現(xiàn)為擠壓應力，且在烏東礦褶皺區(qū)急傾斜特厚煤層的產(chǎn)狀形成中起到主要作用，也是引起礦井動力現(xiàn)象的根本原因之一。由圖7d 可知，B1+2 煤層附近的地層中最大主應力的范圍為15～30 MPa。其中除開巖柱中最大主應力的變化情況，煤層及底板中的最大主應力變化范圍為15～25 MPa。因此可將最大主應力范圍劃分為<15 MPa，[15, 20) MPa，[20, 25) MPa，≥25 MPa。

3.2 烏東礦南采區(qū)急傾斜煤層+500 m 水平標高各指標的危險性評分

根據(jù)前人的研究成果[11,19-20]和相關規(guī)范[21]，結合烏東礦區(qū)急傾斜煤層的地質(zhì)產(chǎn)狀、煤巖性質(zhì)、地應力場分布特征和施工條件，從地質(zhì)因素和開采條件兩方面選取評價主控因素及相應參數(shù)。其中地質(zhì)因素包括開采深度[11]、煤層傾角[20]、煤層及頂?shù)装宓臎_擊傾向性[19]、上覆硬厚巖層與煤層距離[11]和最大主應力；開采條件包括遺留煤柱的水平距離[11]、工作面與鄰近采空區(qū)的關系[21]、采煤方法[19]、工作面與斷層的距離[21]和至八道灣向斜煤層走向逆轉(zhuǎn)區(qū)距離[11]。由此確定褶皺區(qū)急傾斜特厚煤層沖擊地壓的評價指標分級表，見表3。

表3 急傾斜特厚煤層沖擊地壓的評價指標分級表Table 3 Evaluation index classification table of rock burst of steeply inclined extra-thick coal seam

依據(jù)表3 對烏東礦南采區(qū)+500 m 水平B1+2 煤層工作面各指標進行評估：已知其深度在300 m 左右，采用水平分段綜采放頂煤開采，頂?shù)装鍒杂矌r層至煤層距離在10 m 以內(nèi)；經(jīng)試驗測定，煤層煤樣以及頂?shù)装鍘r樣沖擊傾向性均為弱。+500 m 水平B1+2 工作面開采時，B3+6 工作面已開采完畢，故B1+2 工作面所處位置為一側采空。結合綜合指數(shù)法，匹配每項評價指標的危險等級與指數(shù)得分（表4），最終得到地質(zhì)因素以及開采條件的各個指標的評估得分，見表5。

表4 等級評估指數(shù)Table 4 Grade evaluation index

表5 烏東礦南采區(qū)+500 m 水平B1+2 工作面各因素影響的沖擊地壓危險評估指數(shù)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 各危險性評價指標的動態(tài)權重計算

根據(jù)層次分析法[14]，分別對地質(zhì)因素評價指標和開采條件評價指標進行重要性比較，分別得到相應的評價指標重要性比較矩陣。其中地質(zhì)因素評價指標重要性比較矩陣如下：

通過計算得到該矩陣的特征向量[0.197,0.132,0.073,0.108,0.089,0.161,0.240]T，即對應為表3 中地質(zhì)因素評價指標的屬性權重。經(jīng)檢驗，結果的一致性符合要求。 另外開采條件評價指標重要性比較矩陣如下所示：

同理可得開采條件評價指標屬性權重的向量形式：[0.305,0.135,0.076,0.179,0.305]T。

為求得評價指標等級權重，根據(jù)評價指標危險等級Ⅰ～Ⅳ的順序，列出指標等級重要性比較矩陣，如下所示：

同理可得指標等級屬性權重的向量形式：

[0.138,0.195,0.276,0.391]T。

根據(jù)式（1）、（2）和（3），求解得到各指標的綜合權重，結果見表6。

表6 烏東礦南采區(qū)+500 m 水平B1+2 綜放工作面評價指標權重計算值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

根據(jù)式（3）求得深度300 m 處地質(zhì)因素和開采條件的綜合指數(shù)得分分別為0.566 和0.571，對照沖擊地壓危險狀態(tài)分級[11]，見表7，可知該工作面屬于中等沖擊危險性，并與神新能源公司烏東煤礦沖擊地壓相關的研究結果作比較[26]，發(fā)現(xiàn)二者結論吻合，故驗證了該判別方法的準確性。

表7 沖擊地壓危險狀態(tài)分級Table 7 Classification of rockburst danger state

3.4 烏東礦南采區(qū)急傾斜煤層不同水平標高的沖擊危險性預測

根據(jù)前文所述方法對烏東礦南采區(qū)急傾斜煤層不同水平標高的B1+2 工作面進行危險性預測，由此可得烏東礦南采區(qū)不同水平B1+2 工作面各因素影響的沖擊地壓危險評估指數(shù)，見表8。

表8 烏東礦南采區(qū)不同水平B1+2 工作面各因素影響的沖擊地壓危險評估指數(shù)Table 8 Rockburst risk assessment index of different levels B1+2 working face of south area of Wudong Mine affected by various factors

根據(jù)表6 和式（1）、式（2），計算得到各指標的綜合權重，其結果見表9。

表9 烏東礦南采區(qū)不同水平B1+2 綜放工作面評價指標權重計算值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

結合表9 和式（3），計算得到不同深度處工作面的地質(zhì)因素和開采條件的綜合指數(shù)得分，按照沖擊地壓危險狀態(tài)分級，可知烏東礦南采區(qū)不同水平B1+2 綜放工作面危險評級均為中等沖擊危險性，見表10。同時設置對照組，運用傳統(tǒng)的綜合指數(shù)法再次評價煤層的危險性，通過比較2 種方法所取得的結果，可知新方法能有效削弱危險因素中和所帶來的影響，相應的危險性變化曲線如圖8 所示。

表10 烏東礦南采區(qū)不同水平B1+2 綜放工作面評價結果Table 10 Evaluation results of B1+2 fully-mechanized top-coal caving face at different levels in south area of Wudong Mine

圖8 危險性得分隨開采深度的變化Fig.8 Variation of risk score with mining depth

由圖8 可知，相較于傳統(tǒng)的綜合指數(shù)法基于動態(tài)權重的新方法更能突出危險性因素，相應的危險性評分更高，并能有效區(qū)分地質(zhì)因素與開采條件在不同埋深下的主導作用。

4 結 論

1）根據(jù)烏東煤礦南采區(qū)地質(zhì)特性和沖擊危險動態(tài)加權綜合指數(shù)評價方法，依據(jù)地應力反演結果，確定了急傾斜特厚煤層沖擊危險評價指標，并將評價指標分級，形成了急傾斜特厚煤層動態(tài)加權評價法的計算體系。與傳統(tǒng)的評估方法相比，動態(tài)加權方法降低了其他指標元素相互干擾所引起的評估誤差，提高了評估結果的精度。

2）對烏東煤礦南采區(qū)+500 m 水平B1+2 作業(yè)面評價沖擊危險性的結果，該作業(yè)面沖擊危險等級為Ⅲ級，被評價為中等沖擊危險等級。

3）運用上述方法評估待開采的烏東煤礦南采區(qū)不同水平B1+2 作業(yè)面，預測性評價結果為中等及以上的沖擊危險性。