陈玉涛
(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)
冲击地压灾害是通过采掘空间高静载应力与远场高动载应力组合作用，煤岩体内大量弹性能积聚，然后以突然、剧烈、飞速弹射等形式释放，诱发冲击煤岩动力灾害[1-6]。因历史开拓开采布局等原因，冲击地压煤层回采过程中出现孤岛工作面，在综放开采条件下，所采煤层较厚，采掘扰动空间大，原岩应力场受到剧烈扰动，加之再受到孤岛、断层、不规则工作面等因素的影响，其应力集中程度增大，冲击危险性急剧升高，严重威胁矿井的安全高效生产[7-14]。不规则孤岛综放工作面大范围采掘活动易导致断层等覆岩弱面地质体滑移活化，产生高能量矿震传播至采掘空间，与高静载应力叠加，极易导致采场周围煤岩体失稳，煤岩冲击危险性急剧增大[15-18]。笔者以某矿二号正断层1311不规则综放工作面为工程背景，从地质条件和开采技术条件综合评估工作面冲击危险性，并使用多因素耦合叠加方法划分工作面冲击危险区域及等级，最后通过工作面回采矿震活动规律分析验证危险区域划分的准确性，研究结果可为制订高效精准的防冲监测防治措施提供依据。
某矿井冲击地压灾害严重，其历史上多次发生冲击地压事故。邻正断层不规则孤岛1311工作面东部以肖家庄一号支一断层(落差0～23 m)、7301综放工作面采空区为界，开切眼位置与1302综放工作面采空区相邻，西部为官庄二号断层(落差40～60 m)，北部设计终采线位置邻近肖家庄二号断层和7301结束巷。
工作面煤层标高-406.9～-369.0 m，地面标高+48.5～+49.2 m，平均+48.9 m。工作面走向长度387.1～456.9 m，开切眼处工作面长120.2 m，后扩面至192 m，最后收作时面长130 m。回采的3#煤层均厚8.5 m，平均倾角6°，煤层坚固性系数f值约为2.3。工作面布置平面图如图1所示。
图1 1311工作面采掘布置平面图
工作面直接顶为2.2 m厚的粉砂岩，f值为5.7；
基本顶为11.5 m厚的中粉砂岩，f值为6～13；
直接底为7 m厚粉砂岩，f值为5.5；
老底为9.5 m中细砂岩，f值为7.5～15.0。
针对1311综放工作面冲击危险性评估主要从地质因素和开采技术因素两大方面进行分析，进而得出工作面整体冲击危险指数及危险等级。
2.1 地质影响因素分析
2.1.1 开采深度分析
开采深度与冲击地压发生的概率呈正相关关系[19]。1311工作面开采深度为417.4～455.9 m，冲击危险指数为0.05，开采深度条件诱发冲击地压的概率较低。
2.1.2 煤岩物理力学性质分析
煤(岩)介质产生冲击破坏的固有能力或属性，是冲击地压发生的必要条件。经测定，1311工作面开采3#煤层的动态破坏时间tD=59 ms，冲击能指数KE=4.89，弹性能指数WET=9.49，单轴抗压强度为16.8 MPa，根据煤层冲击倾向性鉴定方法综合判定3#煤层具有强冲击倾向性，即煤质较硬，易积聚冲击弹性能。
3#煤层顶板弯曲能量指数为22.13 kJ，具有弱冲击倾向性，同时对3#煤组合煤岩样(顶板∶煤层∶底板=2∶2∶1)进行了冲击倾向性测定，动态破坏时间tD=39 ms，冲击能指数KE=9.97，弹性能指数WET=12.17，单轴抗压强度为43.6 MPa。煤层顶底板f值都远大于煤层的f值，加之组合煤岩冲击倾向性大幅升高，顶—煤、煤—底交接面易出现应力集中现象，大量弹性能释放易诱发冲击失稳破坏。
2.1.3 坚硬顶板岩层结构分析
对诱发冲击地压影响较大的顶板岩层为煤层上方100 m范围内的厚层坚硬岩层，研究表明顶板厚度特征参数值大于50时冲击危险性较高。1311工作面3#煤顶板岩层特征值为81.5，即工作面回采过程中3#煤顶板诱发冲击地压的概率较大。
2.1.4 断层地质构造分析
对1311工作面影响较大的断层有官庄二号断层(倾角∠65°～70°、H=40～60 m)、官庄一号支一断层(∠70°、H=0～4 m)、肖家庄二号断层(∠70°、H=0～30 m)、肖家庄一号支一断层(∠68°～75°、H=0～20 m)、肖家庄二号支二断层(∠70°、H=0～9 m)，断层构造带附近坚硬顶板因开采扰动易发生滑移转动，诱发高能量矿震，与工作面采场的高静载应力叠加，冲击危险性急剧升高。
由地质因素确定冲击地压危险指数计算公式如下：
(1)
式中：Wt1为地质因素确定的冲击地压危险指数；
Wi为第i个地质因素的评估指数；
Wimax为第i个地质因素的指数最大值；
n1为地质因素的数目。
基于对开采深度、煤岩物理力学性质、坚硬顶板岩层结构、断层地质构造等地质影响因素分析，采用综合指数法[1]，利用公式(1)综合判定1311工作面地质因素影响下的冲击地压危险指数Wt1=0.52，工作面整体具有中等冲击危险性。
2.2 开采技术影响因素分析
2.2.1 工作面回采对7301运煤巷的影响
为了研究1311工作面回采到距7301运煤巷(靠近肖家庄二号断层)不同位置时，采动对巷道的影响程度，运用FLAC5.0数值模拟软件对工作面回采扰动造成的应力、位移进行模拟，分析回采工作面距7301运煤巷130、120、100、80、60、40 m时围岩垂直应力及位移变化规律，模拟围岩力学参数见表1。
表1 煤岩层力学参数
在7301运煤巷顶部和帮部设置位移监测点，分析在1311工作面回采过程中巷道损坏变形量。数值分析结果如图2所示，随着工作面与7301运煤巷垂直距离的逐渐减小，工作面超前支承压力逐步增大，距7301运煤巷40 m时，应力达到最大值43.6 MPa；
巷道顶板位移随着工作面与7301运煤巷垂直距离的变小而增大，当距离为40 m时巷道顶板位移达382.1 mm；
两帮位移与巷道顶板位移情况大致相同，且在距离为40 m时两帮位移量高达206.4 mm。综合分析得出1311工作面终采线与7301运煤巷距离大于40 m。
图2 工作面与7301运煤巷不同距离时巷道围岩的
2.2.2 工作面回采受官庄二号断层影响分析
1311工作面在回采过程中，运输巷一侧与官庄二号断层的距离为3～30 m，开采3#煤层平均厚度8.8 m，采动影响较大，易导致官庄二号断层活化。运用FLAC5.0数值模拟软件，依据表1参数建立模型如图3所示，分析1311工作面运输巷与断层最小距离3 m时断层区域应力集中程度，为制订针对性解危措施提供依据。
图3 断层区域数值模拟模型图
断层区域垂直应力分布图如图4所示，可以看出，工作面回采过程中，运输巷回采至距离断层3 m左右时，工作面运输巷靠近断层区域最高应力达40 MPa，回采过程中断层活化极易诱发冲击。
图4 断层区域垂直应力分布图
2.2.3 三角煤柱影响分析
邻近采区遗留的煤柱是高应力集中区域。孤岛三角煤柱可能受多个方向集中应力的叠加作用，使煤柱附近煤体应力集中程度增大，受采掘扰动导致煤柱失稳，释放弹性能诱发冲击地压。根据1311工作面轨道巷侧遗留三角煤柱的现场实测结果(如图5所示)可知，最大应力集中出现在靠近煤柱边缘部位，距边缘8～14 m位置，为煤柱卸压解危钻孔终孔位置设计提供依据。
图5 三角煤柱不同宽度处垂直应力分布
邻正断层不规则孤岛1311综放工作面开采过程中，围岩受扰动产生回转滑移，对工作面附近的7301运煤巷(变电所位置)、官庄二号正断层影响程度需要精准分析，同时对孤岛三角煤柱、开采工艺等开采因素进行分析，综合确定开采技术因素影响下的冲击危险指数：
(2)
式中：Wt2为开采技术因素确定的冲击地压危险指数；
Wj为第j个开采技术因素的评估指数；
Wjmax为第j个开采技术因素的指数最大值；
n2为开采技术因素的数目。
利用公式(2)可从开采技术影响因素角度分析判定区域的冲击危险性，例如，基于工作面长度变化，三角煤柱断层构造区域等，利用公式(2)计算1311孤岛工作面开采技术因素影响下的冲击地压危险指数Wt2=0.56，判定工作面整体具有中等冲击危险性。
2.3 工作面冲击危险性综合评价法
结合公式(1)和公式(2)，考虑地质影响因素和开采技术影响因素下工作面冲击危险性综合评价计算公式如下：
Wt=max{Wt1,Wt2}
(3)
基于公式(3)计算结果，并结合相关研究，可将工作面冲击危险程度划分为4个等级，如表2所示。
表2 冲击矿压危险状态的分级
基于公式(1)、(2)、(3)及表2，综合1311综放工作面地质影响因素和开采技术影响因素等，将邻正断层不规则1311孤岛工作面冲击危险区域进行了划分，划分结果如图6所示，可以看出，在1311综放工作面中存在强、中等、弱冲击矿压危险状态。
图6 1311工作面冲击危险区域划分
5个强冲击危险区域：① 从开切眼开始，运输巷0～150 m；
②从开切眼开始，轨道巷0～50 m；
③ 1311运输巷过官庄一号支一断层前后60 m区域；
④ 1311探煤巷左侧肖家庄二号支二断层前后90 m区域；
⑤ 1311轨道巷推进至终采线至肖家庄二号断层附近前46 m区域。
4个中等冲击危险区域：① 小开切眼及1302采空区前后80 m区域；
② 1311运输巷150～280 m；
③ 轨道巷一侧缩面后70 m区域；
④ 1311运输巷一侧靠近终采线前后140 m区域。
2个弱冲击危险区域：① 轨道巷一侧扩面与跨-450大巷回采前后120 m区域；
② 肖家庄一号支一断层与肖家庄二号断层中间前后95 m区域。
针对划分的冲击危险区域，采取监测预警及防治措施后，利用微震监测系统对回采过程中的远场动载矿震频次、能量等进行实时监测，分析高能量矿震活动规律，进而验证冲击危险区域划分的准确性。
邻正断层不规则1311孤岛工作面回采过程中，矿震能量、频次变化规律如图7所示。
图7 工作面回采过程中矿震能量、频次变化规律
由图7可以看出，工作面0～120 m回采区域，受工作调斜、老顶初次垮落、官庄二号断层影响，矿震活动相对较剧烈，矿震出现第1个活跃期，日累计能量最大值为1.45×105J，日累计频次高达39次，对应划分的强冲击危险区域；
回采至150～350 m区域，受工作面面长变宽、1302采空区、孤岛三角煤柱、断层构造影响，回采范围增大，覆岩运动加剧，出现第2个矿震活动频繁期，日累计能量最大值为1.96×105J，日累计频次高达42次；
回采至360～425 m区域，在工作面超前支承压力、“三角”巷道交叉、肖家庄二号断层的影响下，日累计能量最大值为3.6×105J，日累计频次高达74次。矿震日累计频次变化趋势与工作面划分的严重、中等冲击危险区域特征基本一致，较好地验证了冲击危险区域划分的准确性。
1)分析了开采深度、煤岩物理力学性质、坚硬顶板岩层结构、断层地质构造等因素对冲击地压的影响情况，通过地质因素条件确定冲击地压危险指数Wt1=0.52；
基于开采技术条件因素确定冲击地压危险指数Wt2=0.56。综合判定邻正断层不规则1311综放工作面整体具有中等冲击危险性。
2)采用多因素耦合叠加法划定了1311工作面5个强冲击危险区域、4个中等冲击危险区域、2个弱冲击危险区域，可为工作面防冲监测防治提供参考依据。
3)利用工作面回采过程中矿震活动规律，对工作面0～120、150～350、360～425 m回采区域划分的冲击危险区域进行验证，得出划分的冲击危险区域采取防冲解危措施后，经微震监测矿震能量、频次依然较大，日累计能量、频次变化规律基本能验证冲击危险区的划分范围是合理正确的。
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