阜新矿区地质动力灾害区域预测研究.doc

阜新矿区地质动力灾害预测研究1 课题的提出阜新矿区含煤面积825 km2，可采面积约500 km2。矿区的11个国有矿中有4个高瓦斯矿井和2个“突出”矿井，煤与瓦斯突出、冲击地压和矿震等动力现象频繁发生。据不完全统计，自1950年以来，因瓦斯灾害造成的伤亡事故近30起；五龙矿、孙家湾矿、海州立井、王营矿等因冲击地压造成的事故近30起。其中，仅五龙矿从19722003年共发生7次较大的冲击地压，王营矿自19831996年发生动力现象13起以上。1990年9月2004年10月的14年时间内，阜新地区发生ML1.0矿震约2,079次,其中ML3.0矿震66次。进入深部开采后，矿震活动水平显著增强，2002年4月18日五龙煤矿发生的ML2.6矿震一次造成8人死亡。2004年强矿震活动水平急剧增强，ML3.0矿震发生22次，2004年6月16日在五龙煤矿发生了矿区有史以来ML3.8的最强矿震，地表强烈震动，已经威胁到城市安全。2005年2月14日发生的特大瓦斯爆炸事故之前14分钟发生一个ML2.7矿震。孙家湾矿一号井-340采区在开采太下四层，退采二号面顺槽掘孔时，发生一次严重的冲击地压，阜新地震台监测到震中位于孙家湾矿的ML2.9级地震。阜新矿区矿井动力灾害的频繁发生，给矿区的安全生产和人民的安居乐业带来了极大的威胁，因此，解决矿区的矿井动力灾害问题迫在眉睫。鉴于此，阜新矿业集团与辽宁工程技术大学开展合作，利用地质动力区划方法，深入研究阜新矿区矿井地质灾害频频发生的深层次和根本性原因，进行地质灾害危险性的区域预测，划分危险区、威胁区和无危险区，为矿井动力显现的检测和解危工作提供指导。2 研究方法和技术路线(1) 研究方法在系统地分析影响冲击地压和煤与瓦斯突出影响因素基础上，查明影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要影响因素，揭示影响冲击地压和煤与瓦斯突出的多个主要因素与冲击地压和煤与瓦斯突出危险性之间的内在机制，对各影响因素进行定量化分析，确定冲击地压和煤与瓦斯突出危险性的概率预测准则，运用多因素模式识别技术进行综合智能分析，应用神经网络和模糊推理方法确定预测区域各单元的危险概率，建立冲击地压和煤与瓦斯突出危险性多因素模式识别概率预测模型，对冲击地压和煤与瓦斯突出的危险性进行分类，划分冲击地压和煤与瓦斯突出危险区、威胁区和无危险区。应用GIS技术等完成冲击地压和煤与瓦斯突出危险性预测分析系统的开发，实现冲击地压和煤与瓦斯突出预测的可视化管理。(2) 技术路线：建立地形地貌数字模型（活动断裂计算机识别基础）区域地质构造形式划分（通过活动断裂计算机识别系统，确定区域地质模型）岩石物理力学试验（参数定义）地应力测量（确定岩体应力初始条件）岩体应力状态分析（确定高应力区和高应力梯度区）建立冲击地压和煤与瓦斯突出区域预测信息系统（以GIS技术为平台）冲击地压和煤与瓦斯突出区域预测（采用模式识别技术划分冲击地压和煤与瓦斯突出危险区）选择防治冲击地压和煤与瓦斯突出的技术措施。3 主要研究工作主要研究工作包括以下部分：(1) 区域地质构造研究及活动断裂划分详细分析大量的区域地质、地震资料，对阜新矿区的大地构造环境、区域地质构造进行了深入的研究，利用地质动力区划方法最终确定活动构造分布特征和区域地质构造背景；划分了级断块图，对断裂的活动性进行了分析和评价。于2005年10月25日到10月27日完成了阜新矿区野外考察工作。考察研究工作包括分析地貌片断，根据地貌查明了断块构造的边界；考察了地貌的标高，根据地貌标高查明断块构造；查明了井田及周围数个有疑问的地形标高点；分析了井田及其周围河系的情况。通过野外考察进一步确定和补充了判定活动断裂的信息。最终建立了阜新矿区五龙矿海州立井区域地质构造模型，为矿井动力灾害预测提供基础数据。(2) 实验室研究阜新矿区煤和岩石物理力学性质试验所用试件分别采自五龙煤矿的323工作面、332工作面、3123工作面和海州立井的3315工作面。测试的项目有：视密度、单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、凝聚力和内摩擦角和普氏坚固性系数。阜新矿区煤气体和水渗透率试验所用试件分别采自五龙煤矿的323工作面、332工作面、3123工作面和海州立井的太上层底煤和顶煤。试样全部为自然含水状态。通过以上工作，获得了五龙煤矿323工作面、332工作面和3123工作面的煤和顶板、底板岩石的物理力学性质指标。测试结果可为矿井相关工作提供基础数据。同时获得了五龙煤矿323工作面、332工作面和3123工作面的煤和顶板、底板岩石的煤气体和水渗透率数据。测试结果可为矿井瓦斯抽放等相关工作提供基础数据。(3) 地应力测量为掌握研究区域内的地应力分布状况，本着测点布置覆盖面广及能真实反映实际情况的原则，并结合煤矿井下地质条件，在五龙矿在-600西一石门立眼、-600东一石门火药库、-365西一石门、-600东一石门布置测点进行了地应力实测工作。通过地应力测量，获得了阜新矿区地应力的方位和量值数据。(4) 岩体应力状态分析利用“岩体应力状态分析系统”对研究区域岩体应力进行了计算和分析。区域岩体应力计算是原始应力计算，以区域构造形式为格架，以地应力测量为边界条件。通过计算获得了最大主应力、最小主应力、最大主应力图。在此基础上话锋了应力集中区、应力梯度区和应力降低区，为进行矿井动力现象区域预测提供基础数据。(5) 冲击地压发生条件的数值分析利用FLAC2D、RFPA2D等数值计算软件对阜新矿区典型冲击地压区域的情况进行了分析和计算。孙家湾矿3316工作面的复杂地质条件下巷道围岩变形、破坏过程进行了数值计算，对五龙矿3311区工作面开采工程中应力变化过程进行了分析和计算。通过以上分析确定了五龙矿、孙家湾矿发生冲击地压和煤与瓦斯突出的原因和规律，确定了冲击地压发生的主要影响因素。(6) 冲击地压和煤与瓦斯突出多因素模式识别系统研究；系统实现了图(空间图形可视化与管理)、文(属性数据可视化与管理)、声和像(多媒体资料的可视化与管理)等4类数据的可视化管理。可方便地对矿井开采、冲击地压和煤与瓦斯突出等数据进行查询、检索、统计和输出，能自动生成各类专题图、数据库，并辅助有声音、图像。(7) 冲击地压和煤与瓦斯突出概率预测研究；4 初步结论“阜新矿区地质动力灾害预测研究”以板块理论为基础，以地形地貌学、地质动力学、地球物理等科学为依据，运用现代采矿理论、信息论、概率论和地理信息系统等研究方法，从区域地质构造研究入手，进行了活动断裂划分与评估、构造演化分析、地应力测量、岩体应力分析、井上下地质考察、实验室试验以及数值模拟计算等多方面的研究工作。建立了煤与瓦斯突出预测的多因素模式识别概率预测方法，开发了冲击地压和煤与瓦斯突出区域预测信息管理系统。初步得出如下结论：(1) 从大地构造位置划分，阜新矿区处于辽西台陷区域内。用地质动力区划方法对阜新矿区域构造形式分析，认为阜新矿区构造是典型的人字型构造形式，处在经度凹地和纬度凹地之间的相交点上，这就决定了煤田的自然地质动力过程，说明阜新矿区处在活动断裂的影响区，形成了阜新构造凹地。这一地质构造形式就决定了阜新矿区的高应力背景，是产生冲击地压的动力因素。同时阜新构造凹地的形成与产生是煤层具有高瓦斯含量，产生煤与瓦斯突出等矿井动力现象的重要原因。这对于评价阜新矿区的应力状态和预测冲击地压与煤与瓦斯突出是很重要的。(2) 阜新盆地构造经历了多期活动，不同期次的区域构造应力造成了构造的力学性质和位移的差异。煤层沉积后的多期构造活动造成了对煤体的破坏，降低煤体强度，降低了煤与瓦斯突出和冲击地压等动力现象的启动条件。成盆后构造应力的继承性演化，对区域内不同的构造产生了不同的影响。在这一应力场中，原来在成盆期作张性下滑的北北东向断裂不再断陷，而受挤压应力，作压性逆冲运动；原来在成盆期遭受挤压的北西西向断裂作张性活动；北东、北东东向断裂，北西、北北西向断裂，尽管还以扭性为主的方式活动，但其扭动方向均与原来相反。在这种情况下，北北东向断裂的构造应力始终没有得到松弛，有利于瓦斯保存，形成高地应力和高瓦斯压力条件。因此盆地内的NNE、NE向断裂易于发生矿井动力现象。(3) 阜新矿区级断块划分结果分析，查明级活动断裂15条，查明级活动断裂31条，查明级活动断裂15条，查明级断裂有15条，查明级断裂9条。所查明的、级活动断裂与我国地质界、地震界所确定的活动构造大多有明显的联系，如开原赤峰断裂、抚顺营口断裂等。用地质动力区划方法建立了适合于采矿工程实际应用的地质构造模型，为矿区应力场分析等研究工作奠定了基础。(4) 五龙矿地应力测量结果表明，井田地应力场属于水平应力场，地应力是以水平压应力为主导；确定了一个以100.3102.3取向的最大压应力29.4531.89 MPa的区域现今构造应力场。测量结果可为冲击地压预测与防治及巷道支护和设计提供基础数据。完成了五龙矿323工作面、332工作面和3123工作面的煤和顶板、底板岩石的煤气体和水渗透率试验。测试结果可为矿井瓦斯抽放等相关工作提供基础数据。(5) 在岩体应力数值计算的基础上，将太上煤层顶板构造应力区划分为3个应力升高区、2个应力降低区和3个应力梯度区。-1、-2、-3、-2、-3、-5对矿区的岩体应力状态以及动力现象发生产生重要影响。五龙矿3311面的两次冲击地压和海州立井2.14事故都位于高应力区内。高应力区内和应力梯度区内，岩体的应力状态和物理相态都处于异常状态，在外部因素（工程活动）的扰动下，就有可能导致动力现象发生。(6) 地质动力区划确定的各级活动断裂对矿井发生的动力现象具的控制作用。五龙矿3311面的两次冲击地压均发生于断裂1附近。动力区划所确定的1断裂带，是五龙矿井田范围内的一条重要的断裂带，断裂带两侧的一定范围内，构造应力发生集中，是冲击地压易于发生的区域。1、-2、-3、-5等断裂带交汇于此，构成了此区域构造应力的异常；海州立井2.14事故发生于断裂-2和-2附近。动力区划所确定的-2断裂带，具有较强的活动性，断裂带两侧存在构造应力异常区域。当煤岩体受到扰动时，就有可能失稳，发生冲击地压。(7) 工作面推进过程中，由于采动影响，形成了支承压力区，具有明显的应力减压区，应力增高区和应力稳压区，应力增高区的影响范围5060 m，应力大小为2444 MPa，在距煤壁约为68 m处形成峰值，强度为44 MPa，应力集中系数约为2.4。在工作面的推进过程中，应该注意工作面前方煤壁的安全，防止周期来压对煤壁造成破坏，影响工作面的正常开采。工作面前方68 m形成支承压力的峰值强度，且应力集中程度高，应该加强现场观测和冲击地压、煤与瓦斯突出灾害发生的预防措施，保障工作面安全开采。(8) 孙家湾矿3316工作面2006年9月5日发生冲击地压灾害，由于距离煤层开采的工作面约为150250 m，基本上不处于支承压力的影响区，因而3316工作面采动应力的影响不是此次冲击地压发生的主要原因。巷道有无夹矸对巷道围岩的应力状态有很大影响，有0.51.0m的夹矸时比无夹矸时，煤层应力状态显著增加36 MPa，这对于具有冲击倾向性的煤层具有很大的影响，夹矸对煤层应力状态的影响成为2006年9月5日冲击地压灾害发生的一个重要原因之一。(9) 在垂直应力一定时，巷道处于不同的水平构造应力条件下，巷道的变形破坏过程是不同的。随着水平应力的增加，巷道两帮的应力集中程度降低，巷道顶底板应力集中程度增高，夹层处应力集中更为显著，因此从当巷道发生破坏的首要位置可能是底板。在没有支护的情况下巷道两帮及顶底板的破坏基本是同时发生的，巷道的破坏点主要出现在巷道的两个角点（左下角和右上角）和底板（距离夹层较近的位置）；在有支护情况下，巷道两帮及顶底板的破坏程度不同，巷道底板破坏程度明显，两帮和顶板由于支护系统的作用，破坏程度相对较低。由此说明，在发生冲击地压的时候，巷道更倾向于发生底臌。(10) 在未超过3311工作面采终线的范围内，3312工作面回顺位置煤体应力变化不大，在2025 MPa范围内，在3312回顺掘进后，在3312回顺左右两侧10 m范围内的煤体应力有所升高，达到30 MPa，影响