Geo-dynamic division and its application in study of rock burst
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摘要:
冲击地压的实质是煤岩体内积聚的弹性变形能突然释放的动力现象,是煤矿重大动力灾害之一。地质动力区划认为现代地质构造运动等内动力作用和构造应力场对矿井动力灾害的孕育、发生和发展过程具有重要影响。地质动力区划主要研究内动力地质作用对人类工程活动影响,在煤矿开采领域主要用于研究现代构造运动影响下的冲击地压等矿井动力灾害问题。辽宁工程技术大学地质动力区划团队根据中国大陆的构造运动和构造形式的特点,在俄罗斯И.М.巴图金娜院士和И.М.佩图霍夫院士创建的以断块构造划分为核心内容的地质动力区划方法基础上,经过30余年的研究和实际应用,对地质动力区划的研究内容进行了广泛拓展,创建了地质动力环境评价方法、煤岩动力系统与能量特征分析方法和矿井动力灾害多因素模式识别方法,开发了岩体应力分析系统和地质动力区划信息管理系统,丰富和深化了地质动力区划理论和方法,开创了地质动力区划研究的全新体系,为冲击地压、煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的危险性预测与防治提供了全新的研究方法。笔者介绍了地质动力区划及其在冲击地压研究方面的部分应用成果:①基于地质动力区划的煤岩动力系统分析方法,计算确定的系统“损伤区半径上限值”作为冲击地压工作面超前支护范围的参考值,为冲击地压矿井确定超前支护范围提供了依据;计算确定的系统“影响区半径上限值”作为冲击地压矿井工作面开采影响范围参考值,为确定2个采煤工作面之间的距离提供了依据。②基于地质动力区划的多因素模式识别方法,在地质动力区划信息管理系统的支持下,实现了冲击地压危险性的分单元精细化预测,为矿井提供了更精确的冲击地压危险性区域空间定位和更准确的冲击地压危险程度预测结果,提高了矿井冲击地压危险性预测的准确性和时效性。地质动力区划在中国的义马、鹤壁、鹤岗、双鸭山等矿区的40多个煤矿的动力灾害危险性预测和防治工作等方面得到了广泛应用。
Abstract:Rock burst, one of the major dynamic disasters in coal mine, which is the energy sudden release accumulated in coal and rock under elastic deformation. According to the academic viewpoint of geo-dynamic division, the internal dynamic action such as modern geological tectonic movement and tectonic stress field have an important influence on the preparation, occurrence and development of dynamic disasters in coal mines. Geo-dynamic division method is mainly used to research the impact of internal dynamic geological processes on human activities in engineerings, and it is mainly used to research dynamic disasters such as rock burst under the influence of modern tectonic movements in the field of coal mining. According to the characteristics of tectonic movement and tectonic form in the mainland of China, the geo-dynamic division researching team, Liaoning Technical University, has expanded the content of geo-dynamic division after the research and practical application on the basis of the geo-dynamic division method with fault block structure division as the core content extensively for more than 30 years, which was established by academicians I.M. Batugina and I.M. Petukhov in Russia. After that, the evaluation method of geo-dynamic environment, the analysis method of coal-rock dynamic system and energy characteristics, and the multi-factor pattern recognition method of dynamic disasters in coal mines were established. The research team developed the rock mass stress analysis system and the geo-dynamic division information management system, which enriched and deepened the theory and methods of geo-dynamic division, and further created a new system of geo-dynamic division, which providing a new research method for the risk prediction and prevention of dynamic disasters in coal mines such as rock burst, coal and gas outburst. The geo-dynamic division method and some application results in rock burst were introduced. Firstly, based on the analysis method of coal-rock dynamic system in geo-dynamic division, the “upper limit value of damage zone radius” was determined as the reference value of advance support range in working faces with rockburst risk, which provided a basis for determining the advance support range of rockburst mines. The “upper limit value of influence zone radius” was determined as the reference value of influence range of working face mining in rockburst mines, which provided a basis for the determination of the distance between two working faces. Secondly, based on the multi factor pattern recognition method of geo-dynamic division, with the support of the geo-dynamic division information system, we have realized the refined prediction of rockburst risk by units. We can provide more accurate spatial location of rockburst risk area and more accurate prediction results of rockburst risk degree for the mines, thus improving the accuracy and timeliness of rockburst risk prediction in coal mines. The geo-dynamic division method has been widely used in the risk prediction and prevention of dynamic disasters in more than 40 coal mines, such as Yima, Hebi, Hegang, Shuangyashan and other mining areas in China.
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0. 引 言
冲击地压的实质是煤岩体内积聚的弹性变形能突然释放的动力现象,是煤矿重大动力灾害之一。1738年英国南史塔福煤田发生世界上第一次有记载的冲击地压[1],以后在前苏联、德国、南非、波兰、捷克、加拿大、日本、法国、英国等以及中国等20多个国家和地区都记录有冲击地压现象。我国首次冲击地压发生在1933年抚顺胜利矿,之后在北京、辽源、通化、阜新、北票、枣庄、大同、开深、天府、南桐、徐州、大屯、新汶等矿区都相继发生过冲击地压现象。截至2022年8月,我国冲击地压矿井数量为146处(2022年8月11日国家矿山安全监察局召开的全国煤矿瓦斯和冲击地压重大灾害防治现场会)。随着我国经济的不断发展,能源需求的持续增大以及浅部煤炭的逐步枯竭,深部开采将逐步成为主流[2]。随着开采深度和开采强度的不断增加,冲击地压等矿井动力灾害的危害将更加突出。冲击地压作为岩石力学中的疑难问题之一,60余年来一直是煤炭行业的热点研究问题。
目前,对冲击地压成因和机理的解释主要有强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论和变形失稳理论。20世纪50年代末期前苏联学者С.Г.阿维尔申以及20世纪60年代中期英国学者Cook等提出了能量理论,С.Г.阿维尔申认为矿(岩)体发生破坏,引起矿体-围岩系统的力学平衡状态破坏时,若释放的能量大于所消耗的能量,将产生冲击地压[3];COOK等[4]指出采矿过程中,能量释放的增加率超过材料的能量耗散能力,将引发冲击地压。1965年COOK[5]提出了刚度理论,认为冲击地压发生一定要满足“围岩与支架”的组合刚度小于矿山结构本身的刚度,矿体系统的刚度达到极限刚度是发生冲击地压的原因。1975年布霍依诺[6]提出了夹持煤体理论,认为坚硬的顶板可将煤体夹紧,从而阻碍深部煤体自身或“煤层−围岩”系统交界处的卸载变形,积蓄较多的弹性能,一旦高压应力突然加大或系统阻力减小,煤岩体将会发生破坏和运动形成冲击地压。И.М佩图霍夫[7]表明了围岩的弹性变性能和煤岩体自身积聚的能量为冲击地压的发生提供了基础。
20世纪80年代以来,章梦涛[8]基于冲击地压的发生与岩体失稳之间的联系,提出了煤岩体的变形失稳理论。该理论的核心观点是冲击地压的产生源于煤岩材料本身的失稳破坏,而材料本身的失稳破坏源于外力,失稳现象引起的瞬间释放的大量能量将导致冲击地压的发生。谢和平等[9]用分形理论对冲击地压的发生机理和特征进行了诠释,认为冲击地压的发生是煤岩体中的裂隙由微观逐步向宏观发展的损伤过程,分形维数与煤岩体微裂隙的发展程度呈负相关,当分形维数降低到最小值时,冲击地压发生的可能性最大。齐庆新等[10]提出了冲击地压“三因素”理论,即冲击倾向性因素、结构因素和应力因素。认为应力条件是冲击地压发生的核心条件,冲击地压的发生与自身的冲击倾向性密切相关,并且与外界的高应力和高能量环境相关。潘一山等[11]将煤体压缩、顶板断裂以及断层错动视为冲击地压的3种诱发因素。根据释放能量的主体,将冲击地压类型划分为煤体压缩型冲击地压、顶板断裂型冲击地压和断层错动型等3种基本类型。窦林名等[12]构建了冲击地压的“强度弱化减冲”模型,原则是破坏煤岩体自身的应力和能量的积聚条件,降低冲击倾向性,依托的材料是松散的煤岩体。赵阳升等[13]认为,可以通过采用最小能量原理解释煤岩体弹性变形过程和塑性破坏过程,认为虽然岩体破坏时会释放相当一部分的能量,但使其破坏的能量却是远小于释放的能量。姜耀东等[14]认为冲击地压是在不同的地质条件和开采环境下,在多种诱发因素共同作用下,煤岩体的状态由稳态向非稳态,内部结构中的裂隙逐步扩展直至破坏所致,认为地质体所处的环境、开采活动的影响程度、以及应力场和能量场的时空演化规律共同组成了冲击地压的致灾机理。姜福兴等[15]针对“蠕变型”冲击地压事故隐蔽性、自发性和时滞性等特点,认为蠕变的孕育条件在于特厚煤层与高地应力的共同作用,蠕变通过逐步降低煤岩体强度、减小阻抗的过程,最终在巷道的薄弱区域引起“蠕变型”冲击的产生。谭云亮等[16]对冲击地压发生的力学机制进行了研究,认为顶底板及煤体内赋存的弹性变性能共同释放是导致深部煤巷帮部发生冲击破坏的基本力学机制。潘俊锋[17]提出了冲击地压的启动理论,认为冲击地压的发生是弹脆性单一结构体突破材料强度极限,材料失稳,导致组合结构体结构动力失稳的结果,并将深部开采冲击地压划分为深部动静载叠加型、深部高静载加载型、深部高静载卸荷型3种类型[18]。
近20余年来,笔者团队[19-20]提出了“不同矿区、不同矿井、不同构造和应力条件下矿井动力灾害具有不同的模式”的学术观点,为矿井动力灾害危险性预测提供了理论依据。韩军等[21]提出了构造凹地的概念和定量评价指标,明确了构造反差强度对矿井动力灾害的控制作用。宋卫华等[22]对煤矿所处的区域地质构造条件和应力条件进行分析,明确了构造应力分区对矿井动力灾害的控制作用。笔者团队[19]建立了矿井动力灾害多因素模式识别概率预测方法,实现了矿井动力灾害危险性的分单元定量化预测。笔者、兰天伟等[23-24]建立了矿井动力灾害的地质动力环境评价方法,揭示了矿井动力灾害发生的动力学背景,确定了矿井地质动力环境类型。荣海等[25]建立了“煤岩动力系统”结构尺度计算方法,确定了不同尺度范围内煤岩体的冲击危险程度。笔者[26-27]对井田岩体应力分布规律进行了分析,确定了不同应力区对矿井动力灾害的影响。笔者在对地质动力区划全面系统的论述基础上,以冲击地压为例介绍了地质动力区划部分研究内容在煤矿中的应用。
1. 冲击地压研究面临问题与新思路
1.1 冲击地压研究的难点问题
冲击地压是煤矿井下开采过程中发生的具有代表性的动力灾害之一,是煤矿面临的难点和热点问题。冲击地压的出现可能会导致煤与瓦斯突出、煤尘爆炸等事故发生。目前普遍认为:冲击倾向性、岩层结构、地质构造、地应力、开采深度、周期来压、坚硬厚层顶板、支承压力、煤柱应力、采空区“见方”来压、工作面推进速度等是冲击地压发生的重要影响因素,这些影响因素多是在井田范围内围绕煤矿采掘活动确定的,主要是分析人为工程活动的作用。在煤矿生产中,没有发生过冲击地压的矿井也多有符合上述条件的情况,表明除上述影响因素外还有其他控制因素导致冲击地压等矿井动力灾害的发生,形成这一认识的主要原因是与目前的采矿工程学科的知识体系有关。
目前的采矿工程学科知识体系主要是研究和解决煤矿开采中的技术和工艺问题。基于这一知识体系和研究方法,基本能够满足绝大多数矿井设计和生产的要求,确定的多数参数都有理论依据[28],如超前支护距离、上山间距、煤柱尺寸、支承压力、支护强度、来压步距、“三区”(应力降低区,升高区,正常区)、“三带”(垮落带、断裂带、弯曲下沉带)等。在冲击地压等矿井动力灾害方面,主要是围绕开采工程效应进行分析和研究,即主要对井田范围内的地质条件和采掘工程等开展研究工作,对井田外部的影响因素考虑较少。在煤矿面临冲击地压等矿井动力灾害时,主要通过煤矿开采效应的研究回答冲击地压问题是不全面的。在冲击地压等矿井动力灾害研究中,仅仅应用目前的采矿工程知识体系是远远不够的,主要体现在以下2个方面:
1)无法全面回答冲击地压的能量来源问题。冲击地压的实质是“煤岩体积聚的弹性变形能”的瞬时释放,要想回答冲击地压为什么发生,必须要明确煤岩体积聚弹性变形能的来源。目前的研究在分析冲击地压发生原因时,多是围绕井田内采掘工程活动开展,认为引发冲击地压的煤岩体弹性变形能是由地质类与采矿类2个大类的多种因素共同作用的结果[29],对井田外部的影响因素考虑较少。对于现代构造运动、现代构造应力场对冲击地压等矿井动力灾害的影响及冲击地压的能量来源等方面,目前的采矿工程知识涉及的较少。
2)冲击地压防治技术参数的确定缺少理论依据。目前多数冲击地压防治技术参数主要依据现场实践经验确定,大多缺少理论依据,如临界采深、采掘工作面之间的安全距离、回采工作面超前支护距离、冲击地压临界能量等。说明冲击地压理论研究相对滞后,很难满足现场工程需要,这也是冲击地压防治工作难度很大的原因之一。
冲击地压研究难点是确定其动力机制,研究工作包括2个方面。一方面要研究自然条件下地质动力作用,主要依据地质动力学的相关原理,揭示井田外部地质体对井田的动力作用,评价其影响程度;另一方面要研究开采条件下的采掘工程的动力效应,主要基于常规的采矿工程学科知识体系分析解决。2个方面有机结合的综合研究才能更合理的回答冲击地压问题。
1.2 冲击地压研究的新思路
地球动力学主要是研究板块及其在工程区域的活动和相互作用关系,确定地壳的应力-变形状态存在的联系[30]。笔者认为煤岩体赋存的动力环境是岩体地质特性和力学行为的重要控制因素,只有将矿井动力灾害问题放在特定的地质动力学环境中考察,才能更深刻地揭示其内在规律。
按地球动力学基本原理,认为现代地质构造运动等内动力地质作用和现代构造应力场对矿井动力灾害的孕育、发生和发展过程中具有重要影响。构造运动引起的应力变化和能量传递必然影响到矿井所处工程地质体,矿井动力灾害积聚能量过程要包含井田周围外部地质体作用,冲击地压等矿井动力灾害是地质动力环境和开采扰动共同作用的结果[31]。确定地质内动力作用对煤矿工程活动的影响和作用关系,是研究矿井动力灾害、预测矿井动力灾害、防治矿井动力灾害的前提,提出了在自然地质动力条件下和人类工程活动尺度上研究矿井动力灾害的方法。
矿井动力灾害具有统一的动力源,一方面是地质体提供的能量,从能量来源角度可划归为内动力作用;另一方面是煤矿开采扰动提供的能量,从能量来源角度可划归为外动力作用。内外动力耦合作用控制着煤矿开采的动力效应和矿井动力灾害的孕育、发生和发展过程。因此,对于冲击地压的研究工作应从地质动力环境与开采工程效应2个方面进行科学系统的研究。对开采工程效应研究主要基于常规的采矿工程知识;对地质动力环境研究应基于地球动力学基本原理,在煤矿领域就是地质动力区划方法。
地质动力区划是地球动力学的一个新分支,其理论基础是板块构造学说,主要研究内动力地质作用对井田的作用关系。地质动力区划阐明了地质动力环境对煤矿工程活动的影响和作用,主要解决矿井地质动力环境评价和“四位一体”冲击地压治理综合措施中危险性预测问题,为监测预警和制定防治参数提供依据,体现“可知才能可控”的综合防治思路。因此,对于具有冲击地压等矿井动力灾害的矿井,开展地质动力区划研究工作具有重要意义。
1.3 地质动力区划提出与创新内容
1)地质动力区划提出。地质动力区划是20世纪70年代末期由俄罗斯自然科学院И.М.巴图金娜(И.М. Батугина)院士和И.М.佩图霍夫(И.М Петухов)院士创建的[32],其核心内容是进行断块划分和断块应力状态评价,其基本原理是矿井工程区域岩体的应力与变形状态是根据“从一般到个别”的原则确定的,这一原则能通过对地质构造的个别断裂片段特征进行综合分析,得出岩体变形过程总的趋势。认识了这一过程之后,就能够解读岩体应变的过程,查明矿井区域在断裂带影响下的应力分布规律[33]。研究成果可应用于矿区自然地质动力状况评价、矿井动力灾害预测、矿井开采矿压显现特征分析、大型工程稳定性评价等方面。1989年,地质动力区划方法由原东北内蒙古煤炭集团公司与辽宁工程技术大学(原阜新矿业学院)从前苏联的“全苏地质力学与矿山测量研究院”首次引入中国,并于1991—1993年合作开展“北票矿区地质动力区划及岩体动力现象预测研究”科研工作。
2)地质动力区划创新内容。辽宁工程技术大学地质动力区划团队根据中国大陆的构造运动和构造形式的特点,在И.М.巴图金娜院士和И.М.佩图霍夫院士创建的以断块构造划分为核心内容的地质动力区划方法基础上,对研究内容进行了广泛的拓展,在30余年的研究和实际应用中,引入了GIS技术、分形理论、岩体应力分析和多因素模式识别等理论和方法,创立了地质动力环境评价方法、煤岩动力系统与能量特征分析方法和矿井动力灾害多因素模式识别方法;建立了地质动力环境的一体化监测和井下远场断层监测分析方法;开发了岩体应力分析系统和地质动力区划信息管理系统。丰富和深化了地质动力区划理论和方法,开创了地质动力区划研究的全新体系,建立了一个比较科学的矿井动力灾害预测和防治方法。
地质动力区划创始人И.М巴图金娜院士在2004年为《淮南矿区地质动力区划》一书作序中认为[20]:“辽宁工程技术大学地质动力区划研究所在张宏伟教授领导下,与俄罗斯专家合作,对地质动力学进行着深入的研究。在中国地质动力区划法得到了进一步发展,特别是在地质动力区划研究中引入了计算机可视化和模式识别方法,使得地质动力区划工作得以深化,尤其有利于进行煤田和矿井地质动力区划的研究。张宏伟教授应用地质动力区划方法在中国煤田进行煤与瓦斯突出预测所取得的研究成果,充分证明只有新的研究方法才可以查明自然界发展过程所未知的规律”。地质动力区划方法已在中国40余个煤矿的矿井动力灾害预测与防治中得到了广泛应用,建立了新的冲击地压等矿井动力灾害危险性预测方法,进一步提高了煤矿安全生产水平。
地质动力区划主要研究内动力地质作用对井田的影响,较少涉及应用常规的采矿工程学科知识体系对矿井动力灾害研究方面的内容。
2. 地质动力区划基本原理和工作内容
2.1 地质动力区划基本原理
地质动力区划认为现代地质构造运动和构造应力场等影响因素在矿井动力灾害孕育、发生和发展过程中起着重大作用,将板块构造、现代构造运动、现代构造应力场、人类的工程活动和矿井动力灾害发生看作是一个动态体系,重点研究内动力地质作用对井田的影响和对冲击地压等矿井动力灾害的影响,揭示矿井动力灾害的发生机制。
构造运动引起地壳内构造块体中应力和能量的重新分布可分为3种情况[20]:①应力和能量相对稳定区域;②应力和能量增高区域;③应力和能量临界极限区域。
在第①种状态区域进行煤矿开采,主要是常规矿压显现,不会发生矿井动力灾害;第③种状态区域地壳岩体处于临界失稳状态,通过地震等方式释放能量,达到新的平衡,重新恢复到第①种或第②种状态;在第②种状态区域进行煤矿开采,在构造运动作用下煤岩体应力和能量处于动态平衡状态,煤岩体局部区域能量积聚程度较高。在工程活动扰动下系统失稳,能量释放发生冲击地压等矿井动力灾害。如何确定和划分这几类工程区域,特别在第②种情况下,进一步划分井田矿井动力灾害危险区是冲击地压等矿井动力灾害研究中的重要内容。
地质动力区划在遵循板块构造基本原理的基础上,根据自然地质动力系统的活动特点,确定地球内动力地质作用对矿井动力灾害的影响。发生冲击地压等矿井动力灾害的矿区和矿井不是孤立存在的,必然处于周围地质体的包围中,要受到周围地质体的动力作用和影响,井田具备相应的地质动力环境是矿井动力灾害发生的必要条件,井下开采等工程活动的工程动力作用是矿井动力灾害的诱发因素。因此,要研究矿井动力灾害,预测矿井动力灾害,防治矿井动力灾害,首先要研究内动力作用对矿井动力灾害的影响,体现“不谋全局,不足谋一域”的研究思路。
应用地质动力区划方法预测矿井动力灾害危险性的核心理念是基于以下认识[19]:
1) 矿井动力灾害发生必须具备相应的地质动力环境,是受多因素影响的。
2) 不同矿区、不同矿井、不同煤层、不同构造和应力条件下矿井动力灾害具有不同的模式。
3) 虽然准确地预测事件发生的时间和地点是极其困难的,但是预测这一事件发生的可能性大小(发生概率)是可以的。
2.2 地质动力区划工作内容和方法
依据地质动力区划原理,研究工作可分为基础性研究,包括现代构造运动、现代构造应力场,地质动力环境评价等内容,目的是确定内动力作用对井田的影响的程度和矿井的地质动力环境类型;以及应用性研究,包括断块构造划分、岩体应力特征与应力分区、煤岩动力系统分析、矿井动力灾害多因素模式识别等内容,目的是确定井田构造形式、井田岩体应力分布规律和煤岩动力系统参数,划分矿井动力灾害危险区,建立矿井动力灾害防治技术体系。地质动力区划工作内容如图1所示。
地质动力区划研究中首先进行矿区或井田的地质动力环境评价,依据评价指标体系和评价方法,得出矿区或井田的地质动力环境评价结果。当井田不具备矿井动力灾害的地质动力环境时,可以正常开采;当井田具备矿井动力灾害的地质动力环境时,进行断块构造划分、岩体应力分析、煤岩动力系统分析和多因素模式识别等地质动力区划研究工作,地质动力区划工作方法流程图如图2所示。
1)地质动力环境评价[23]:矿井地质动力环境是对煤矿所处的区域地质体的结构特征、运动特征和应力特征的评价,是指在自然地质条件下,由构造形式、构造运动、构造应力、岩层特征等及其组合模式,对井田煤岩体的动力作用。地质动力环境是客观存在的,不同煤田不同矿区不同矿井的地质动力环境类型也不同。地质动力环境评价方法用于划分矿井地质动力环境类型。矿井地质动力环境评价方法从宏观地质动力学角度明确了矿井工程地质体内产生矿井动力灾害的地质动力条件,为新建矿井和生产矿井的矿井动力灾害评价提供了一种新方法。为矿井动力灾害的发生条件、孕育环境、危险性评价与预测等提供了全新理论和科学依据。
2)断块构造划分[34]:断块构造划分通过活动断裂划分进行,断块构造划分目的是确定地质构造形式、现代构造运动特征和断裂活动性,是地质动力区划的最重要工作内容之一。活动断裂的识别与断块划分遵循从一般到个别的原则,从板块构造的尺度出发,根据断块的主从关系和大小从高级到低级按顺序确定出Ⅰ~Ⅴ级断块,建立了现代构造运动与工程应用之间的联系,在此基础上分析断裂构造对冲击地压等矿井动力灾害的影响和控制作用。其中Ⅴ级断块图建立了井田地质构造模型,为下一步井田岩体应力分析和多因素模式识别奠定了基础。
3)岩体应力分析[26]:依据地质动力区划井田断裂构造划分特征和井田地质构造模型,建立数值计算模型;结合井田地质钻孔数据信息,确定煤层岩性分布区域;基于地应力点测量结果,应用“岩体应力状态分析”系统,确定井田应力分布规律并进行应力分区,进一步分析岩体应力对冲击地压等矿井动力灾害的影响。岩体应力分析为实现煤矿开采工程与灾害防治等工作的分级、分区管理提供依据。
4)煤岩动力系统分析[35]:煤岩动力系统用于描述矿井动力灾害的影响范围。为矿井动力灾害提供能量及受到影响的煤岩体构成了“煤岩动力系统”。煤岩动力系统主要属性为系统尺度和能量值。通过分析冲击地压等矿井动力灾害孕育、演化、灾变全过程中煤岩动力系统的结构特征、能量释放规律和影响范围等,将煤岩动力系统的结构划分为“动力核区”“破坏区”“损伤区”和“影响区”等区域。矿井可根据冲击地压等矿井动力灾害释放的能量值,确定煤岩动力系统各区域结构尺度大小,煤岩动力系统结构尺度计算方法为冲击地压矿井确定超前支护范围等提供了依据。
5)矿井动力灾害多因素模式识别[36]:在查明多个矿井动力灾害影响因素与危险性之间内在联系的基础上,将研究区域划分为有限个预测单元,运用多因素模式识别技术进行综合智能分析,将预测区域各单元的多因素组合模式与矿井动力灾害危险模式进行相似度分析,确定各预测单元的危险性概率,按概率预测准则划分井田内矿井动力灾害危险区,形成矿井动力灾害危险性预测图。多因素模式识别提高了冲击地压等矿井动力灾害危险性预测的准确性,建立了一个比较科学的矿井动力灾害危险性预测方法。
6)断裂构造与地壳变形监测[37]:井下断裂构造监测是通过井下原位跨断层锚索应力、变形监测确定断层在开采过程中应力和位移的变化情况,为矿井动力灾害发生提供远场预警信息;应用EH-4连续电导率剖面测量系统探测确定断裂带的空间分布形态和采空区覆岩结构特征;应用GNSS和InSAR测量技术进行矿区地壳形变监测;应用流动地震监测方法进行矿区地震发生规律监测,确定矿井动力灾害与区域地震活动性的相关性。为冲击地压等矿井动力灾害研究提供地质动力环境监测数据。
7)基于GIS的地质动力区划信息管理系统[38]:地质动力区划工作涉及矢量图形、数据库、图片和视频文档,数据种类多、数据量大,且多数信息具有时间特性和空间位置特征。地质动力区划信息管理系统基于地理信息系统(GIS)技术,采用Visual Basic 6.0和Matlab等计算机语言开发。地质动力区划信息管理系统提供了集成的数据环境和可视化的分析平台,将地质动力区划的各专项功能集成在一起,可及时、迅速、准确地提供矿井动力灾害危险性预测等信息。
地质动力区划是一项系统工程,工作内容繁多,涉及到地质、采矿、地震、测量、计算机等多个学科。其各单项研究工作主要为多因素模式识别危险性预测提供基础参数,同时单项研究工作也可独立对相关问题进行研究。基于地质动力区划的多因素模式识别方法实现了矿井动力灾害分单元预测,提高矿井动力灾害危险性预测的准确性。研究成果为确定冲击地压等矿井动力灾害的动力机制、以及矿井动力灾害孕育、发生和发展过程提供了理论支撑,也为冲击地压预测、监测、防治及防护“四位一体”工作提供依据。
3. 地质动力区划在煤矿中应用
3.1 基于地质动力区划的煤岩动力系统计算方法应用
3.1.1 煤岩动力系统结构尺度计算方法
煤岩动力系统分析方法属于地质动力区划专项研究内容,可确定冲击地压矿井的工程安全保护范围。为描述煤岩动力系统的结构特征及其对冲击地压影响,建立了煤岩动力系统模型,如图3所示。将煤岩动力系统设为“球体”结构,不同区域影响半径表征动力核与工程区域的尺度范围,如图4所示。煤矿可根据确定的冲击地压临界能量值,应用煤岩动力系统的计算方法,按式(1)—式(4)计算出的系统“动力核区”“破坏区”“损伤区”和“影响区”的半径,据此确定井下工程需要的安全保护尺度,在遵守《煤矿安全规程》的基础上,确定实际安全保护范围。
煤岩动力系统结构尺度与系统释放能量大小,煤岩体泊松比、弹性模量、体积力、单轴抗压强度、单轴抗拉强度等物理力学参量,以及地应力值和工作面埋深等因素相关。对于矿井实际生产区域,煤岩体的物理力学参量、地应力值和工作面埋深等均为固定参量,因此煤岩动力系统结构尺度大小直接取决于系统释放能量大小。根据煤岩动力系统释放能量的判定结果,基于爆破理论和Mises强度准则,对煤岩动力系统动力核区、破坏区、损伤区和影响区等系统各区域尺度大小进行计算,计算公式如下:
1)动力核区半径计算公式如下:
$$ {R_0} = {\sqrt[{\mathop {\mathop {\mathop {}\limits^{} }\limits^{} }\limits^{\mathop {}\limits^3 } }]{{\frac{{3E\left( {1 - \mu } \right)\Delta U}}{{2\pi \left[ {2{\mu ^2}\left( {{k_1}{k_2} + {k_1}{k_3} + {k_2}{k_3} + 1} \right) - \mu \left( {2{k_1}{k_2} + 2{k_1}{k_3} + 2{k_2}{k_3} + k_1^2 + k_2^2 + k_3^2 - 1} \right) + k_1^2 + k_2^2 + k_3^2 - 1} \right]{\gamma ^2}{H^2}}}}}}$$ (1) 式中:R0为动力核区半径,m;
$E$ 为煤岩体弹性模量,GPa;$ \mu $ 为煤岩体泊松比;$ \mathrm{\Delta }U $ 为煤岩动力系统的释放能量,J;$ \gamma $ 为上覆岩层容重的平均值,kN/m3;$ H $ 为单元体所处位置的深度,m;$ k_{1} $ 为最大主应力$ \sigma_{1} $ 与自重应力的比值;$ k_{2} $ 为中间主应力$ \sigma_{2} $ 与自重应力的比值;$ k_{3} $ 为最小主应力$ \sigma_{2} $ 与自重应力的比值。2)破坏区半径计算公式如下:
$$ {R}_{1}=\left\{1+{\left[\frac{E {v}_{{\rm{b}}}}{{\sigma }_{{\rm{c}}} {R}_{0}} \sqrt{\frac{\rho \Delta U}{6\pi {R}_{0}}} \frac{{\left[{\left(1+\lambda \right)}^{2}-2\mu {\left(1-\lambda \right)}^{2}\left(1-\mu \right)+\left(1+{\lambda }^{2}\right)\right]}^{\tfrac{1}{2}}}{\sqrt{2}{\sigma }_{{\rm{cd}}}}\right]}^{\tfrac{1}{2+\lambda }}\right\} {R}_{0} $$ (2) 式中:R1为破坏区半径,m;
$ v_{{\rm{b}}} $ 为冲击波在煤岩体介质中的传播速度,m/s;$ {\sigma }_{{\rm{c}}} $ 为煤岩体的单轴抗压强度,MPa;$ \rho $ 为动力核区煤岩体的密度,kg/m3;$ \lambda $ 为侧压系数;$ {\sigma }_{{\rm{cd}}} $ 为煤岩体的动态抗压强度,MPa。3)损伤区半径计算公式如下:
$$ \begin{split} {R_2} =& {R_1} + \left[ {\frac{{{\sigma _{{\rm{cd}}}}}}{{\sqrt 2 {\sigma _{{\rm{td}}}}}}\left[ {{{\left( {1 + \lambda } \right)}^2}} \right.} \right. - 2\mu {\left( {1 - \lambda } \right)^2}\left( {1 - \mu } \right) + \\ &\qquad\qquad{\left. {{{\left. {\left( {1 + {\lambda ^2}} \right)} \right]}^{{\textstyle{1 \over 2}}}}} \right]^{{\textstyle{1 \over {2 - \lambda }}}}}{R_0} \end{split} $$ (3) 式中:R2为损伤区半径,m;
$ {\sigma _{{\rm{td}}}} $ 为煤岩体的动态抗拉强度,MPa。4)影响区半径计算公式如下:
$$\begin{split} {R_3} = &{R_2} + \left[ {\frac{1}{{\sqrt 2 D}}\left[ {{{\left( {1 + \lambda } \right)}^2} - 2\mu } \right.} \right.{\left( {1 - \lambda } \right)^2}\left( {1 - \mu } \right) + \\ &\qquad\qquad {\left. {{{\left. {\left( {1 + {\lambda ^2}} \right)} \right]}^{{\textstyle{1 \over 2}}}}} \right]^{{\textstyle{1 \over {2 - \lambda }}}}}{R_0} \end{split}$$ (4) 式中:R3为影响区半径,m;
$ D $ 为煤岩体的损伤系数。3.1.2 煤岩动力系统结构尺度一般性计算结果
煤岩动力系统结构尺度与系统释放能量大小、煤岩体的物理力学参数、地应力值和工作面埋深等因素相关。其中相关的煤岩体的物理力学参数包括弹性模量、泊松比、体积力、单轴抗压强度、单轴抗拉强度和密度等,进行煤岩动力系统尺度一般性分析计算如下:
1)根据统计规律,确定系统释放能量取值范围为106 J;
2)发生冲击地压的工作面埋深取值400~600 m;
3)地应力测量结果,k1取值1.2~2.0,k2取值1.0,k3取值0.6~0.9;
4)煤岩体物理力学参数取值:弹性模量取值范围2.50~4.80 GPa;泊松比取值范围0.19~0.30;体积力取值范围25 000~27 000 kN/m3;单轴抗压强度取值范围10~20 MPa;单轴抗拉强度取值范围0.20~1.70 MPa;煤体密度取值范围1.05×103~1.70×103 kg/m3。
将上述参量代入煤岩动力系统各区域尺度计算公式,计算得到:动力核区半径上限值2.90 m;破坏区半径上限值22.00 m(采取解危措施安全范围参考值);损伤区半径上限值130.00 m(超前支护参考值);影响区半径上限值228.00 m(最大影响范围参考值)。
3.1.3 煤岩动力系统研究成果的应用
1)确定冲击地压工作面超前支护距离。根据《煤矿安全规程》(2022)第二百四十四条第一款规定:“采煤工作面必须加大上下出口和巷道的超前支护范围与强度,弱冲击危险区域的工作面超前支护长度不得小于70 m;厚煤层放顶煤工作面、中等及以上冲击危险区域的工作面超前支护长度不得小于120 m,超前支护应当满足支护强度和支护整体稳定性要求”。煤岩动力系统计算的“损伤区半径上限值”结果与《煤矿安全规程》(2022)要求具有一致性,计算结果为冲击地压矿井确定超前支护范围提供了依据。
2)确定冲击地压矿井2个采煤工作面之间的距离。根据《煤矿安全规程》(2022)第二百三十一条第一款规定:“开采冲击地压煤层时,在应力集中区内不得布置2个工作面同时进行采掘作业。2个掘进工作面之间的距离小于150 m时,采煤工作面与掘进工作面之间的距离小于350 m时,2个采煤工作面之间的距离小于500 m时,必须停止其中一个工作面”。煤岩动力系统计算的“影响区半径上限值”结果《煤矿安全规程》(2022)要求具有一致性,计算结果为冲击地压矿井确定2个采煤工作面之间的距离提供了依据。
3)煤岩动力系统分析方法在冲击地压矿井的一般性应用。煤岩动力系统分析方法在矿井应用时,在确定矿井冲击地压释放能量大小、煤岩体的物理力学参数、地应力值和工作面埋深等参数的基础上,利用相应的公式计算矿井煤岩动力系统各个区域的影响半径,在遵守《煤矿安全规程》的基础上,确定工程的实际安全保护范围。
3.2 基于地质动力区划信息管理系统的多因素模式识别方法应用
3.2.1 地质动力区划信息管理系统
地质动力区划研究过程涉及数据多、信息量大,且多数信息具有空间定位特征并具有较强的时效性,如何有效地将它们管理起来,是体现矿井安全管理水平和先进程度的重要标志。地质动力区划信息管理系统基于GIS技术,采用Visual Basic 6.0和Matlab等计算机语言开发,系统界面如图5所示。基于大数据管理对地质动力区划工作中数量大、来源分散、格式多样的数据进行采集、存储和关联分析,管理系统的基本功能是对矿井地质构造、煤层特征、地应力测量、井下工程、冲击地压地点等基础数据进行管理分析;管理系统的专项功能是对地质动力环境评价、断裂构造辅助划分、岩体应力分析、煤岩动力系统分析和多因素模式识别等地质动力区划的专项研究成果进行管理分析,构建影响因素空间分布状况与矿井冲击地压危险程度的关系,实现了地质动力区划研究成果和矿井基础数据的空间可视化管理,提高了矿井安全管理水平。
3.2.2 多因素模式识别方法应用
冲击地压多因素模式识别与危险性预测方法与地质动力区划信息管理系统集成,在地质动力区划信息系统的支持下,应用冲击地压等矿井动力灾害危险性预测,提高矿井冲击地压危险性预测的准确性和时效性。
多因素模式识别主要工作内容:①确定影响因素;②预测单元划分;③数据映射;④确定冲击地压发生模式;⑤计算各单元危险性概率;⑥划分矿井冲击地压危险区域;⑦工作面冲击地压危险区分析等。预测单元网格划分和数据筛选与前处理分别如图6和图7所示。
多因素模式识别预测结果分析:应用多因素模式识别方法对矿井各煤层进行了冲击地压危险性预测。确定煤层的无冲击地压区、弱冲击地压危险区、中等冲击地压危险区和强冲击地压危险区占比。得到矿井冲击地压危险性分层着色图和冲击地压危险性概率预测图,如图8、图9所示;矿井冲击地压危险性概率预测图和工作面冲击地压危险性概率预测图,如图10、图11所示。模式识别预测结果提高了矿井冲击地压等矿井动力灾害危险性预测的准确性。
4. 结 论
1)地质动力区划理论认为现代地质构造运动等内动力作用和构造应力场对矿井动力灾害的孕育、发生和发展过程中具有重要影响。地质动力区划在研究内动力地质作用对人类工程活动影响的基础上,在煤矿开采领域主要用于研究现代构造运动影响下的冲击地压等矿井动力灾害问题。地质动力区划为冲击地压、煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的危险性预测与防治提供了全新的研究方法。
2)地质动力区划团队创立了地质动力环境评价方法、煤岩动力系统与能量特征分析方法和矿井动力灾害多因素模式识别方法,开发了岩体应力分析系统和地质动力区划信息管理系统。丰富和深化了地质动力区划理论和方法,开创了地质动力区划研究的全新体系。
3)地质动力区划方法预测矿井动力灾害危险性的核心理念是:①矿井动力灾害发生必须具备相应的地质动力环境,是受多因素影响的;②不同矿区、不同矿井、不同煤层、不同构造和应力条件下矿井动力灾害具有不同的模式;③虽然准确地预测动力事件发生的时间和地点是极其困难的,但是预测这一事件发生的可能性大小(发生概率)是可以的。
4)应用煤岩动力系统分析方法计算确定的系统“损伤区半径上限值”为130 m,作为工作面超前支护参考值,与《煤矿安全规程》(2022)第二百四十四条相关条款要求具有一致性,研究结果为冲击地压矿井确定超前支护范围提供了依据;计算确定的系统“影响区半径上限值”为228 m,作为工作面开采影响范围参考值,与《煤矿安全规程》(2022)第二百三十一条的相关条款要求具有一致性,研究结果为冲击地压矿井确定2个采煤工作面之间的距离提供了依据。
5)应用多因素模式识别方法对冲击地压等矿井动力灾害危险性预测,在地质动力区划信息系统的支持下,实现了冲击地压危险性的分单元精细化预测,为矿井冲击地压危险性预测、防治等工作提供了更精确地空间定位和更准确的预测结果,提高了矿井冲击地压危险性预测的准确性和时效性。地质动力区划在中国的40多个煤矿的矿井动力灾害危险性预测和防治工作等方面得到了广泛应用。
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