一种预测煤矿井下冲击矿压危险的评估方法

摘要

一种预测煤矿井下冲击矿压危险的评估方法，属于预测冲击矿压危险的评估方法。将冲击矿压危险程度划分为A级无冲击矿压危险、B级弱冲击矿压危险、C级中等冲击矿压危险和D级强冲击矿压危险，制定相应的防治对策。综合分析评估开采区域的地质类和采矿类因素对冲击矿压发生影响的权重，分别计算得出两者的危险指数，并取其中的最大值作为最终的冲击矿压危险综合指数，依此确定开采区域的冲击矿压危险等级、状态和防治对策。综合指数法分析评估的地质类因素包括冲击矿压发生历史、开采深度和上覆裂隙带内坚硬厚层岩层距煤层的距离；采矿类因素包括保护层的卸压程度、工作面距上保护层开采遗留的煤柱的水平距离和作面与临近采空区的关系。

说明书

技术领域

本发明涉及一种预测冲击矿压危险的评估方法，特别是一种预测煤矿井下冲击矿压危险 的评估方法。

背景技术

随着我国矿井开采深度及开采范围的逐渐加大，以冲击矿压为代表的煤岩动力灾害越来 越严重，这种动力灾害将聚积在煤岩体中的弹性能量以突然、急剧、猛烈的形式释放，造成 煤岩体震动破坏，动力将煤岩抛向井巷，发出强烈声响，造成支架与设备、井巷的破坏和人 员的伤亡等，冲击矿压具有突发性的特点，常常难以提前预知其发生的时间和地点。目前对 于冲击矿压的研究主要集中在三个研究方面，一是冲击矿压（岩爆）发生机理的研究；二是 冲击矿压危险评估、监测与预测预报技术的研究；三是冲击矿压治理措施的研究。其中，冲 击矿压发生的机理是预测预报和采取防治措施的基础，而危险评估、监测与预测预报则是防 治灾害发生的关键环节。

然而，对于某一开采区域是否需要采取或需要何种监测预测预报和防治措施，则需要提 前评估该区域是否具有发生冲击矿压的危险或具有何种冲击矿压危险等级，但冲击矿压发生 的原因复杂，影响因素众多且每种因素对冲击矿压危险的影响程度不同，单纯分析某一个或 某几个因素往往会造成以偏盖全或漏掉主要因素的后果，或对某一因素的影响程度把握不准， 从而导致分析结果的不准确，只有通过分析和筛选冲击矿压危险的主要影响因素，并确定这 些因素的合理影响权重，然后将其综合起来进行分析，才能提高冲击矿压危险的预测准确率， 再根据不同的冲击矿压危险水平等级制定有针对性的防治对策，从而达到有效指导冲击矿压 灾害监测和治理的目的。

发明内容

本发明的目的是要提供一种预测煤矿井下冲击矿压危险的评估方法，解决冲击矿压发生 原因复杂，影响因素众多且每种因素对冲击矿压危险的影响程度不同，导致分析结果不准确 的问题。

本发明的目的是这样实现的：该方法将冲击矿压危险程度划分为A级无冲击矿压危险、 B级弱冲击矿压危险、C级中等冲击矿压危险和D级强冲击矿压危险4个等级和状态，并根 据不同冲击矿压危险等级和状态制定相应的防治对策；通过综合指数法分析评估开采区域的 地质类和采矿类因素对冲击矿压发生影响的权重，分别计算得出两者的危险指数，并取其中 的最大值作为最终的冲击矿压危险综合指数，依此确定开采区域的冲击矿压危险等级、状态 和防治对策；

对于给定的某一开采区域，一种冲击矿压危险评估的综合指数法，包含下述步骤：

（1）分析地质类影响因素，确定各自对应的影响权重，计算地质类因素影响的冲击矿压 危险指数W_t1；

（2）分析采矿类影响因素，确定各自对应的影响权重，计算采矿类因素影响的冲击矿压 危险指数W_t2；

（3）比较W_t1和W_t2，选择其中的大值做为最终的冲击矿压危险综合指数W_t；

（4）根据W_t坐落的取值区间，确定开采区域的冲击矿压危险等级、状态及防治对策。

所述的地质类影响因素包括：（1）冲击矿压发生历史；（2）开采深度；（3）坚硬厚层 岩层距煤层的距离；（4）顶板岩层厚度特征参数；（5）构造应力；（6）煤的单轴抗压强度； （7）煤的弹性能指数。

所述的采矿类影响因素包括：（1）保护层的卸压程度；（2）工作面距上保护层开采遗 留的煤柱的水平距离；（3）工作面与临近采空区的关系；（4）工作面长度；（5）区段煤柱 宽度；（6）留底煤厚度；（7）向采空区掘进的巷道，停掘位置与采空区的距离；（8）向采 空区推进的工作面，停采线与采空区的距离；（9）向落差大于3m的断层推进的工作面或巷 道，工作面或迎头与断层的距离；（10）向煤层倾角剧烈变化（＞15°）的向斜或背斜推进的 工作面或巷道，工作面或迎头与之的距离；（11）向煤层侵蚀、合层或厚度变化部分推进的 工作面或巷道，接近煤层变化部分的距离。

所述的地质类影响因素和采矿类影响因素，将各个因素对冲击矿压危险影响程度的危险 指数按照由低到高定为0，1，2，3。

所述的地质类因素影响的冲击矿压危险指数W_t1和采矿类因素影响的冲击矿压危险指 数W_t2的确定方法是，分别将各自的每个因素实际对应的危险指数值相加，并除以各自对应 的最大危险指数之和。

所述的冲击矿压危险综合指数在[0，1]区间以0.25为间隔，划分为4个数值段，由低到 高分别对应A级危险、B级危险、C级危险和D级危险的4个危险等级和状态。

有益效果，由于采用了上述方案，将各个影响因素的不同权重进行了定量标记，即当所 有因素的影响权重均取最大值3时，将得到冲击矿压危险综合指数为1，即发生冲击矿压； 当所有因素的影响权重均取最小值0时，将得到冲击矿压危险综合指数为0，即不会发生冲 击矿压；由于本发明综合分析评估地质类和采矿类因素对冲击矿压发生影响的权重，并在冲 击矿压发生即综合指数为1和不发生即综合指数为0之间采用概率区间划分预测的手段进行 了处理，因此可预测冲击矿压发生的可能性大小，即可提前对矿井、采区、工作面或巷道冲 击矿压危险性进行预测，确定开采区域的冲击矿压危险等级和防治对策。

优点：该评估方法通过分析、筛选、考虑地质类和采矿类多个因素对冲击矿压危险的影 响，与其它仅考虑单个或几个因素的做法相比，分析更加全面、合理；其次，将每个因素按 照其不同影响程度赋予各自对应权重，实现了冲击矿压危险程度的可算性和可定量化；同时 将冲击矿压危险等级划分为4级制并给出各自对应防治对策的做法，比以往采用有冲击和无冲 击的二级制、无明确防治对策的做法更加详细和合理，可使防冲工作更加具有针对性和有效 性。

具体实施方式

实施例1：该方法将冲击矿压危险程度划分为A级无冲击矿压危险、B级弱冲击矿压危 险、C级中等冲击矿压危险和D级强冲击矿压危险4个等级和状态，并根据不同冲击矿压危 险等级和状态制定相应的防治对策；通过综合指数法分析评估开采区域的地质类和采矿类因 素对冲击矿压发生影响的权重，分别计算得出两者的危险指数，并取其中的最大值作为最终 的冲击矿压危险综合指数，依此确定开采区域的冲击矿压危险等级、状态和防治对策。

综合指数法分析评估的地质类因素包括冲击矿压发生历史、开采深度和上覆裂隙带内坚 硬厚层岩层距煤层的地质类影响的7个因素；采矿类因素包括保护层的卸压程度、工作面距 上保护层开采遗留的煤柱的水平距离和作面与临近采空区的关系的采矿类影响11个因素。

对于给定的某一开采区域，一种冲击矿压危险评估的综合指数法，包含下述步骤：

（1）分析地质类影响因素，确定各自对应的影响权重，计算地质类因素影响的冲击矿压 危险指数W_t1；

（2）分析采矿类影响因素，确定各自对应的影响权重，计算采矿类因素影响的冲击矿压 危险指数W_t2；

（3）比较W_t1和W_t2，选择其中的大值做为最终的冲击矿压危险综合指数W_t；

（4）根据W_t坐落的取值区间，确定开采区域的冲击矿压危险等级、状态及防治对策。

所述的地质类影响因素包括：（1）冲击矿压发生历史；（2）开采深度；（3）坚硬厚层 岩层距煤层的距离；（4）顶板岩层厚度特征参数；（5）构造应力；（6）煤的单轴抗压强度； （7）煤的弹性能指数。

所述的采矿类影响因素包括：（1）保护层的卸压程度；（2）工作面距上保护层开采遗 留的煤柱的水平距离；（3）工作面与临近采空区的关系；（4）工作面长度；（5）区段煤柱 宽度；（6）留底煤厚度；（7）向采空区掘进的巷道，停掘位置与采空区的距离；（8）向采 空区推进的工作面，停采线与采空区的距离；（9）向落差大于3m的断层推进的工作面或巷 道，工作面或迎头与断层的距离；（10）向煤层倾角剧烈变化（＞15°）的向斜或背斜推进的 工作面或巷道，工作面或迎头与之的距离；（11）向煤层侵蚀、合层或厚度变化部分推进的 工作面或巷道，接近煤层变化部分的距离。

所述的地质类影响因素和采矿类影响因素，将各个因素对冲击矿压危险影响程度的危险 指数按照由低到高定为0，1，2，3。

所述的地质类因素影响的冲击矿压危险指数W_t1和采矿类因素影响的冲击矿压危险指 数W_t2的确定方法是，分别将各自的每个因素实际对应的危险指数值相加，并除以各自对应 的最大危险指数之和。

所述的冲击矿压危险综合指数在[0，1]区间以0.25为间隔，划分为4个数值段，由低到 高分别对应A级危险、B级危险、C级危险和D级危险的4个危险等级和状态。

具体的：

1、冲击矿压主要影响因素的筛选

冲击矿压影响因素众多，有地质的、采矿的和组织管理方面的，抛开组织管理因素的影 响，在地质类因素中，如果某个矿井曾经发生过冲击矿压，则能够表明该矿井具备发生冲击 矿压的充分必要条件，发生次数越多，则冲击矿压危险越高；开采深度越大，则围岩应力水 平及冲击矿压危险越高；上覆裂隙带内坚硬厚层岩层距煤层的距离越近，则顶板运动断裂时 产生的震动对冲击矿压的影响越大；煤层上方100m范围顶板岩层厚度特征越明显，则储存和 释放弹性能的能力越强，对冲击矿压危险的影响越大；开采区域内构造引起的应力增量越高， 对冲击矿压的影响越大；煤的单轴抗压强度越高，煤体的完整性越好，煤体越容易冲击破坏； 煤的弹性能指数越大，其储存弹性能的能力越强、冲击破坏的强度越大。在采矿类因素中， 如果提前进行保护层开采，可以降低冲击矿压危险，如果保护层的卸压程度越高，则冲击矿 压危险越低；如果在上保护层开采遗留的煤柱下方区域开采，则离煤柱的水平距离越近，则 冲击矿压危险越高；如果工作面为实体煤工作面，则比临近采空区的工作面冲击矿压危险低， 如果为孤岛工作面则冲击矿压危险高；如果工作面长度过小则可引起两端头拐角煤柱产生的 集中应力叠加，引起冲击矿压危险上升；如果区段煤柱宽度留设不合理，则可产生应力过度 升高的情况，增大冲击矿压危险；如果巷道留有底煤，则可在水平应力的作用下产生底臌冲 击破坏；当巷道、工作面向采空区、断层、向斜、背斜、煤层侵蚀、合层或厚度变化区域掘 进或回采时，可造成超前支承应力与采空区边缘集中应力或构造应力的叠加，将会增大冲击 矿压的危险。

通过上述分析，共筛选7个地质类因素和11个采矿类因素做为冲击矿压危险影响的主要因 素。它们分别为：（一）地质类因素：（1）冲击矿压发生历史；（2）开采深度；（3）坚硬 厚层岩层距煤层的距离；（4）顶板岩层厚度特征参数；（5）构造应力；（6）煤的单轴抗压 强度；（7）煤的弹性能指数；（二）采矿类因素：（1）保护层的卸压程度；（2）工作面距 上保护层开采遗留的煤柱的水平距离；（3）工作面与临近采空区的关系；（4）工作面长度； （5）区段煤柱宽度；（6）留底煤厚度；（7）向采空区掘进的巷道，停掘位置与采空区的距 离；（8）向采空区推进的工作面，停采线与采空区的距离；（9）向落差大于3m的断层推进 的工作面或巷道，工作面或迎头与断层的距离；（10）向煤层倾角剧烈变化（＞15°）的向斜 或背斜推进的工作面或巷道，工作面或迎头与之的距离；（11）向煤层侵蚀、合层或厚度变 化部分推进的工作面或巷道，接近煤层变化部分的距离。

2、冲击矿压影响因素的权重

在通过对大量事故数据统计分析的基础上，将不同赋存条件下的每个影响因素对冲击矿 压的影响程度划分为4级，分别定义危险指数为0，1，2，3，指数越高，表明该因素对冲击矿 压危险的影响越大，其中，“0”表示对冲击矿压没有影响，“1”表示影响程度弱，“2”表示影响 程度中等，“3”表示影响程度强。地质类因素和采矿类因素影响的冲击矿压危险指数情况如表 1和表2所示。

3、冲击矿压危险综合指数的确定

按照每个影响因素对冲击矿压影响程度的4级划分原则，将分析对象实际具有的地质类因 素和采矿类因素分别取对应值，然后将地质类因素和采矿类因素所取实际值分别相加，得到2 个危险指数总和，用表示，其中，n＝7，11；再将7个地质类因素和11个采矿类因素分 别对应的最大指数值相加，得到最大危险指数，用表示，其中，n＝7，11。最后将地 质类因素和采矿类因素实际危险指数总和除以各自对应的最大危险指数之和，即可得到地质 类因素和采矿类因素影响的冲击矿压危险指数W_t1和W_t2，分别为：

$W_{t1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{W}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{W}_{i\max }},$$W_{t2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{W}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{W}_{i\max }}$

从偏安全的角度出发，对于分析的开采区域或对象，最终确定的冲击矿压危险综合指数 W_t应是两者中的最大值，即：

W_t＝max{W_t1,W₂}

4、冲击矿压危险等级、状态的划分及防治对策

冲击矿压灾害发生的预测预报实质是对发生概率大小的估计，应舍弃那种预测冲击矿压 发生或不发生带有绝对化的二级制做法，为便于指导防冲措施的实施，本发明将冲击矿压危 险水平划分为4个等级和状态，分别为A级无冲击矿压危险、B级弱冲击矿压危险、C级中 等冲击矿压危险和D级强冲击矿压危险，并根据不同的危险等级和状态采取不同的防治对策。 根据上述对冲击矿压危险综合指数W_t的计算分析，可以看出其取值区间应为[0，1]，因此， 以0.25为间隔，将W_t划分为4个数值段，并分别对应4个危险等级和状态，最终形成的冲 击矿压危险综合指数、等级、状态及防治对策如表3所示。

对于给定的某一开采区域，第一步是首先分析地质条件，确定其具有的表1中所列的地质 类影响因素以及各因素实际的赋存条件，并确定各自对应的影响权重，然后计算地质类因素 影响的冲击矿压危险指数W_t1；第二步是分析采矿条件，确定其具有的表2中所列的采矿类 影响因素以及各因素实际的赋存条件，并确定各自对应的影响权重，然后计算采矿类因素影 响的冲击矿压危险指数W_t2，第三步是比较W_t1和W_t2，选择其中的大值做为最终的冲击 矿压危险综合指数W_t，第四步是根据表3确定W_t坐落的取值区间，并依此确定冲击矿压危 险等级、状态及防治对策。

下面以某矿的某采区为例，采用综合指数法确定该采区的冲击矿压危险综合指数、等级、 状态以及需要采取的防治对策。

通过分析该采区的地质条件，对冲击矿压影响的地质类因素主要有：开采深度（900～ 1000m）、上覆坚硬厚层岩层（距煤层的距离、顶板厚度特征参数值为86）、断层等地质构 造（存在构造应力增量）、煤的物理力学属性（单轴抗压强度大于20Mpa，弹性能指数大于5）。 根据表1，经过计算由地质类因素影响的冲击矿压危险指数W_t1=0.76，见表4所示。

通过分析该采区的采矿条件，对冲击矿压影响的采矿类因素主要有：工作面临近采空区 （会出现一侧采空的工作面），工作面长度（200～270m），煤柱宽度（5m），采、掘工作 面与构造区域的位置关系（巷道、工作面需过断层、向斜构造区和煤层厚度变化区域）。根 据表2，经过计算由采矿类因素影响的冲击矿压危险指数W_t1=0.67，见表5所示。

计算得到某采区冲击矿压危险综合指数W_t＝max{W_t1,W₂}=0.76，根据表3，最 终确定该采区冲击矿压危险等级和状态为D级强冲击矿压危险，需要参照表3所示，按照强冲 击矿压危险采区进行管理，并采取对应的冲击矿压防治对策。

表1表示地质类因素影响的冲击矿压危险指数评估表；表2表示采矿类因素影响的冲击矿 压危险指数评估表；表3表示冲击矿压危险综合指数、等级、状态及防治对策表。

表1地质类因素影响的冲击矿压危险指数评估表

表2采矿类因素影响的冲击矿压危险指数评估表

表3冲击矿压危险综合指数、等级、状态及防治对策表

表4某采区地质类因素影响的冲击矿压危险指数评估表

表5某采区采矿类因素影响的冲击矿压危险指数评估表