新興煤礦沖擊危險(xiǎn)性影響因素分析0前沿沖擊地壓是一種巖體中聚積的彈性變形勢(shì)能在一定條件下突然猛烈釋放,導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來(lái)的現(xiàn)象。它具有突發(fā)性、部位集中性、時(shí)間集中性與延續(xù)性、彈射性等特征,在發(fā)生的過(guò)程中經(jīng)常造成開(kāi)挖工作面的嚴(yán)重破壞、設(shè)備損壞和人員傷亡,并誘發(fā)其他次生災(zāi)害(例如瓦斯突出等),嚴(yán)重的沖擊地壓可測(cè)到4.6級(jí)的震級(jí),烈度達(dá)7-8度。黑龍江龍煤七臺(tái)河礦業(yè)有限責(zé)任公司七臺(tái)河分公司新興煤礦位于七臺(tái)河礦區(qū)西部,礦井生產(chǎn)能力為L(zhǎng)5Mt/a,礦井劃分為三個(gè)水平分別為-25m水平、-300m水平、-600m水平,其中-25m水平已開(kāi)采結(jié)束,-300m水平正在開(kāi)采,-600m水平正在開(kāi)拓作業(yè)。68#煤層為具有弱沖擊傾向性的煤層,針對(duì)新興煤礦68#煤層進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性影響因素分析,為沖擊地壓煤層管理提供依據(jù),并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行防沖設(shè)計(jì)編制、沖擊危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)、防沖制度和規(guī)劃編制等,最終實(shí)現(xiàn)正常采掘作業(yè)。2沖擊地壓影響因素分析層,其中以互61層底板凝灰?guī)r發(fā)育較好,可能為對(duì)比標(biāo)志。中砂巖、細(xì)砂巖和泥質(zhì)砂巖互層,厚度約78.27m。第九層:本段巖性較細(xì),以灰黑色的粉砂巖粉細(xì)砂巖互層為主底部之厚層粗砂巖為普遍發(fā)育的砂巖層有的含礫。是重要對(duì)比標(biāo)志。本段含薄層凝灰?guī)r2-3層,其中以互61層底板凝灰?guī)r發(fā)育較好,可能為對(duì)比標(biāo)志。63煤頂板,中砂巖、細(xì)砂巖、泥巖和泥質(zhì)砂巖,厚度約111.77m。第十層:63煤層粉砂巖,厚度大于0.9m。第H??一層:63煤層底板,粉砂巖,厚度大于79.46m。第十二層:67煤層,厚度0.9m。第十三層:67煤層底板,粉砂巖,厚度大于17.2m。第十四層:68煤層,厚度0.8m。第十五層:68煤層底板,粉砂巖,厚度大于62.02m。第十六層:底部基巖粉砂巖,厚度:42.9m。第十七層:底部基巖粉砂巖,厚度:0-981m。3.3.3地應(yīng)力分量的轉(zhuǎn)換由于各測(cè)點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中坐標(biāo)數(shù)值較大,不利于建立模型和計(jì)算,因此采用笛卡爾相對(duì)坐標(biāo)系,將原點(diǎn)建在(44410000,5068600,1020)o因?yàn)楸敬畏囱菪杳總€(gè)測(cè)點(diǎn)的6個(gè)應(yīng)力分量,而工程地質(zhì)資料,只給了三個(gè)主應(yīng)力、在水平面投影與正北向的夾角a和主應(yīng)力的仰角B,故還需轉(zhuǎn)換。在地應(yīng)力場(chǎng)回歸分析中,以計(jì)算坐標(biāo)系xyz中坐標(biāo)應(yīng)力分量為基本對(duì)象,而地應(yīng)力實(shí)測(cè)值是按主應(yīng)力平面方位和傾角給出的,首先計(jì)算實(shí)測(cè)主應(yīng)力與坐標(biāo)軸之間的方向余弦:3.3.4多元回歸方法多元回歸方法是建立在彈性力學(xué)疊加原理基礎(chǔ)上,由于天然應(yīng)力狀態(tài)下,可假設(shè)巖體處于平衡狀態(tài)且無(wú)持續(xù)的塑性變形增加,將地質(zhì)體所受的復(fù)雜地應(yīng)力分解為幾種簡(jiǎn)單的邊界應(yīng)力形式,通過(guò)在邊界施加單位荷載獲得內(nèi)部單元的基本初始應(yīng)力,然后將基本初始應(yīng)力當(dāng)做自變量,實(shí)測(cè)地應(yīng)力當(dāng)做因變量進(jìn)行逐步回歸分析求解回歸系數(shù)。影響初始地應(yīng)力場(chǎng)的因素很復(fù)雜,其中涉及地形、巖性、地質(zhì)、地溫及地下水等。以往大量研究表明,自重與地質(zhì)構(gòu)造作用是主要因素,其他因素可忽略不計(jì)。將巖體自重與地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作為待回歸的基本影響因素。本文確定6種因素作為回歸巖體初始地應(yīng)力場(chǎng)的基本影響因素:(1)自重應(yīng)力狀態(tài)；(2)平行y軸水平擠壓構(gòu)造應(yīng)力；(3)垂直y軸線水平擠壓構(gòu)造應(yīng)力；(4)水平面內(nèi)的均勻剪切變形構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(本文計(jì)算坐標(biāo)系的xy平面)；（5）xz平面內(nèi)的豎向均勻剪切變形構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（計(jì)算坐標(biāo)系內(nèi)）;（6）yz平面內(nèi)的豎向均勻剪切變形構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（計(jì)算坐標(biāo)系內(nèi)）。六種構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可簡(jiǎn)化為如圖3-2所示邊界應(yīng)力形式。本文所用邊界位移法在FLAC中采用如下的實(shí)現(xiàn)方式;(1)自重應(yīng)力狀恣模擬,約束模型Y向、X向及底部邊界法向位移;給定重力加速度9.8;給定各類巖層密度及力學(xué)參數(shù);根據(jù)彈性本構(gòu)模型計(jì)算得到各個(gè)地應(yīng)力實(shí)測(cè)點(diǎn)處的響應(yīng)應(yīng)力。x軸向擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)見(jiàn)圖3-2a,約束模型底部、Y向邊界及X向右側(cè)邊界法向位移;在X向左側(cè)邊界節(jié)點(diǎn)施加均勻法向位移,大小為0.1m;根據(jù)彈性本構(gòu)模型計(jì)算得到各個(gè)地應(yīng)力實(shí)測(cè)點(diǎn)處的響應(yīng)應(yīng)力。y軸向擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)見(jiàn)圖3-2b,給定地下水位曲面及源匯邊界;約束模型底部、X向邊界及Y向右側(cè)邊界法向位移;在Y向左側(cè)邊界節(jié)點(diǎn)施加均勻法向位移,大小為0.1m;根據(jù)彈性本構(gòu)模型計(jì)算得到各個(gè)地應(yīng)力實(shí)測(cè)點(diǎn)處的響應(yīng)應(yīng)力。(4)xy平面剪切構(gòu)造運(yùn)動(dòng)見(jiàn)圖3-2c,約束模型底部、X向及Y向邊界法向位移;在模型垂直X的邊界上施加Y向切向位移,大小為0.1m;根據(jù)彈性本構(gòu)模型計(jì)算得到各個(gè)地應(yīng)力實(shí)測(cè)點(diǎn)處的響應(yīng)應(yīng)力。xz平面剪切構(gòu)造運(yùn)動(dòng)見(jiàn)圖3-2d,約束模型底部、X向及Z向邊界法向位移;在模型垂直X的邊界上施加Z向切向位移,大小為0.1m;根據(jù)彈性本構(gòu)模型計(jì)算得到各個(gè)地應(yīng)力實(shí)測(cè)點(diǎn)處的響應(yīng)應(yīng)力。yz平面剪切構(gòu)造運(yùn)動(dòng)見(jiàn)圖3-2e,約束模型底部、Z向及Y向邊界法向位移;在模型垂直Z的邊界上施加Y向切向位移,大小為0.1m;根據(jù)彈性本構(gòu)模型計(jì)算得到各個(gè)地應(yīng)力實(shí)測(cè)點(diǎn)處的響應(yīng)應(yīng)力。3.3.5模型的建立由于本次模擬分析范圍較大,寬度7000m,長(zhǎng)度3500m,深度1020m,如果網(wǎng)格劃分不合理則給后期計(jì)算帶來(lái)困難,甚至不能進(jìn)行計(jì)算。為了在保證計(jì)算精度的同時(shí)降低計(jì)算量,采用漸變網(wǎng)格的方式劃分,在地應(yīng)力實(shí)測(cè)點(diǎn)部化先建立硬點(diǎn),然后在此基礎(chǔ)上建立面與體,而后進(jìn)行劃分。劃分完成后共生成節(jié)點(diǎn)32650個(gè),劃分單元數(shù)為24650個(gè)。三維網(wǎng)格如圖3-3所示。3.3.7數(shù)值計(jì)算及結(jié)果根據(jù)反演思想及步驟,編寫(xiě)子應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算文件,將模型文件和計(jì)算文件導(dǎo)入FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算,如用第一個(gè)子應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)入FLAC3D生成始應(yīng)為場(chǎng),提取測(cè)點(diǎn)單元6個(gè)應(yīng)力分量,按相同程序?qū)?個(gè)子應(yīng)力場(chǎng)分別導(dǎo)入后,提取各測(cè)點(diǎn)6個(gè)應(yīng)力分量,并進(jìn)行線性疊加,與實(shí)測(cè)值組成回歸方程,應(yīng)用SPSS軟件求解回歸系數(shù),得出均質(zhì)各向同性條件下對(duì)應(yīng)的地應(yīng)為回歸方程。將最終得到的回歸方程寫(xiě)入嵌入FLAC3D計(jì)算程序,實(shí)現(xiàn)單元應(yīng)力的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖3-4所不O圖3-5?3-7分別給出了應(yīng)力云圖,位移云圖和矢量圖等,通過(guò)分析獲取整應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的變化規(guī)律,為現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)、穩(wěn)定性控制及危險(xiǎn)區(qū)域劃分提供一定的基礎(chǔ)。對(duì)x方向、y方向及z方向的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行切片,利用tecplot360軟件對(duì)切片結(jié)果進(jìn)行整合,將各個(gè)方向的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)劃分成了四個(gè)象限,應(yīng)力場(chǎng)第一象限水平構(gòu)造應(yīng)力大,應(yīng)力場(chǎng)在第二象限水平構(gòu)造應(yīng)力較大,應(yīng)力場(chǎng)在第三象限水平構(gòu)造應(yīng)力較小,應(yīng)力場(chǎng)在第四象限水平構(gòu)造應(yīng)力較小,垂直應(yīng)力受到構(gòu)造應(yīng)力的影響,不在呈現(xiàn)與埋深呈現(xiàn)正比例關(guān)系,如圖3-5所示。位移場(chǎng)也呈現(xiàn)分區(qū)的特征,在一定范圍內(nèi)位移場(chǎng)在y方向呈現(xiàn)先增大后減小在增大的變化規(guī)律,部分區(qū)域y方向位移場(chǎng)較穩(wěn)定。垂直方向的位移在橫向和縱向存在較大的區(qū)別,x方向呈現(xiàn)條帶的變化,y方向呈現(xiàn)較大的數(shù)值,如圖3-6所示。矢量圖呈現(xiàn)由內(nèi)向外,由下向上,局部彎轉(zhuǎn)的變化規(guī)律,如圖3-7所示。應(yīng)重點(diǎn)控制第一象限和第二象限內(nèi)圍巖,以保證開(kāi)采過(guò)程中的安全穩(wěn)定。3.4煤礦煤層三維應(yīng)力場(chǎng)分布特征井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造屬于簡(jiǎn)單類型,未發(fā)現(xiàn)褶皺構(gòu)造和巖漿侵入體,整體看來(lái)構(gòu)造對(duì)其地應(yīng)力場(chǎng)分布影響較小,因此,煤層以垂直應(yīng)力為主,故以下僅針對(duì)垂直應(yīng)力,對(duì)新興煤礦應(yīng)力場(chǎng)分布特征進(jìn)行分析。圖3-8為煤礦垂直應(yīng)力場(chǎng)分布情況,由垂直應(yīng)力水平整體上呈現(xiàn)北高南低的分布規(guī)律,西北區(qū)和西南區(qū)域呈現(xiàn)地應(yīng)力的特征,這與新興煤礦煤層的地層情況相一致。根據(jù)新興煤礦采掘工程平面圖和地形地勢(shì)等高線圖,五采區(qū)68#煤層埋深564m,計(jì)算可得該煤層自重應(yīng)力平均值為11.05MPa。由于構(gòu)造作用,造成煤層垂直應(yīng)力比自重應(yīng)力大,由地應(yīng)力反演結(jié)果可知,煤礦平均垂直應(yīng)力為13.8MPao由此可以計(jì)算出:4煤層沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)根據(jù)天地科技股份有限公司等單位編制的《黑龍江龍煤七臺(tái)河礦業(yè)有限責(zé)任公司新興煤礦三水平68#煤巖沖擊傾向性鑒定報(bào)告》,結(jié)合結(jié)合新興煤礦生產(chǎn)接續(xù)圖、新興煤礦采掘作業(yè)規(guī)程等資料,從地質(zhì)方面因素和開(kāi)采技術(shù)方面因素出發(fā),對(duì)新興煤礦三水平68#煤層沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。本報(bào)告按照《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》第十五條相關(guān)規(guī)定,采用綜合指數(shù)法對(duì)新興煤礦三水平68#煤層沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜合指數(shù)法影響沖擊地壓的主要因素有地質(zhì)方面的因素和開(kāi)采技術(shù)方面的因素,對(duì)影響因素進(jìn)行分析,確定各因素對(duì)沖擊地壓的影響程度和危險(xiǎn)狀態(tài)的影響指數(shù),將其綜合即可形成沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定的綜合指數(shù)法。綜合指數(shù)法是在分析已發(fā)生的沖擊地壓災(zāi)害的基礎(chǔ)上,分析各種采礦地質(zhì)因素對(duì)沖擊地壓發(fā)生的影響,確定各影響因素的權(quán)重,然后將其綜合起來(lái),建立起沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的宏觀角度評(píng)價(jià)方法,可用于對(duì)采掘工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。沖擊地壓危險(xiǎn)性指數(shù)可分為地質(zhì)因素評(píng)價(jià)指數(shù)和開(kāi)采技術(shù)因素評(píng)價(jià)指數(shù),綜合兩者確定沖擊地壓危險(xiǎn)程度。綜合指數(shù)法的計(jì)算公式如下:Wt為沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定綜合指數(shù),取Wtl、Wt2中最大者；Wtl為地質(zhì)因素對(duì)沖擊地壓的影響程度及沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定指數(shù)；Wt2為開(kāi)采技術(shù)因素對(duì)沖擊地壓的影響程度及沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定指數(shù);Wi為第i個(gè)影響因素的實(shí)際指數(shù);Wimax為第i個(gè)影響因素的最大危險(xiǎn)指數(shù);n為影響因素個(gè)數(shù)。地質(zhì)因素影響沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)影響沖擊地壓地質(zhì)方面的因素有開(kāi)采深度、煤層的物理力學(xué)特征、頂板巖層的結(jié)構(gòu)特征、地質(zhì)構(gòu)造、沖擊地壓發(fā)生史等,具體見(jiàn)表4T。4.1.2開(kāi)采技術(shù)因素影響沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)影響沖擊地壓的開(kāi)采技術(shù)方面因素有開(kāi)拓布局、保護(hù)層開(kāi)采、巷道布置、煤柱留設(shè)、采空區(qū)處理等方面的因素,具體見(jiàn)表4-2。4.2新興煤礦68#煤層沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)4.2.168#煤層地質(zhì)因素影響評(píng)價(jià)(1)同一水平煤層沖擊地壓發(fā)生歷史(次數(shù)/n,W1)目前,新興煤礦68#煤層生產(chǎn)工作面位于三水平五采區(qū)左二片,根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃2019年1-?4月回采左二片。跟據(jù)新興煤礦及周邊礦井沖擊地壓事件記錄,68#煤層未發(fā)生過(guò)沖擊地壓,各煤層沖擊地壓發(fā)生史概況見(jiàn)表4-4o(3)上覆裂隙帶內(nèi)堅(jiān)硬厚層巖層距煤層的距離d(W3)68#煤層頂板為砂巖,巖性中硬,根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》安監(jiān)總煤裝(2017)66,該煤層裂隙帶高度計(jì)算公式如下：經(jīng)計(jì)算得出頂板厚度特征參數(shù)值,Lst=96.92根據(jù)地質(zhì)因素對(duì)應(yīng)沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)估表,68#煤層工作面頂板厚度特征參數(shù)評(píng)估值W4=3,見(jiàn)表4-8。(6)煤的單軸抗壓強(qiáng)度(W6)《新興煤礦三水平68煤煤巖沖擊傾向性鑒定報(bào)告》按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T25217.2-2010《煤的沖擊傾向分類及指數(shù)的測(cè)定方法》測(cè)定了新興煤礦沖擊傾向性各項(xiàng)指數(shù),詳見(jiàn)表4-10。綜上所述,至2021年12月底的規(guī)劃期內(nèi),新興煤礦三水平68#煤層各工作面地質(zhì)因素影響下的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果見(jiàn)下表：4.2.268#煤層開(kāi)采技術(shù)因素影響評(píng)價(jià)(1)保護(hù)層的卸壓程度(W1)開(kāi)采保護(hù)層后,形成了解放帶,從而起到減緩沖擊地壓的作用。根據(jù)以往研究成果,保護(hù)層開(kāi)采后,被保護(hù)層開(kāi)采時(shí),支撐壓力峰值降低了,但作用范圍加大,表明解放作用可以改善被保護(hù)層開(kāi)采中能量積聚與釋放的空間分布情況。新興煤礦68#煤層之上賦存有64#、65#、66#煤層,其中67#距離68#煤層20.2m,為68#煤層的上保護(hù)層,在2014年已開(kāi)采完畢,卸壓時(shí)間較長(zhǎng),因此,保護(hù)層卸壓程度評(píng)估指數(shù)值見(jiàn)表4-14。(5)區(qū)段煤柱寬度d(W5)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和作業(yè)規(guī)程,新興煤礦68#煤層各工作面順槽單巷布置,不留設(shè)區(qū)段煤柱,d=0,因此,評(píng)估指數(shù)見(jiàn)表4-18。(9)向落差大于3m的斷層推進(jìn)的工作面或巷道與斷層的距離Ld(W9)根據(jù)新興煤礦采掘工程平面圖、生產(chǎn)接續(xù)圖,68#煤層左二片工作面推進(jìn)范圍內(nèi)無(wú)落差大于3m斷層,工作面與斷層的距離Ld>100m,因此,評(píng)估指數(shù)值見(jiàn)表4-22o2.3沖擊危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)至2021年12月底,新興煤礦68#煤層共有一個(gè)工作面生產(chǎn),為五采區(qū)左二片工作面,沖擊危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如表4-26。68#煤層整體具有弱沖擊危險(xiǎn),地質(zhì)因素是沖擊危險(xiǎn)性的主要影響因素。綜合分析,68#煤層具有弱沖擊危險(xiǎn),在工作面的掘進(jìn)與回采期間,必須進(jìn)行沖擊地壓的監(jiān)測(cè),并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)情況采取積極主動(dòng)的卸壓措施。5結(jié)論及建議1結(jié)論本項(xiàng)目以新興煤礦地質(zhì)報(bào)告、初步設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)采掘工程平面圖、生產(chǎn)接續(xù)圖、作業(yè)規(guī)程、《沖擊傾向性鑒定報(bào)告》等為基礎(chǔ),分析新興煤礦三水平68#煤層三年內(nèi)(至2021年12月)計(jì)劃開(kāi)采區(qū)域的沖擊地壓主要影響因素分析新興煤礦三水平68#煤層的沖擊地壓主要影響因素,并通過(guò)綜合指數(shù)法確定新興煤礦三水平68#煤層的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)。研究得出以下結(jié)論:1)新興煤礦三水平68#煤層沖擊地壓主要影響因素為:煤巖沖擊傾向性、頂板巖層結(jié)構(gòu)特征、地質(zhì)構(gòu)造、物理力學(xué)參數(shù)、工作面參數(shù)等。2）采用有限差分?jǐn)?shù)值分析方法,對(duì)新興煤礦進(jìn)行了三維地應(yīng)力場(chǎng)反演,得到了該區(qū)域的初始地應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力分布特征,新興煤礦井田原巖應(yīng)力分布呈現(xiàn)出西高東低的分布特征68#煤層整體上的垂直應(yīng)力值分布在13.8MPa左右,開(kāi)采區(qū)域內(nèi)構(gòu)造引起的應(yīng)力集中程度為25%O3）根據(jù)綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果,新興煤礦三水平68#煤層綜合指數(shù)法計(jì)算結(jié)果為Wt=0.43,沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為弱。由于地質(zhì)、開(kāi)采因素等指數(shù)均基于礦方提供的資料,并根據(jù)已生產(chǎn)區(qū)域的實(shí)際情況取值,其取值會(huì)隨著開(kāi)采過(guò)程動(dòng)態(tài)變化,所以在后期開(kāi)采過(guò)程中需進(jìn)一步優(yōu)化各地質(zhì)、開(kāi)采因素取值,進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。5.2建議1)三水平五采區(qū)68#煤層開(kāi)采區(qū)存在斷層區(qū)域,對(duì)工作面回采和掘進(jìn)都有影響,在回采工作面和掘進(jìn)工作面接近斷層時(shí),應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)并采取適當(dāng)措施,避免沖擊地壓事件發(fā)生。2)針對(duì)三水平68#煤層沖擊危險(xiǎn)的具體致災(zāi)類型及實(shí)際情況,隨著開(kāi)采條件和應(yīng)力環(huán)境的變化,其沖擊危險(xiǎn)性也在動(dòng)態(tài)變化,建議對(duì)68#煤層接續(xù)掘進(jìn)、回采工作面進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),并制定針對(duì)性沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治方案,建立適合新興煤礦68#煤層現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件的沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治體系。當(dāng)監(jiān)測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí),及時(shí)采取解危措施,適時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。3)新興煤礦三水平68#煤層為弱沖擊危險(xiǎn)性,根據(jù)《煤礦防治沖擊地壓細(xì)則》建議新興煤礦建立及完善相關(guān)組織管理制度及個(gè)體防護(hù)措施,如做好順槽超前支護(hù)、人員及設(shè)備安全防護(hù)和限員等管理措施,從而有效降低沖擊地壓造成的危害,保證企業(yè)的安全生產(chǎn)。4）后續(xù)工作面回采過(guò)程中,綜合分析微震、鉆孔應(yīng)力、支架工作阻力和巷道變形量等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨工作面不同推進(jìn)度的變化規(guī)律,合理優(yōu)化68#煤層工作面推進(jìn)速度。一全文完一2.1地質(zhì)因素分析影響煤礦沖擊地壓發(fā)生的地質(zhì)因素主要有開(kāi)采深度、煤巖體的自身物理力學(xué)特性以及開(kāi)采煤層的地質(zhì)構(gòu)造。原巖應(yīng)力主要由巖體的自重應(yīng)力和殘余構(gòu)造應(yīng)力組成,其決定了煤巖體中存儲(chǔ)彈性能的能力,是對(duì)沖擊地壓影響最大、最基本的因素。1.1開(kāi)采深度影響分析根據(jù)國(guó)內(nèi)外礦山開(kāi)采實(shí)踐,在開(kāi)采深度H達(dá)到200m以上時(shí)就有發(fā)生沖擊地壓的可能(例如,門(mén)頭溝),隨著開(kāi)采深度的增加,煤層中的自重應(yīng)力隨之增加,煤巖體中聚集的彈性能也隨之增加,發(fā)生沖擊地壓的可能性也越大。根據(jù)已有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和研究成果,當(dāng)開(kāi)采深度HW350nl時(shí),發(fā)生沖擊地壓的可能性較小;350mVHW500nl時(shí)沖擊地壓發(fā)生可能性逐步增加;H>500m時(shí),隨開(kāi)采深度增加,發(fā)生沖擊地壓的次數(shù)和危險(xiǎn)性急劇加大,見(jiàn)圖27。新興煤礦68#煤層是新興煤礦重要的可采煤層,開(kāi)采范圍主要集中在五采區(qū),根據(jù)地質(zhì)地形圖,新興煤礦生產(chǎn)接續(xù)圖,新興煤礦地表井口標(biāo)高約190m,目前,左二片正在開(kāi)采,最深的開(kāi)采標(biāo)高為-361m,根據(jù)新興煤礦生產(chǎn)接續(xù)圖,三水平左二片對(duì)應(yīng)地表標(biāo)高約+203m,由采深與沖擊地壓關(guān)系可知,現(xiàn)階段該礦68#煤層開(kāi)采深度為564m,沖擊指數(shù)(Wt)約為0.09。2煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)影響分析煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)沖擊地壓的發(fā)生具有顯著影響,煤(巖)介質(zhì)產(chǎn)生動(dòng)力破壞的固有屬性,是發(fā)生沖擊地壓的必要因素之一。根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),煤樣的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT、彈性能量指數(shù)WET、沖擊能量指數(shù)KE、單軸抗壓強(qiáng)度DC四項(xiàng)指標(biāo)是綜合判別煤的沖擊傾向的實(shí)驗(yàn)方法。以往研究結(jié)果顯示,隨著煤體單軸抗壓強(qiáng)度的增加,煤樣發(fā)生沖擊破壞的最小應(yīng)力呈降低趨勢(shì),在應(yīng)力降4。=7.5MPa的情況下煤體單軸抗壓強(qiáng)度與發(fā)生沖擊破壞最小應(yīng)力之間的關(guān)系如下:(1):煤的單向抗壓強(qiáng)度RC>20MPa時(shí),煤體發(fā)生沖擊破壞的最小應(yīng)力水平為50MPa;（2)煤的單向抗壓強(qiáng)度RC〈16MPa時(shí),煤體發(fā)生沖擊破壞的最小應(yīng)力水平為70MPa;(3）煤的單向抗壓強(qiáng)度RC=16?20MPa時(shí),發(fā)生沖擊破壞的最小應(yīng)力水平為50?70Mpa。由《新興煤礦三水平68#煤巖沖擊傾向性鑒定報(bào)告》結(jié)果可知:新興煤礦68#煤層煤樣平均單軸抗壓強(qiáng)度Rc=9.93MPao2.1.3頂板條件影響分析根據(jù)煤礦安全規(guī)程第二百三十四條,以砂巖為標(biāo)準(zhǔn)的頂板巖層厚度特征參數(shù)Lst作為頂板巖層對(duì)煤體沖擊危險(xiǎn)性影響的判別系數(shù),即對(duì)煤層上方lOOm范圍內(nèi)的不同分層按照相對(duì)若面系數(shù)進(jìn)行累加,可得到頂板巖層厚度特征參數(shù)。從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果看,沖擊礦壓經(jīng)常發(fā)生在具有堅(jiān)硬頂板巖層的頂板條件下,且其頂板巖層厚度參數(shù)值為L(zhǎng)st^50o根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的柱狀圖和工程實(shí)際揭露情況,新興煤礦68#煤層上覆100nl范圍內(nèi)多為砂巖,較堅(jiān)硬,是影響該煤層沖擊地壓危險(xiǎn)性的主要影響因素。1.4地質(zhì)構(gòu)造影響分析煤巖體中的應(yīng)力條件是影響沖擊地壓的最主要因素,而煤巖體中的應(yīng)力狀態(tài)與煤巖物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān),而且直接受煤巖體中地質(zhì)構(gòu)造的影響。在斷層、褶曲、背向斜、煤層厚度變化帶及巖性變化帶附近,存在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),通常使煤巖體的構(gòu)造應(yīng)力尤其是水平構(gòu)造應(yīng)力增加,可直接導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生。褶曲是煤巖體在水平應(yīng)力作用下擠壓形成的,一般情況下褶曲區(qū)域具有較高的水平應(yīng)力,在褶曲邊緣區(qū)域,煤層走向和傾向變化處,尤其是向斜軸部升起的轉(zhuǎn)折處容易發(fā)生沖擊地壓事故,具體見(jiàn)圖2-2所示。斷層面(帶)與工作面之間的中間區(qū)域?yàn)閼?yīng)力疊加高峰區(qū),如果斷層本身屬于容易積聚能量的類型,則疊加后的應(yīng)力高峰區(qū)位置同樣容易積聚更大的能量。據(jù)現(xiàn)有研究成果,當(dāng)工作面推進(jìn)斷層構(gòu)造時(shí),相當(dāng)于工作面單邊卸壓,形成高應(yīng)力差,存在誘發(fā)沖擊地壓的可能。斷層處巖層的不連續(xù)性導(dǎo)致斷層本身的不穩(wěn)定性,隨著采掘工作面的推進(jìn),其超前支承壓力的影響范圍不斷向前發(fā)展,當(dāng)達(dá)到斷層影響區(qū)域后,斷層兩側(cè)本身的殘余構(gòu)造應(yīng)力與工作面超前支承壓力疊加,使斷層附近的支承壓力增高,形成新的高應(yīng)力區(qū),如圖2-3所示。新興礦位于勃利煤田弧形構(gòu)造西翼,區(qū)內(nèi)地層總體向南傾斜,煤層走向由N60°W漸變?yōu)镋W方向,煤層傾角由北向南逐漸變大,井田北部煤層傾角一般在7-11°,井田中部煤層傾角15-20°,井田南部煤層傾角20-30°,整個(gè)井田為一向南傾斜呈弧形展布的單斜構(gòu)造。其中68號(hào)煤層左二片工作面主要受到以下兩個(gè)斷層的影響:(1)F4正斷層轉(zhuǎn)逆斷層:走向ES,傾向SW,傾角56°o(2)F8正斷層:走向ES,傾向N,傾角30°,落差10?30m同時(shí),由于小型構(gòu)造發(fā)育具有局部性和隨機(jī)性,在井田勘察階段很難遇到或難以被識(shí)別,而在礦井生產(chǎn)中則會(huì)遇到,在準(zhǔn)備不充分的情況下容易誘發(fā)沖擊地壓事故。因此,在礦井生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)井下小構(gòu)造的超前探測(cè)。至2021年12月底,根據(jù)新興煤礦采掘工程平面圖、地形地勢(shì)等高線圖、生產(chǎn)接續(xù)圖,68#煤層計(jì)劃施工和回采的工作面埋深,按工作面參數(shù)可計(jì)算得出自重應(yīng)力,由于構(gòu)造作用,造成煤層垂直應(yīng)力比自重應(yīng)力大,由地應(yīng)力反演結(jié)果得出各工作面所在位置垂直應(yīng)力,見(jiàn)表2-2。煤層局部厚度的不同變化對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律為:1)煤厚變薄區(qū)的原巖應(yīng)力比變厚區(qū)大,煤厚減小率或巖煤彈性模量比越大,兩區(qū)域原巖應(yīng)力的差值就越大,即應(yīng)力梯度越大。2)當(dāng)工作面由厚向薄回采時(shí),超前支承壓力由變厚區(qū)向變薄區(qū)傳遞,處于彈性平衡狀態(tài)的煤體承受的應(yīng)力越高,存儲(chǔ)的彈性形變能就越高,而煤厚變薄區(qū)的應(yīng)力比變厚區(qū)大,所以煤厚變薄區(qū)存儲(chǔ)的能量較變厚區(qū)高,但能量的傳遞方向是從高到低,故而超前支承壓力傳遞到煤厚變薄區(qū)是無(wú)法正常傳遞,造成與應(yīng)力不斷疊加,形成第2峰值應(yīng)力。在煤壁前方兩個(gè)峰值應(yīng)力區(qū)會(huì)形成兩個(gè)高能區(qū),造成存儲(chǔ)的沖擊能量較高,當(dāng)沖擊地壓發(fā)生時(shí),第2峰值應(yīng)力區(qū)形成的高能區(qū)會(huì)阻礙沖擊能量向煤壁深部傳遞,產(chǎn)生的沖擊能量將主要向巷道或者工作面臨空面釋放,沖擊地壓的影響范圍較大。3)當(dāng)工作面由薄向厚回采時(shí),超前支承壓力的傳遞方向是由變薄區(qū)想變厚區(qū),能夠正常傳遞,僅形成一個(gè)峰值應(yīng)力。煤壁前方僅存在一個(gè)高能區(qū),存儲(chǔ)的沖擊能量較由厚向薄回采時(shí)低,而發(fā)生沖擊災(zāi)害時(shí),產(chǎn)生的沖擊能量一部分向巷道或者工作面臨空面釋放,另一部分向煤壁深部傳遞,故而沖擊范圍較有厚向薄回采時(shí)小。五采區(qū)68#煤層回采工作面煤層厚度沿傾斜方向變化,走向較穩(wěn)定,回采過(guò)程中加強(qiáng)觀測(cè),采取防沖措施,防止發(fā)生沖擊事故。3地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律研究1新興煤礦地應(yīng)力分布規(guī)律研究初始地應(yīng)力是指地殼巖層未受人為工程擾動(dòng)處于原始狀態(tài)的內(nèi)在應(yīng)力,煤礦開(kāi)采過(guò)程中,地應(yīng)力是導(dǎo)致各種礦山壓力顯現(xiàn)的來(lái)源,也是決定工程煤巖體力學(xué)行為的主導(dǎo)因素。地應(yīng)力場(chǎng)是影響煤炭地下開(kāi)采工程的外部力學(xué)環(huán)境,了解其分布情況是合理確定采場(chǎng)布局、開(kāi)采程序、巷道支護(hù)形式及參數(shù)等的重要條件?？梢?jiàn),掌握地應(yīng)力分布規(guī)律是確定采礦工程巖體屬性、實(shí)現(xiàn)工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提。隨著我國(guó)煤炭資源持續(xù)開(kāi)采,煤礦開(kāi)采深度逐年增加。礦井下延過(guò)程中,地應(yīng)力逐漸升高,巷道破壞嚴(yán)重、底板突水、煤與瓦斯突出及沖擊地壓等事故呈現(xiàn)上升趨勢(shì),重大沖擊地壓、煤與瓦斯突出事故時(shí)有發(fā)生,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響。這些災(zāi)害事故的發(fā)生與高地應(yīng)力的根本力源作用有著內(nèi)在的聯(lián)系。因此,對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的研究是安全高效生產(chǎn)的根本需要。目前,獲取礦井局部地應(yīng)力最直接的方式是現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量。由于現(xiàn)有測(cè)量方法成本高、周期長(zhǎng)和礦井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn),無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模、高密度的測(cè)量。此外,地應(yīng)力場(chǎng)的影響因素眾多,煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜多變,實(shí)地測(cè)量只能獲得局部地應(yīng)力情況,有限的測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確反映大范圍井田應(yīng)力場(chǎng)情況,難以滿足礦井工程設(shè)計(jì)和施工的需要。鑒于此,在充分考慮現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,利用有限的地應(yīng)力測(cè)量成果,采用科學(xué)的反演方法得到較為準(zhǔn)確的井田地應(yīng)力場(chǎng)具有重要的理論價(jià)值及工程實(shí)踐意義。目前,地應(yīng)力場(chǎng)反演方法眾多,按照時(shí)間先后順序主要有海姆法則、側(cè)壓力系數(shù)法、邊界載荷調(diào)整法、應(yīng)力函數(shù)法、位移函數(shù)法、回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法等。其中多元線性回歸分析方法,能夠反映地形地質(zhì)條件和巖體的結(jié)構(gòu)形態(tài),是目前工程中比較成熟且精確的地應(yīng)力反演方法。3.2多元線性回歸分析基本原理2.1基于多元回歸理論的地應(yīng)力場(chǎng)回歸分析原理假設(shè)實(shí)測(cè)初始地應(yīng)力場(chǎng)及其所反映的初始地應(yīng)力場(chǎng)。是下列變量的函數(shù):上述回歸模型成立需滿足以下三個(gè)條件:基于實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù),以工程區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、地形和地貌為前提,該方法計(jì)算步驟分為五步：(1)依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告中所測(cè)得的實(shí)測(cè)資料、工程剖面圖和平面布置圖等材料創(chuàng)建三維有限元數(shù)值計(jì)算模型;(2)用三維有限元模型進(jìn)行前述的6種初始的基本工況的計(jì)算,獲得每個(gè)因素作用下所有測(cè)點(diǎn)位置的系統(tǒng)響應(yīng),也就是獲得每個(gè)應(yīng)力實(shí)測(cè)點(diǎn)處的六個(gè)應(yīng)力分量值;然后根據(jù)