CN112901169B - 一种不对称孤岛工作面的冲击失稳判别与防冲开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，包括如下步骤：S1、得到工作面覆岩空间分布特征，并利用微震监测结果，揭示砾岩对工作面上覆岩层活动的控制影响；S2、将地表划分为三类区域，分析不同区域内的覆岩对孤岛工作面的应力传递规律，建立平均支承压力估算模型；S3、建立工作面“当量采深‑工作面破坏程度‑平均支承压力”之间的关系，并据此判别工作面发生冲击失稳的可能。本发明还提供了一种不对称孤岛工作面的防冲开采方法。本发明以巨厚砾岩条件下的不对称孤岛工作面为研究对象，提出“当量采深‑工作面破坏程度‑平均支承压力”之间关系，并以此作为判断工作面危险程度的依据，从而有效保证工作面的安全开采。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种不对称孤岛工作面的冲击失稳判别与防冲开采方法。
背景技术
孤岛工作面覆岩空间结构复杂，开采应力集中程度高，极易引发冲击地压等危险，煤体冲击失稳及其诱发的动力灾害逐渐成为制约矿井安全生产的难题。开展孤岛工作面采前冲击失稳研究是冲击地压危险预测和防治的关键。
目前，国内专家在孤岛工作面上覆岩层结构特征、应力分布规律以及冲击地危险评估等方面进行了研究，取得了丰硕成果。姜福兴等人根据采场周边情况，首先提出O、S、C、θ四种典型的覆岩空间结构类型，并在此基础上研究孤岛工作面采场覆岩的多层空间结构“四周一体”的运动方式，并通过现场监测、数值计算等方法揭示覆岩结构运动与采动应力场之间关系；窦林名等人研究了孤岛工作面顶板运动规律，结合地质构造影响因素，分析了孤岛工作面围岩应力集中程度及剧烈运动规律，提出了孤岛工作面冲击危险程度评价方法。但由于影响孤岛工作面的煤体冲击失稳因素很多，不同孤岛工作面煤体应力集中程度和覆岩空间结构运动特征需要具体分析，特别是采场上覆巨厚关键岩层，两侧地表沉陷呈不对称的特殊孤岛工作面，其采空区覆岩结构复杂，煤体冲击失稳的预测防治也更加困难。
据此，目前急需一种不对称孤岛工作面覆岩空间结构的煤体冲击失稳判别方法以及相应的防冲开采设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种不对称孤岛工作面覆岩空间结构的煤体冲击失稳判别与防冲开采方法。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，包括如下步骤：
S1、依据地表沉陷统计规律，得到孤岛工作面两侧不对称覆岩空间分布特征，并利用微震监测结果结合砾岩物理力学特性，揭示砾岩对工作面上覆岩层活动的控制影响；
S2、将地表划分为三类区域，即“超充分采动区”、“充分采动过渡区”和“非充分采动区”；分析不同区域内的覆岩对孤岛工作面的应力传递规律，建立不对称孤岛工作面煤体平均支承压力估算模型；
S3、根据工作面煤体不同深度条件下的煤体破坏应力条件，提出煤体冲击失稳分析方法，建立工作面“当量采深-工作面破坏程度-平均支承压力”之间的关系，并据此判别不对称孤岛工作面发生冲击失稳的可能性。
作为本发明的优选方式之一，所述不对称孤岛工作面具体为巨厚砾岩条件下的不对称孤岛工作面。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤S2中，采区地表设置的地表沉降观测线南北走向分布，沿矿井勘探线钻孔布置，通过监测钻孔孔口标高变化，反映开采与地面沉降关系；当工作面开采完毕，地表经过成分充分沉降后，得到地表实测沉降曲线；用开采尺寸与开采深度比值D/H表示采动程度，D/H结果越大表明采动程度越大；据此，将地表划分为三类区域，即“超充分采动区”、“充分采动过渡区”和“非充分采动区”。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤S2中，不对称孤岛工作面静态应力来源于上覆岩层的重力和转移应力的叠加；根据地表沉降和微震监测结果，“超充分采动区”范围内上覆岩层从采空区顶板直至地表的岩层完全垮落，覆岩重力全部作用在采空区上；“充分采动过渡区”内关键岩层破断后，从触矸点到和破裂线位置之间的破断岩块相互“咬合”形成铰接岩梁结构，这部分岩层重力一半作用在矸石，另一半重力通过破裂位置传递给孤岛工作面，形成覆岩传递应力；“非充分采动区”上方岩层受煤体直接“支撑”作用，以及采空区一侧上覆岩层悬顶作用，特别是巨厚关键砾岩层的支承作用，地表没有发生沉降，煤体承受其上覆岩层重量以及一侧采上方悬顶的岩层重量的一半。
作为本发明的优选方式之一，关于所述不对称孤岛工作面煤体平均支承压力估算模型的建立：
孤岛工作面静态应力来源于上覆岩层的重力和转移应力的叠加，根据地表沉降和微震监测结果分析得到，对工作面煤体应力产生影响的区域为：“充分采动过渡区”和“非充分采动区”，二者在工作面两侧形成不对称的压力作用；不同区域岩层的重力以直接或者间接的方式产生覆岩重力；据此，开始建立不对称孤岛工作面煤体平均支承压力估算模型；该模型中，破裂线左侧区域为充分采动过渡区，该区域所在岩层有一半重力传递给孤岛煤体上；破裂线右侧区域为非充分采动区，工作面煤体正上方的非充分采动区岩体重量全部作用在孤岛工作面煤体上；
假设，充分采动过渡区对应的覆岩空间范围为S1，工作面煤体正上方的非充分采动区岩体范围为S2，根据不同垮落的上覆岩层对孤岛工作面的重力作用效果，作用在孤岛工作面上的有效岩层重量面积S为：
忽略地表沉降影响，即S1为：
S2和“非充分采动区一侧覆岩破裂岩体范围的一半”S3之和ST为：
面积S3为：
面积差ST-S3得到面积S2为：
单位面积上的垂直应力，即为孤岛工作面平均静态支承压力σ0，则采前孤岛工作面煤体平均支承压力σ0表示为：
式(1)～式(6)中，H0为工作面平均开采埋深；LK为孤岛工作面留设宽度；LC为采空区充分沉降最小地面宽度；D0为孤岛工作面一侧采空区宽度；h表示采空区宽度为D0的上覆岩层最大破裂高度；β为上覆岩层最终移动角度；α为上覆岩层破裂角度；γ为上覆岩层的平均容重。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤S3中，采用“当量开采深度”描述孤岛工作面受冲击失稳危险程度；所述“当量开采深度”具体为孤岛工作面平均静态支承压力σ0与覆岩平均容重γ比值，计算为：
作为本发明的优选方式之一，所述步骤S3中，回采时孤岛工作面煤体的平均支承压力
的计算方法为：
式(9)中，
为孤岛工作面开采过程中煤体平均支承压力值；σd为工作面开采过程中煤体支承压力增量值；k为工作面开采压力动载系数，根据现场监测获取。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤S3中，关于煤层冲击失稳判断：
当采掘空间周围“煤-岩”系统的压力达到或者超过煤体冲击地压发生的临界压力水平时，“煤-岩”就可能发生冲击破坏；根据压力条件，冲击地压对应描述为：
式(10)中，σ*为“煤-岩”系统发生冲击的临界压力；
煤体冲击破坏的临界压力：
σ*＝ηRC 式(11)；
式(11)中，RC为煤体单轴抗压强度；η为不同围压条件下的综合抗压系数；
由于发生冲击地压的煤层单轴抗压强度为15～25MPa，工作面巷道周边煤体平均支承压力大于煤体单轴抗压强度1.5倍，是发生冲击地压的临界值，因此，冲击地压发生条件转化为：
采前工作面深部煤体相对完整，煤体处于三向应力状态下，此时综合抗压系数达到最大值ηmax≈4，即当工作面煤体平均支承压力达到4RC时，煤体就会整体发生失稳破坏；据此，建立孤岛工作面破坏程度U与当量开采深度H′及工作面平均支承压力
之间关系，并采用模糊函数表示：
式(13)中，U1、U2分别为孤岛工作面煤体破坏对工作面平均支承压力、当量开采深度的隶属度函数；
为工作面平均支承压力，取
作为工作面局部、整体冲击时应力临界判别条件，Hc、Hs为相应的工作面局部、整体冲击时当量开采深度；
据此，U＜0.375，工作面无冲击危险，0.375≤U≤1.0工作面局部冲击，U＞1.0工作面整体失稳。
一种不对称孤岛工作面的防冲开采方法，先通过上述不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法对相应的不对称孤岛工作面进行判断，判断其是否存在发生冲击失稳的可能性；若存在失稳可能性，再通过调整工作面开采顺序和优化工作面宽度的方法，来效降低孤岛工作面冲击地压危险性；同时，回采过程中采取大直径钻孔卸压和动态应力监测手段，来保证孤岛工作面安全开采。
作为本发明的优选方式之一，判断所述不对称孤岛工作面是否存在发生冲击失稳的可能性，通过以下公式进行判断：
式(13)中，U1、U2分别为孤岛工作面煤体破坏对工作面平均支承压力、当量开采深度的隶属度函数；
为工作面平均支承压力，取
作为工作面局部、整体冲击时应力临界判别条件，Hc、Hs为相应的工作面局部、整体冲击时当量开采深度；
据此，U＜0.375，工作面无冲击危险，0.375≤U≤1.0工作面局部冲击，U＞1.0工作面整体失稳。
本发明相比现有技术的优点在于：对孤岛工作面采前进行冲击失稳研究是确保孤岛工作面安全回采的关键；本发明通过研究不同采动区域覆岩对孤岛工作面的压力传递规律，建立巨厚砾岩条件下不对称孤岛工作面煤体平均支承压力估算模型，并进一步探讨巨厚砾岩条件下孤岛工作面“当量采深-工作面破坏程度-平均支承压力”之间关系，据此判断巨厚砾岩条件下孤岛工作面的危险性程度；在得到不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法后，再通过调整工作面开采顺序和优化工作面宽度，又可进一步降低巨厚砾岩条件下孤岛工作面冲击危险性，可有效保证工作面的安全开采。
附图说明
图1是实施例1中地表沉降曲线图；
图2是实施例1中采区地表沉降观测布置图；
图3是实施例1中工作面微震观测结果图；
图4是实施例1中不对称孤岛工作面覆岩空间结构剖面图；
图5是实施例2中孤岛工作面不同支承压力曲线分布特征图；
图6是实施例2中孤岛工作面平均静态支承压力估算模型；
图7是实施例2中不同位置煤体受力状态图；
图8是实施例3中“当量采深-破坏程度-平均支承压力”关系图；
图9是实施例4中1107工作面煤体相对垂直应力曲线图；
图10是实施例4中孤岛工作面平均支承压力曲线图；
图11是实施例4中孤岛工作面布置图；
图12是实施例4中冲击地压应力在线实时监测预警系统监测巷道周边煤体应力变化图；
图13是实施例4中工作面冲击地压预警云图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例以山东某矿巨厚砾岩条件下孤岛工作面为研究对象，基于地表沉陷、微震监测结果，建立了不对称孤岛工作面覆岩结构特征和支承压力分布力学模型，获得孤岛工作面煤体冲击失稳判别方法。并运用研究成果分析孤岛工作面危险程度，通过孤岛工作面开采方案优化，能够保证工作面安全开采。
实施例1
本实施例说明研究对象的工程背景和结构特征。
一、工程背景
1、采区地质概况
山东某煤矿主采区平均开采深度约500m，采区总体上呈一单斜构造，岩层走向40°左右，倾向330°左右，倾角10°～16°，一般11°左右，产状比较稳定。主采的下二叠统山西组和上石炭统太原群中部3煤层沉积稳定，全采区可采，煤层的最大厚度为6.71m，最小厚度为1.14m，平均达到4.38m，采区内平均60％的钻孔见煤厚度5.4m左右，煤层容重1.35kN/m3，煤层结构简单，仅在极少数钻孔见有夹矸一层，厚度一般小于0.4m，其岩性以粘土岩为主。
采区工作面煤层直接顶板为粉砂岩，层理发育，易离层冒落，硬度系数f＝4～6，老顶为厚20.65m的坚硬中砂岩，f＝9～10，主要成分含石英，致密坚硬，完整性好，极易悬顶。距3煤顶板约230m处存在砾岩赋存，砾岩沿走向覆盖整个采区，厚度分布较稳定，平均约125m。由于砾岩具有厚度大、完整性好、强度高等物理力学特征，因此称为巨厚砾岩。
2、地表观测结果分析
采区地表设置的地表沉降观测线大致南北走向分布，沿矿井勘探线(钻孔)布置，通过监测钻孔孔口标高变化，反映开采与地面沉降关系。在工作面开采完毕，地表经过成分充分沉降后，得到地表实测沉降曲线如图1所示，采空区①(图2的D区域)最远处观测点最大下沉达到3455mm，采空区②(图2的B区域)大约中间位置测点最大下沉值仅为1050mm。
用开采尺寸与开采深度比值(D/H)表示采动程度，D/H结果越大表明采动程度越大。当前采空区②宽度尺寸D0＝350m，平均开采深H0＝500m，相应的充分采动程度：D0/H0＝350/500＝0.70，根据该地区类似矿井充分采动时下沉系数经验值0.95计算，推算该区域的最大经验下沉量大约为5.4×0.95×0.70＝3.591m。通过实测沉降值和经验计算结果对比，判断采空区②为非充分采动区域，采空区①为充分采动区域。
二、孤岛工作面覆岩结构特征
1、巨厚砾岩破断特征
关键层理论的研究表明，覆岩主关键层对工作面覆岩运动和地表移动的动态过程起控制作用。主关键层破断将引起覆岩产生整体运动，关键层的下沉变形或破断，其上覆全部岩层将随之下沉、破断。通过对采区内地质进行分析，得到高位砾岩为覆岩内的主关键层。
综合地表沉降结果(见图2)，B区工作面开采后，由于砾岩本身强度大，开采扰动未对关键砾岩层稳定性造成影响，砾岩形成的悬顶结构，能够承受自身及上部岩层直至地表的载荷重量，造成该范围的地表沉降远小于经验计算结果。A区域的实际沉降结果与沉降经验计算结果基本一致，表明该区域内关键砾岩层已经断裂，地表而后进入充分沉降阶段。
同时，采用微地震监测系统也反映了工作面上覆岩层破裂规律(见图3)。根据B区微震监测结果表明，3上1109工作面开采后工作面上覆岩层最大破裂高度约为80m，相邻3上1107工作面开采导致上覆岩层破裂高度进一步加大，顶板最大破裂高度达到120m，整体岩层破裂高度没有发展到砾岩赋存高度。工作面的推进过程中，顶板岩层从下往上逐渐破断，最大破裂高度与采空区宽度有关，根究前人研究结果，一般垮落式回采，在进入充分采动之前，上覆岩层最大破裂高度一般为采空区短边(工作面斜长或推进距离)长度的一半。B区采空区宽度为350m，最大破裂高度经验值约175m，与实际监测最大破裂高度(120m)存在一定差距，主要原因是上覆关键砾岩层能够形成稳定悬顶结构，高位岩层连贯性破裂发生间断，导致上覆岩层不能够整体沉降运动。
2、孤岛工作面覆岩空间结构
根据地表沉陷观测和微震监测结果，得到孤岛工作面周边覆岩空间结构，如图4所示。按照地表沉陷量确定岩层垮落程度，对应的地面划分为超充分采动区、超充分与非充分采动过渡区(充分采动过渡区)以及非充分采动区，超充分采动区范围内上覆岩层从采空区顶板直至地表的岩层完全垮落，覆岩重力全部作用在采空区上；充分采动过渡区内关键岩层破断后，从触矸点到和破裂(线)位置之间的破断岩块相互“咬合”形成铰接岩梁结构，这部分岩层重力一半作用在矸石，另一半重力通过破裂位置传递给孤岛工作面，形成覆岩传递应力；非充分采动区上方岩层受煤体直接“支撑”作用，以及采空区一侧上覆岩层悬顶作用，特别是巨厚关键砾岩层的支承作用，地表没有发生沉降，煤体承受其上覆岩层重量以及一侧采上方悬顶的岩层重量的一半。图中α和β分别为岩层最终覆岩破裂角和移动角。
受巨厚关键砾岩控制影响，孤岛工作面两侧采空区的上覆岩层结构呈现不同形态特征，因此称此类工作面为巨厚砾岩条件下不对称孤岛工作面，研究工作面上覆岩层分布特征对于确定应力分布和评估冲击危险都有重要意义。
实施例2
本实施例说明实施例1中孤岛工作面支承压力的估算。
孤岛工作面实际支承压力分布特征与煤层厚度、煤体物理力学参数、应力集中程度、以及工作面宽度等因素关系密切，两侧应力叠加后多呈现马鞍形或者拱形等，实际支承压力分布的计算方法较为复杂，为了简化计算，假设工作面承受的上覆岩层重力平均作用在煤体上，孤岛工作面支承压力按直线型分布，如图5所示。
一、建立孤岛工作面平均静态支承压力模型
孤岛工作面静态应力来源于上覆岩层的重力和转移应力的叠加，根据地表沉降和微震监测结果分析得到，对工作面煤体应力产生影响的区域为：超充分与非充分采动过渡区(充分采动过渡区)和非充分采动区，在工作面两侧形成不对称的压力作用方式，不同区域岩层重力作用直接或者间接方式产生覆岩重力。如图4所示，破裂线左侧实线包络的岩层只有一半重力传递给孤岛面煤体上，破裂线右侧实线包络的岩层重量全部作用在孤岛工作面煤体上，据此获得不对称孤岛工作面平均静态支承压力估算模型，如图6所示。
图6中，破裂线左侧实线围成区域的面积为S1，破裂线右侧实线围成区域的面积为S2，根据不同垮落的上覆岩层对孤岛工作面的重力作用效果分析，作用在孤岛工作面上的有效(岩层重量)面积S为：
由于地表沉降量与工作面采深比值非常小(充分采动下沉量与工作面采深比值3.455/500≈7‰)，可以忽略地表沉降影响，即(“倒”直角梯形区域面积)S1为：
图中破裂线右侧实线围成面积S2和虚线围成面积(“非充分采动区一侧覆岩破裂岩体范围的一半)S3之和(“正”直角梯形区域面积)ST为：
虚线围成的面积S3为：
面积差ST-S3得到面积S2为：
单位面积上的垂直应力即为孤岛工作面平均静态支承压力σ0，则采前孤岛工作面煤体平均支承压力σ0表示为：
式(1)～式(6)中，H0为工作面平均开采埋深；LK为孤岛工作面留设宽度；LC为采空区充分沉降最小地面宽度；D0为孤岛工作面一侧采空区宽度；h表示采空区宽度为D0的上覆岩层最大破裂高度；β为上覆岩层最终移动角度；α为上覆岩层破裂角度；γ为上覆岩层的平均容重。
二、采空区宽度D0与对静态支承压力影响探讨
依据公式(6)结果，孤岛工作面采前平均静压力σ0与采空区宽度D0有关，实际微震监测和相关文献研究都表明D0与采空区最大破裂高度h存在一定关系，由于关键砾岩悬顶结构存在，需要区分不同D0值情况下平均静态压力。
一般垮落式回采经验，最大破裂高度一般为采空区短边(工作面斜长或推进距离)长度的一半，采空区宽度较小时，宽度为D0采空区经验破裂高度h≤D0/2，如果h＜hZ(砾岩距煤层高度)，开采破裂范围(扰动)未影响到砾岩；采空区宽度较大时，经验破裂高度h≥hZ，开采破裂范围(扰动)影响到砾岩，如果砾岩没有发生破断，表明其承受住了自身直至地表岩层的载荷，实际破裂高度最大只能达到砾岩底部，即h＝hZ，如图6所示。
所以，按照一般最大破裂高度经验预计方法(h＝D0/2)，得到不同D0值情况下S3计算结果：
公式(4)～(6)是煤层上覆岩层破裂高度小于砾岩赋存高度情况下计算结果，公式(7)可以对公式(4)～(6)进行补充和修正。
三、覆岩空间结构条件下当量开采深度
相关研究表明，具有冲击倾向性的煤层都有一个发生冲击地压的临界采深，当深度H≤350m时，冲击地压一般不会发生，当深度350m＜H＜500m时，在一定程度上冲击危险程度逐步增加。由于没有考虑冲击地压发生的采场应力条件，结果并不能反映矿井发生冲击地压的临界开采深度。
与冲击地压发生的临界开采深度对应的另一个概念是当量开采采深。当量开采采深是综合采场围岩垂直应力和覆岩空间结构传递应力因素，计算得出的的煤层相对开采深度，该深度通常大于煤层的实际开采深度。
孤岛工作面平均静态支承压力σ0与覆岩平均容重γ比值即为当量开采深度
计算为
用当量开采深度描述工作面受冲击失稳威胁程度及煤体冲击失稳发生机理更具实际意义。
四、孤岛工作面平均支承压力计算
煤体冲击失稳发生与煤体压力紧密相关，而煤体的压力包括静态压力和动态压力。工作面回采过程中，工作面煤体受到超前支承压力作用，煤体动态支承压力为静态支承压力的k倍，则回采时孤岛工作面煤体的平均支承压力σ为：
式(9)中，
为孤岛工作面开采过程中煤体平均支承压力值；σd为工作面开采过程中煤体支承压力增量值；k为工作面开采压力动载系数，一般根据现场监测获取。
五、煤层冲击失稳判断与工作面宽度计算
冲击地压发生机理表明，采掘空间周围“煤-岩”系统的压力达到或者超过煤体冲击地压发生的临界压力水平时，“煤-岩”就可能发生冲击破坏，根据压力条件，冲击地压的机理可描述为：
式(10)中，σ*为“煤-岩”系统发生冲击的临界压力；
一般岩石强度大于煤体强度，“煤-岩”系统强度主要由煤体决定，根据采掘空间周围煤体距离采掘边界位置不同，煤体所受到不同的围压状态，煤体从单向受力逐渐过渡到三向受力状态，根据煤体达到破坏强度之前抗压强度与围压基本成线性关系，则煤体冲击破坏的临界压力：
σ*＝ηRC 式(11)；
式(11)中，RC为煤体单轴抗压强度；η为不同围压条件下的综合抗压系数；
依据多个冲击地压矿井的实践验证，发生冲击地压的煤层单轴抗压强度一般为15～25MPa，通常工作面巷道周边煤体平均支承压力大于煤体单轴抗压强度的1.5倍，是发生冲击地压的临界值[18]，综合以上分析，冲击地压发生条件转化为：
采前工作面深部煤体相对完整，煤体处于三向应力状态下(见图7)，此时综合抗压系数达到最大值ηmax≈4，即当工作面煤体平均支承压力达到4RC时，煤体就会整体发生失稳破坏。建立孤岛工作面破坏程度U(孤岛工作面煤体整体失稳破坏隶属度为“1”)与当量开采深度H′及工作面平均支承压力
之间关系，并采用模糊函数表示：
式(13)中，U1、U2分别为孤岛工作面煤体破坏对工作面平均支承压力、当量开采深度的隶属度函数；
为工作面平均支承压力，取
作为工作面局部、整体冲击时应力临界判别条件，Hc、Hs为相应的工作面局部、整体冲击时当量开采深度。
实施例3
本实施例说明孤岛工作面的冲击失稳判别方法。
根据实施例2内容与公式(13)，建立“当量采深-破坏程度-平均支承压力”关系，见图8。如图8所示，在工作面平均支承压力
时，工作面具备局部冲击的条件，此时对应的工作面当量采深为
工作面整体破坏程度U＝0.375；在工作面平均支承压力
时工作面具备整体失稳的条件，此时对应的工作面当量采深为
工作面整体破坏程度U＝1.0。即，U＜0.375工作面无冲击危险，0.375≤U≤1.0工作面局部冲击，U＞1.0工作面整体失稳。据此初步建孤岛立工作面“当量开采深度
-破坏程度U-平均支承压力
”之间的“当量、线性”关系。
该图形和方法具有优点：(1)建立了当量采深与工作面平均支承压力之间关系，由此得到描述工作面冲击地压发生深度的一项关键指标，与普通的实际埋深(注重静态压力)相比，当量采深考虑了静态压力和动态压力，在描述冲击危险性时更加合理；(2)提出了工作面破坏程度U概念和估算方法，与传统工作面冲击地压评估结果分类指标(主要有无、弱冲击、中等冲击、强冲击4类)，该方法和结果更加趋于量化；(3)将工作面冲击危险类型大致划分为局部冲击和整体失稳2类，并以工作面平均支承压力的大小作为相应判别指标，对工作面的冲击类型描述和定量预测更加全面。
实施例4
本实施例说明上述冲击失稳判别方法的工程应用。
一、孤岛工作面平均支承压力计算结果
综合该采区地质资料，工作面平均开采深度取H0＝500m，砾岩底部距煤层平均距离hZ.＝230m，充分采动的最小宽度距离LC＝135m，上覆岩层破裂角α和移动角β分别为70°、76°，当前井下采空区宽度D0＝350m，遗留煤柱宽度Lk＝350m，煤层单轴抗压强度平均RC＝18.5MPa，同时取上覆岩层平均容重γ＝25kN/m3，假设孤岛工作面煤体在破坏之前，上覆砾岩没有破断。
根据相邻1107工作面回采期间支承压力监测(如图9所示)，回采工作面煤体支承压力近似为采前煤体支承压力大小的1.5(即k＝1.5)倍。
由此得到孤岛工作面平均支承压力
随采空区宽度D0之间的关系曲线，见图10中。两条直线为冲击地压危险和孤岛工作面整体失稳判断线，确定的依据是煤体平均垂直应力为煤体单轴抗压强度的1.5、4倍。随着采空区宽度D0不断增加(孤岛工作面宽度LK减小)，当采空区D0宽度达到457m和657m时，孤岛工作面煤体平均支承压力约27.8MPa和74MPa，工作面当量开采深度分别为1110m、2960m，达到了冲击地压和工作面整体失稳压力条件。
二、合理工作面开采接续和工作面宽度
剩余的孤岛面宽度为350m(约两个工作面宽度)，如果先采1105工作面(除去巷道和区段煤柱宽度，按照工作面宽170m计算)，最后1103孤岛工作面平均支承压力达到33MPa，与煤体单轴抗压强度比值为1.78＞1.5，超高诱发冲击地压的压力条件。
调整方案：参见图11，首先开采1103工作面，等1103开采完毕、地表充分沉降后，再开采1105工作面，并且两个工作面设计宽为d1＝150m、d2＝190m，方案对比见表3，调整后1105孤岛工作面煤体平均支承压力为26.4MPa，与煤体单轴抗压强度比值为1.43＜1.5，接近但未有超过冲击地压发生的临界条件，需采取有效的卸压措施后，才能够安全开采。
三、大直径钻孔卸压与效果检验
根据1105孤岛工作面平均支承压力大小和开采条件，工作面存在冲击危险，施大直径钻孔卸压方案，具体为弱冲击危险区：孔深17m，钻孔直径110mm，孔间距3m；中度冲击危险区：孔深17m，钻孔直径110mm，孔间距2m；强冲击危险区：孔深17m，钻孔直径110mm，孔间距1m。
现场配合冲击地压应力在线实时监测预警系统监测巷道周边煤体应力变化(参见图12)，根据云图像显示(如图13所示)，在冲击危险区实施大直径钻孔卸压后，能够降低巷道周围应力集中程度，促使高应力向深部煤体转移，保证巷道围岩处于低应力状态，达到防冲效果，保证巷道周边安全。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、依据地表沉陷统计规律，得到孤岛工作面两侧不对称覆岩空间分布特征，并利用微震监测结果结合砾岩物理力学特性，揭示砾岩对工作面上覆岩层活动的控制影响；
S2、将地表划分为三类区域，即“超充分采动区”、“充分采动过渡区”和“非充分采动区”；分析不同区域内的覆岩对孤岛工作面的应力传递规律，建立不对称孤岛工作面煤体平均支承压力估算模型；
S3、根据工作面煤体不同深度条件下的煤体破坏应力条件，提出煤体冲击失稳分析方法，建立工作面“当量采深-工作面破坏程度-平均支承压力”之间的关系，并据此判别不对称孤岛工作面发生冲击失稳的可能性；
所述步骤S3中，关于煤层冲击失稳判断：
当采掘空间周围“煤-岩”系统的压力达到或者超过煤体冲击地压发生的临界压力水平时，“煤-岩”就可能发生冲击破坏；根据压力条件，冲击地压对应描述为：
式(10)中，σ*为“煤-岩”系统发生冲击的临界压力；
煤体冲击破坏的临界压力：
σ*＝ηRC 式(11)；
式(11)中，RC为煤体单轴抗压强度；η为不同围压条件下的综合抗压系数；
由于发生冲击地压的煤层单轴抗压强度为15～25MPa，工作面巷道周边煤体平均支承压力大于煤体单轴抗压强度1.5倍，是发生冲击地压的临界值，因此，冲击地压发生条件转化为：
采前工作面深部煤体相对完整，煤体处于三向应力状态下，此时综合抗压系数达到最大值ηmax≈4，即当工作面煤体平均支承压力达到4RC时，煤体就会整体发生失稳破坏；据此，建立孤岛工作面破坏程度U与当量开采深度H′及工作面平均支承压力
之间关系，并采用模糊函数表示：
式(13)中，U1、U2分别为孤岛工作面煤体破坏对工作面平均支承压力、当量开采深度的隶属度函数；
为工作面平均支承压力，取
作为工作面局部、整体冲击时应力临界判别条件，Hc、Hs为相应的工作面局部、整体冲击时当量开采深度；
据此，U＜0.375，工作面无冲击危险，0.375≤U≤1.0工作面局部冲击，U＞1.0工作面整体失稳。
2.根据权利要求1所述的不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，其特征在于，所述不对称孤岛工作面具体为巨厚砾岩条件下的不对称孤岛工作面。
3.根据权利要求1所述的不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，其特征在于，所述步骤S2中，采区地表设置的地表沉降观测线南北走向分布，沿矿井勘探线钻孔布置，通过监测钻孔孔口标高变化，反映开采与地面沉降关系；当工作面开采完毕，地表经过成分充分沉降后，得到地表实测沉降曲线；用开采尺寸与开采深度比值D/H表示采动程度，D/H结果越大表明采动程度越大；据此，将地表划分为三类区域，即“超充分采动区”、“充分采动过渡区”和“非充分采动区”。
4.根据权利要求1所述的不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，其特征在于，所述步骤S2中，不对称孤岛工作面静态应力来源于上覆岩层的重力和转移应力的叠加；根据地表沉降和微震监测结果，“超充分采动区”范围内上覆岩层从采空区顶板直至地表的岩层完全垮落，覆岩重力全部作用在采空区上；“充分采动过渡区”内关键岩层破断后，从触矸点到和破裂线位置之间的破断岩块相互“咬合”形成铰接岩梁结构，这部分岩层重力一半作用在矸石，另一半重力通过破裂位置传递给孤岛工作面，形成覆岩传递应力；“非充分采动区”上方岩层受煤体直接“支撑”作用，以及采空区一侧上覆岩层悬顶作用，地表没有发生沉降，煤体承受其上覆岩层重量以及一侧采上方悬顶的岩层重量的一半。
5.根据权利要求4所述的不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，其特征在于，关于所述不对称孤岛工作面煤体平均支承压力估算模型的建立：
孤岛工作面静态应力来源于上覆岩层的重力和转移应力的叠加，根据地表沉降和微震监测结果分析得到，对工作面煤体应力产生影响的区域为：“充分采动过渡区”和“非充分采动区”，二者在工作面两侧形成不对称的压力作用；不同区域岩层的重力以直接或者间接的方式产生覆岩重力；据此，开始建立不对称孤岛工作面煤体平均支承压力估算模型；该模型中，破裂线左侧区域为充分采动过渡区，该区域所在岩层有一半重力传递给孤岛煤体上；破裂线右侧区域为非充分采动区，工作面煤体正上方的非充分采动区岩体重量全部作用在孤岛工作面煤体上；
假设，充分采动过渡区对应的覆岩空间范围为S1，工作面煤体正上方的非充分采动区岩体范围为S2，根据不同垮落的上覆岩层对孤岛工作面的重力作用效果，作用在孤岛工作面上的有效岩层重量面积S为：
忽略地表沉降影响，即S1为：
S2和“非充分采动区一侧覆岩破裂岩体范围的一半”S3之和ST为：
面积S3为：
面积差ST-S3得到面积S2为：
单位面积上的垂直应力，即为孤岛工作面平均静态支承压力σ0，则采前孤岛工作面煤体平均支承压力σ0表示为：
式(1)～式(6)中，H0为工作面平均开采埋深；LK为孤岛工作面留设宽度；LC为采空区充分沉降最小地面宽度；D0为孤岛工作面一侧采空区宽度；h表示采空区宽度为D0的上覆岩层最大破裂高度；β为上覆岩层最终移动角度；α为上覆岩层破裂角度；γ为上覆岩层的平均容重。
6.根据权利要求5所述的不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用“当量开采深度”描述孤岛工作面受冲击失稳危险程度；所述“当量开采深度”具体为孤岛工作面平均静态支承压力σ0与覆岩平均容重γ比值，计算为：
7.根据权利要求6所述的不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法，其特征在于，所述步骤S3中，回采时孤岛工作面煤体的平均支承压力
的计算方法为：
式(9)中，
为孤岛工作面开采过程中煤体平均支承压力值；σd为工作面开采过程中煤体支承压力增量值；k为工作面开采压力动载系数，根据现场监测获取。
8.一种不对称孤岛工作面的防冲开采方法，其特征在于，先通过权利要求1～7任一所述的不对称孤岛工作面的冲击失稳判别方法对相应的不对称孤岛工作面进行判断，判断其是否存在发生冲击失稳的可能性；若存在失稳可能性，再通过调整工作面开采顺序和优化工作面宽度的方法，来效降低孤岛工作面冲击地压危险性；同时，回采过程中采取大直径钻孔卸压和动态应力监测手段，来保证孤岛工作面安全开采。
9.根据权利要求8所述的不对称孤岛工作面的防冲开采方法，其特征在于，判断所述不对称孤岛工作面是否存在发生冲击失稳的可能性，通过以下公式进行判断：
式(13)中，U1、U2分别为孤岛工作面煤体破坏对工作面平均支承压力、当量开采深度的隶属度函数；
为工作面平均支承压力，取
作为工作面局部、整体冲击时应力临界判别条件，Hc、Hs为相应的工作面局部、整体冲击时当量开采深度；
据此，U＜0.375，工作面无冲击危险，0.375≤U≤1.0工作面局部冲击，U＞1.0工作面整体失稳。
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