平頂山礦區(qū)深部礦井動力災(zāi)害預(yù)測方法與應(yīng)用

張建國，蘭天偉，王 滿，高明忠，榮 海

(1.煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000; 2.中國平煤神馬能源化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 平頂山 476000;3.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院，廣東 深圳 518060; 4.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

煤與瓦斯突出、沖擊地壓礦井動力災(zāi)害在我國發(fā)生的頻次和強(qiáng)度均較高。隨著國家對煤炭資源的持續(xù)需求，更多的礦井將步入深部開采階段。深部開采成為很多煤礦必須面臨的問題。平頂山礦區(qū)八礦、十礦、十二礦、十三礦等礦井相繼進(jìn)入了深部開采階段，目前部分礦井開采深度已超過1 000 m，并以每年10～30 m的速度向深部延伸，其中平煤十二礦采深達(dá)1 100 m以上。進(jìn)入深部開采階段的煤巖體，將承受更為復(fù)雜的應(yīng)力和能量的影響，在特定工程的誘發(fā)下，礦井動力災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理將更為復(fù)雜，這也給動力災(zāi)害的防治工作帶來更大的困難。

潘一山對沖擊地壓、煤與瓦斯突出復(fù)合動力災(zāi)害一體化機(jī)理進(jìn)行研究，建立統(tǒng)一失穩(wěn)判別準(zhǔn)則，提出復(fù)合動力災(zāi)害一體化分類分級預(yù)測技術(shù)和防治技術(shù)[1]。于不凡通過對國內(nèi)外煤和瓦斯突出事例的統(tǒng)計(jì)分析，指出煤與瓦斯突出在井田中不是均勻分布的，即區(qū)域性分布，從而提出高地應(yīng)力是發(fā)生煤和瓦斯突出的第一個必要條件[2]。張宏偉通過地質(zhì)動力區(qū)劃方法，對區(qū)域構(gòu)造形式進(jìn)行了分析，基于斷裂活動性和巖體應(yīng)力狀態(tài)等因素，提出了新的煤與瓦斯突出預(yù)測方法[3]。韓軍等基于煤與瓦斯突出區(qū)域的地貌特征，提出了新的概念“構(gòu)造凹地”，構(gòu)造凹地具有較高的水平構(gòu)造應(yīng)力，且水平差應(yīng)力顯著[4]。尹光志等在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了在軸壓和圍壓固定的情況下，突出煤樣瓦斯的滲透速度與瓦斯壓力的大小呈冪指數(shù)正相關(guān)。隨著瓦斯壓力的增加，突出煤樣兩端的瓦斯壓力梯度增大率會逐漸減小，最終趨近于0[5]。程遠(yuǎn)平等通過對地應(yīng)力與瓦斯賦存運(yùn)移規(guī)律的研究，提出地應(yīng)力在突出災(zāi)害中起主導(dǎo)控制作用，是煤體破壞的主要動力，也是高壓瓦斯存在的前提[6]。姜福興等對沖擊地壓各監(jiān)測參量之間的關(guān)系進(jìn)行研究，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析方法和云平臺技術(shù)，開發(fā)了一種多參量聯(lián)合監(jiān)測的沖擊地壓監(jiān)控預(yù)警平臺，并應(yīng)用于多個礦井中[7]。齊黎明等認(rèn)為容易發(fā)生煤與瓦斯突出的區(qū)域集中在煤層賦存的突變區(qū)，斷層與褶曲、煤厚和傾角突變區(qū)是常見的煤層賦存突變區(qū)[8]。張曉東和張子成采用數(shù)學(xué)方法，將影響突出的構(gòu)造因素定量化，并對構(gòu)造復(fù)雜程度系數(shù)計(jì)算公式作了改進(jìn)和簡化;提出了確定復(fù)雜程度突出臨界值的原則，并結(jié)合井田突出實(shí)際，劃定了構(gòu)造復(fù)雜程度系數(shù)的突出臨界值，將其作為一項(xiàng)判斷突出的依據(jù)[9]。王振通過對非典型動力災(zāi)害煤層原煤樣瓦斯的解吸附和滲流特性的研究，分析了不同開采條件下應(yīng)力、瓦斯和溫度對災(zāi)害發(fā)生的控制作用進(jìn)行分析[10]。王桂峰等對沖擊地壓的不穩(wěn)定能量觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行研究，通過理論分析和現(xiàn)場實(shí)測微震活動與沖擊地壓之間的時空內(nèi)在聯(lián)系，得出了動力災(zāi)變的能量觸發(fā)條件[11]。但以上學(xué)者的研究成果均是從高應(yīng)力、高瓦斯壓力等角度考慮，沒有從大范圍、多角度綜合考慮礦井動力災(zāi)害的分類和分級。

筆者在分析礦區(qū)自然地質(zhì)條件的前提下，以平頂山礦區(qū)為研究目標(biāo)，基于最大主應(yīng)力、應(yīng)力梯度等因素對礦區(qū)動力災(zāi)害發(fā)生的潛在危險進(jìn)行了預(yù)測劃分，以動力災(zāi)害一級預(yù)測結(jié)果為研究基礎(chǔ)，補(bǔ)充考慮開采活動等作用的影響，進(jìn)行動力災(zāi)害二級預(yù)測，明確目標(biāo)煤層、目標(biāo)采區(qū)動力災(zāi)害發(fā)生的模式。在前期利用地質(zhì)動力區(qū)劃方法劃分Ⅰ～Ⅴ級活動構(gòu)造的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對八礦、十礦和十二礦規(guī)劃區(qū)域劃分Ⅵ級斷裂構(gòu)造，確定構(gòu)造的分布特征和相互作用關(guān)系，建立相應(yīng)的空間信息分析系統(tǒng)，評估活動構(gòu)造的活動規(guī)律及分布特點(diǎn)，分析對礦井動力災(zāi)害發(fā)生的影響。

1 礦井動力災(zāi)害一級預(yù)測原理

1.1 礦井動力災(zāi)害一級預(yù)測的原理與方法

礦井動力災(zāi)害主要從3個方面開展預(yù)測工作:① 自然地質(zhì)動力條件分析;② 一級預(yù)測;③ 二級預(yù)測。礦區(qū)自然地質(zhì)動力條件分析從構(gòu)造形式、構(gòu)造運(yùn)動、天然地震、地應(yīng)力等自然地質(zhì)條件對礦區(qū)災(zāi)害背景進(jìn)行了宏觀分析，實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)構(gòu)造環(huán)境、應(yīng)力環(huán)境和能量環(huán)境的初步評價。據(jù)此可以判定礦區(qū)是否具備礦井動力災(zāi)害發(fā)生的動力條件和能量基礎(chǔ)。

礦井動力災(zāi)害一級預(yù)測基于自然地質(zhì)條件，劃分煤層動力災(zāi)害發(fā)生危險，為監(jiān)測預(yù)警提供依據(jù)，適用于全礦井范圍，而二級預(yù)測則適用于局部區(qū)域。開展一級預(yù)測前，需要對自然地質(zhì)條件中的構(gòu)造特征及應(yīng)力場演化、地形曲率、天然地震、突出能量特征等煤與瓦斯突出構(gòu)成影響的地質(zhì)類因素進(jìn)行分析。

1.2 平頂山礦區(qū)構(gòu)造特征及應(yīng)力場演化

平頂山礦區(qū)動力災(zāi)害的發(fā)生受到逆沖推覆構(gòu)造帶的控制作用，主要表現(xiàn)為以下2個方面:① 構(gòu)造帶具有強(qiáng)烈的擠壓作用，在擠壓力的作用下，煤層的孔隙率有所降低，封存瓦斯的能力得到了增強(qiáng);② 在擠壓力的作用下，局部區(qū)域的煤巖體出現(xiàn)了應(yīng)力集中和能量積聚。平頂山礦區(qū)位于華北聚煤區(qū)南緣逆沖推覆構(gòu)造帶的東北緣，當(dāng)積聚的能量到達(dá)臨界條件時，收到采掘工程的擾動，能量在煤巖體的弱面得到釋放，進(jìn)而形成了煤與瓦斯突出。

通過對礦區(qū)的構(gòu)造特征和應(yīng)力場的演化進(jìn)行分析，平頂山礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要以NW向和NE向?yàn)橹鬟M(jìn)行展布，在NW向主要受到擠壓與剪切作用，在NE向主要受到拉張與剪切作用。平頂山東部礦區(qū)的八礦、十礦、十二礦等位于NW向斷裂、褶曲控制的構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，煤與瓦斯突出主要發(fā)生在構(gòu)造附近。

1.3 地形曲率對煤與瓦斯突出的影響

曲面上任意一點(diǎn)的形態(tài)特征與變形特征可用“地形曲率”進(jìn)行表示。地形下凹所對應(yīng)的曲率值>0，地形上凸時所對應(yīng)的曲率值<0。拐點(diǎn)處所對應(yīng)的曲率值=0。區(qū)域受構(gòu)造活動影響的劇烈程度取決于曲率值的絕對值大小，且呈現(xiàn)正向相關(guān)。當(dāng)?shù)匦蔚孛脖憩F(xiàn)為凹陷形態(tài)時，對應(yīng)的曲率值>0，此時煤巖體易于產(chǎn)生應(yīng)力集中與能量積聚，從而容易引起動力災(zāi)害的發(fā)生[12-13];當(dāng)?shù)匦蔚孛脖憩F(xiàn)為上凸形態(tài)時，對應(yīng)的曲率值=0或者<0，此時煤巖體不易產(chǎn)生應(yīng)力集中與能量積聚，不易引起動力災(zāi)害的發(fā)生。研究表明:中間隆起，四周凹陷，整體呈現(xiàn)“N”字形態(tài)是平頂山東部礦區(qū)的主要地貌特征，板塊構(gòu)造間的相互擠壓碰撞導(dǎo)致構(gòu)造形態(tài)特征的差異與地應(yīng)力場作用大小的不同，從而控制著煤層瓦斯的賦存與變化。

基于地質(zhì)動力區(qū)劃法對構(gòu)造斷裂的劃分結(jié)果，以及1∶50 000地形圖，計(jì)算平頂山礦區(qū)的地形曲率值大小。由圖1中所反映出的計(jì)算結(jié)果可知，平頂山礦區(qū)地形曲率值的絕對值變化大，外圍地形曲率值變化值較小，且接近于0;礦區(qū)地形曲率值最大值為3.5×10-4，最小值為-4.5×10-4。

圖1 平頂山礦區(qū)地形曲率變化情況Fig.1 Change of topographic curvature in Pingdingshan mining area

由圖1可知，平頂山礦區(qū)一礦、四礦、六礦、八礦、十礦和十二礦處于曲率最大值區(qū)域內(nèi)，地形曲率值介于5.98×10-5～12.8×10-5;二礦、三礦、五礦、七礦、九礦、十一礦和十三礦處于曲率值變化較小的區(qū)域內(nèi)，曲率值介于5.34×10-11～1.08×10-10，但是隨著開采范圍和開采深度的不斷增加，礦區(qū)各井田內(nèi)的其他區(qū)域必將受其地形曲率變化的影響，增大煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害發(fā)生的危險。

基于對地形曲率空間分布特征的相關(guān)研究，對平頂山東部礦區(qū)的曲率半徑進(jìn)行計(jì)算并繪制分布曲線，如圖2所示。平頂山東部礦區(qū)的正曲率半徑范圍內(nèi)，煤與瓦斯突出主要分布于此，比例占突出總次數(shù)的80.21%，其余突出事故則發(fā)生在負(fù)曲率半徑范圍內(nèi)。由此分析得到，平頂山東部礦區(qū)的正曲率半徑范圍內(nèi)，構(gòu)造應(yīng)力場作用顯著，易于產(chǎn)生應(yīng)力集中和能量積聚，也易于出現(xiàn)煤與瓦斯突出等礦井定力災(zāi)害。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，平頂山東部礦區(qū)的應(yīng)力場特征以水平壓應(yīng)力為主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力的峰值高于鄰區(qū)，煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害的發(fā)生危險也高于其他區(qū)域。

圖2 平頂山礦區(qū)地形曲率半徑分布特征Fig.2 Distribution characteristics of the curvature radius of the terrain in Pingdingshan mining area

1.4 天然地震對煤與瓦斯突出影響

礦井動力災(zāi)害與天然地震同受區(qū)域地殼構(gòu)造活動和應(yīng)力場的影響，具有相同的動力源和能量基礎(chǔ)，對區(qū)域天然地震活動性的研究能夠解釋地殼穩(wěn)定性，對動力災(zāi)害研究具有指導(dǎo)意義。構(gòu)造運(yùn)動引起地殼內(nèi)部應(yīng)力與能量的重新分布，根據(jù)構(gòu)造運(yùn)動結(jié)果，其能量積聚和釋放的基本過程和機(jī)制是相同的。因此，為了進(jìn)一步研究礦井動力災(zāi)害產(chǎn)生的動力條件和能量基礎(chǔ)，對區(qū)域內(nèi)天然地震的形成機(jī)制、動力條件和能量基礎(chǔ)以及天然地震的區(qū)域分布特征進(jìn)行研究，通過分析該地區(qū)自然地震的時間特征、空間特征和強(qiáng)度特征，劃分了構(gòu)造活動特征和應(yīng)力場的變化特征。評估區(qū)域地質(zhì)動力環(huán)境，為礦井動力災(zāi)害的預(yù)測和防治提供指導(dǎo)。

圖3,4反映了平頂山東部礦區(qū)天然地震的震級和發(fā)生頻次的空間分布關(guān)系。八礦、十礦和十二礦的天然地震歷史震級集中在2.0級—2.9級，頻次為1，反映出平頂山礦區(qū)發(fā)生天然地震的震級較大，且集中在高值區(qū)附近，但頻次較低。地震特征反映了平頂山東部礦區(qū)的應(yīng)力場特征:易于產(chǎn)生應(yīng)力集中和能量積聚，易于引起動力災(zāi)害的發(fā)生。天然地震與礦井動力災(zāi)害具有統(tǒng)一的作用機(jī)理，在采掘工程活動的影響下，煤巖體內(nèi)積聚的彈性能量不斷釋放，天然地震頻次較低源于此。

圖3 煤與瓦斯突出等礦井動力災(zāi)害與天然地震震級對比結(jié)果(MS>2.1)Fig.3 Comparison between the magnitude of mine dynamic disasters and the magnitude of natural earthquakes(MS>2.1)

圖4 煤與瓦斯突出等礦井動力災(zāi)害和天然地震頻次對比結(jié)果(MS>2.1)Fig.4 Comparison between the frequency of dynamic disasters and the frequency of natural earthquakes(MS>2.1)

1.5 煤與瓦斯突出系統(tǒng)的能量特征

區(qū)域內(nèi)斷塊上凸，以郟縣、襄郟和葉魯正斷層為界的四周斷塊凹陷是平頂山礦區(qū)煤與瓦斯突出發(fā)生區(qū)域的典型地質(zhì)特征，反映出構(gòu)造活動強(qiáng)烈，具備發(fā)生礦井動力災(zāi)害的構(gòu)造條件。南北向邊界走滑運(yùn)動較弱這一狀況與其構(gòu)造環(huán)境和應(yīng)力環(huán)境有關(guān)。平頂山礦區(qū)整體呈現(xiàn)“N”字形態(tài)，板塊構(gòu)造間的相互擠壓碰撞控制著煤層瓦斯的賦存與變化，使區(qū)域內(nèi)煤巖體積聚大量變形能量，具備了動力災(zāi)害發(fā)生的動力因素。

平頂山東礦區(qū)煤與瓦斯突出等礦井動力災(zāi)害的發(fā)生和天然地震(MS>2.1)具有相同的發(fā)生機(jī)制。在空間分布上，平頂山東部礦區(qū)處于天然地震震級等值線和頻次等值線的高值區(qū)周邊，揭示了礦區(qū)具有易于發(fā)生礦井動力災(zāi)害的應(yīng)力條件和能量因素。地應(yīng)力是以水平壓應(yīng)力為主導(dǎo)。對于同一深度，在最大主應(yīng)力值的分布上，平頂山東部礦區(qū)明顯高于華北亞板塊其他地區(qū)，而中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力則與其他地區(qū)的應(yīng)力值基本相同。礦井動力災(zāi)害的發(fā)生要受動力系統(tǒng)制約，確定平頂山東礦區(qū)煤與瓦斯突出的臨界能量為106J。

2 典型深部礦井動力災(zāi)害一級預(yù)測

2.1 八礦戊9-10煤層動力災(zāi)害一級預(yù)測

礦井動力災(zāi)害預(yù)測包括3個方面:礦區(qū)自然地質(zhì)動力條件分析、礦井煤層動力災(zāi)害一級預(yù)測和礦井工作面動力災(zāi)害二級預(yù)測。

礦區(qū)自然地質(zhì)動力條件分析從構(gòu)造形式、構(gòu)造運(yùn)動、天然地震、地應(yīng)力等自然地質(zhì)條件對礦區(qū)災(zāi)害背景進(jìn)行了宏觀分析，實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)構(gòu)造環(huán)境、應(yīng)力環(huán)境和能量環(huán)境的初步評價。據(jù)此可以判定礦區(qū)是否具備發(fā)生礦井動力災(zāi)害的動力和能量條件。

礦井動力災(zāi)害一級預(yù)測以礦井自然條件為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)煤層發(fā)生動力災(zāi)害的危險評估，實(shí)現(xiàn)對全礦井相關(guān)煤層危險性的預(yù)測和區(qū)域劃分，為檢測和解危工作提供依據(jù)。一級預(yù)測時間范圍是全礦井服務(wù)期間，區(qū)域范圍整個井田。

礦井動力災(zāi)害二級預(yù)測是在一級預(yù)測的基礎(chǔ)上，充分考慮到工程活動效應(yīng)和瓦斯抽采工程活動，實(shí)現(xiàn)工作面的預(yù)測。礦井動力災(zāi)害二級預(yù)測的時間范圍3～5 a，區(qū)域范圍為回采工作面。直接指導(dǎo)工作面安全生產(chǎn)。

礦井自然地質(zhì)動力條件分析主要研究對象為整個礦區(qū)，從宏觀上判定礦區(qū)是否具備發(fā)生礦井動力災(zāi)害的動力和能量條件，對礦井動力災(zāi)害一級預(yù)測起到指導(dǎo)作用;礦井動力災(zāi)害一級預(yù)測在礦區(qū)自然地質(zhì)動力條件分析的基礎(chǔ)上，考慮自然條件實(shí)現(xiàn)相關(guān)煤層危險性的預(yù)測;礦井動力災(zāi)害二級預(yù)測在一級預(yù)測的基礎(chǔ)上，考慮人為工程活動的影響，實(shí)現(xiàn)工作面預(yù)測。

礦井動力災(zāi)害一級預(yù)測建立在以下認(rèn)識的基礎(chǔ)之上:① 礦井動力災(zāi)害的發(fā)生必須具備相應(yīng)的地質(zhì)動力條件，并受到多因素的影響;② 不同礦區(qū)、不同礦井、不同煤層、不同構(gòu)造和應(yīng)力條件下礦井動力災(zāi)害具有不同的模式;③ 雖然準(zhǔn)確地預(yù)測事件發(fā)生的時間和地點(diǎn)是極其困難的，但是預(yù)測這一事件發(fā)生的可能性大小(發(fā)生概率)是可能的。

礦井動力災(zāi)害一級預(yù)測考慮自然因素，運(yùn)用多因素模式識別方法，將研究區(qū)域劃分為有限個預(yù)測單元，在空間數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，分析影響礦井動力災(zāi)害的主要因素，通過相應(yīng)的研究方法確定各影響因素的量值。運(yùn)用多因素模式識別技術(shù)進(jìn)行綜合智能分析，通過對已發(fā)生礦井動力災(zāi)害區(qū)域分析，分析多個影響因素與礦井動力災(zāi)害之間的內(nèi)組合模式與確定的礦井動力災(zāi)害預(yù)測模式對比分析，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理方法確定與預(yù)測區(qū)域的內(nèi)在聯(lián)系，即通過開采區(qū)域多因素的組合確定預(yù)測模式。將未開采區(qū)域的多因素各單元的危險性(危險性概率)，根據(jù)各單元危險性，按確定的危險性概率臨界值劃分井田的礦井動力災(zāi)害危險區(qū)域，對井田的礦井動力災(zāi)害危險性做出評估。特點(diǎn)是將研究區(qū)域劃分為有限個預(yù)測單元，應(yīng)用多因素分析方法確定突出組合模式，用區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。

多因素模式識別方法的原理是通過對動力災(zāi)害的影響因素和發(fā)生模式進(jìn)行分析，劃分待預(yù)測區(qū)域的單元，完成網(wǎng)格化和模塊化的危險性概率預(yù)測，實(shí)現(xiàn)礦井動力災(zāi)害危險性由點(diǎn)預(yù)測、單因素預(yù)測和定性預(yù)測向區(qū)域預(yù)測、多因素預(yù)測和定量預(yù)測的過渡和發(fā)展[14-16]。

礦井動力災(zāi)害的發(fā)生主要取決于地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力大小，同時也與開采深度、頂板巖性、煤巖結(jié)構(gòu)特征等因素有關(guān)。由于不同區(qū)域動力災(zāi)害發(fā)生的差異性，動力災(zāi)害在時間和強(qiáng)度等方面也存在差異。將已發(fā)生的動力災(zāi)害事件的影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)不同模式對影響因素進(jìn)行分類，并將待預(yù)測區(qū)域的動力災(zāi)害發(fā)生模式與已發(fā)生區(qū)域進(jìn)行對比，分析主要影響因素，確定預(yù)測準(zhǔn)則，并建立相應(yīng)的預(yù)測模型，模型建立結(jié)果如圖5所示。

圖5 動力災(zāi)害發(fā)生危險性的多因素概率預(yù)測模型Fig.5 Multifactor pattern recognition prediction model for the risk of dynamic disaster

預(yù)測模型建立完畢后，對待預(yù)測的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分后的每個預(yù)測單元都包含不同的影響因素。影響因素的影響程度用概率值表示，具有模糊性和無量綱性。利用危險概率臨界值對不同預(yù)測區(qū)域的危險等級進(jìn)行分類。在礦井動力災(zāi)害自然地質(zhì)動力條件分析的基礎(chǔ)上，采用多因素模式識別概率預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)了平頂山東部礦區(qū)動力災(zāi)害的一階預(yù)測。

以八礦戊9-10煤層和十礦戊9-10煤層的分單元概率預(yù)測進(jìn)行舉例說明。礦井動力災(zāi)害危險性是對特定網(wǎng)格單元發(fā)生災(zāi)害可能性的定量描述。動力災(zāi)害的區(qū)域預(yù)測結(jié)果可以用數(shù)據(jù)庫表示，在此基礎(chǔ)上生成等高線圖、分層著色圖、三維圖和各種統(tǒng)計(jì)圖。結(jié)合采礦工程平面圖生成單元預(yù)測圖。在現(xiàn)場工程應(yīng)用中，可顯示待預(yù)測區(qū)域的危險概率，同時可確定危險概率與巷道之間的對應(yīng)關(guān)系。預(yù)測單元的定量描述是工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，預(yù)測數(shù)據(jù)可以通過軟件系統(tǒng)瀏覽、查詢、檢索和統(tǒng)計(jì)，可以通過標(biāo)準(zhǔn)圖紙進(jìn)行導(dǎo)出。

分別以危險性概率值0.39,0.59,0.78,0.84作為臨界值，將平頂山礦區(qū)八礦戊9-10煤層劃分為5個等級區(qū)域，如圖6所示。

圖6 平頂山八礦戊9-10煤層動力災(zāi)害分級預(yù)測(5級)Fig.6 Classification prediction for dynamic disaster of No.9-10 coal seam in Pingdingshan No.8 Coal Mine

對比單一因素對礦井動力災(zāi)害發(fā)生的影響，煤層內(nèi)動力災(zāi)害危險區(qū)域主要集中在高應(yīng)力區(qū)，構(gòu)造且對礦井動力災(zāi)害的控制作用明顯。平頂山八礦戊9-10煤層動力災(zāi)害發(fā)生概率預(yù)測最大值和最小概率值分別為0.90和0.15。高應(yīng)力的最大值位于井田北部，最大主應(yīng)力值是30 MPa，最小值位于井田南部，最小主應(yīng)力值是14 MPa。

2.2 十礦戊9-10煤層動力災(zāi)害一級預(yù)測

基于礦井自然地質(zhì)動力條件分析，應(yīng)用多因素模式識別概率預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)了平頂山十礦戊9-10煤層煤層的分單元動力災(zāi)害危險性預(yù)測。通過局部擴(kuò)大方法，可以較為清楚地反映出礦井動態(tài)災(zāi)害危險性分布特征與巷道的對應(yīng)關(guān)系。礦井動力災(zāi)害發(fā)生危險是對特定單元網(wǎng)格發(fā)生動力災(zāi)害可能性的定量描述。由于分析的數(shù)據(jù)量龐大，將圖形顯示模式設(shè)置為縮放顯示，即只有達(dá)到一定的縮放比例，才能清晰地展示出巷道，從而有效實(shí)現(xiàn)圖形顯示的層次性。設(shè)定標(biāo)簽顯示方式，可以清楚地顯示每一網(wǎng)格單元危險性概率值，對特定網(wǎng)格單元危險性進(jìn)行定量描述。

分別以危險性概率值0.39,0.59,0.78,0.84作為臨界值，將平頂山礦區(qū)十礦戊9-10煤層劃分為5個等級區(qū)域，如圖7所示。

圖7 平頂山十礦戊9-10煤層動力災(zāi)害分級預(yù)測(5級)Fig.7 Classification prediction for dynamic disaster of No.9-10 coal seam in Pingdingshan No.10 Coal Mine

3 典型深部礦井動力災(zāi)害二級預(yù)測

3.1 二級預(yù)測與一級預(yù)測的關(guān)系

礦井動力災(zāi)害二級預(yù)測是基于一級預(yù)測成果，補(bǔ)充考慮巷道掘進(jìn)、工作面回采、保護(hù)層開采、預(yù)抽工作面瓦斯等到工程活動效應(yīng)的影響，對3～5 a時間內(nèi)的回采工作面開采區(qū)域進(jìn)行危險性預(yù)測，指導(dǎo)工作面的安全高效生產(chǎn)。

礦井動力災(zāi)害二級預(yù)測的特點(diǎn)在于:

(1)基于一級預(yù)測結(jié)果，補(bǔ)充考慮采掘工程活動的作用效應(yīng)，分析預(yù)測參數(shù)關(guān)聯(lián)度、計(jì)算關(guān)系系數(shù)，確定工作面范圍內(nèi)煤巖體動力災(zāi)害發(fā)生的模式;

(2)擺脫了預(yù)測參數(shù)數(shù)量和參數(shù)類別的束縛，實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯突出、沖擊地壓等礦井動力災(zāi)害的統(tǒng)一預(yù)測;

(3)實(shí)現(xiàn)了預(yù)測系統(tǒng)和指標(biāo)參數(shù)輸入功能的相互獨(dú)立，使動力災(zāi)害預(yù)測更具有普遍性、易操作性;

(4)實(shí)現(xiàn)了礦井動力災(zāi)害預(yù)測的集成管理，可通過相關(guān)參數(shù)的輸入，對礦井動力災(zāi)害實(shí)現(xiàn)實(shí)時預(yù)測;

(5)基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

二級預(yù)測針對特定的工作面范圍，對動力災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯參數(shù)、煤巖物理力學(xué)性質(zhì)等影響因素分析的基礎(chǔ)上，選取地形曲率、地應(yīng)力值、頂板巖性、瓦斯壓力、瓦斯含量、活動構(gòu)造等區(qū)域性參數(shù)和工程效應(yīng)指標(biāo)，預(yù)測發(fā)生礦井動力災(zāi)害的危險性。

3.2 礦井動力災(zāi)害二級預(yù)測影響因素

3.2.1預(yù)測區(qū)域自然地質(zhì)條件

礦井動力災(zāi)害二級預(yù)測基于一級預(yù)測成果，以特定工作面所在區(qū)域?yàn)檠芯磕繕?biāo)，在原有預(yù)測精度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。在研究中，進(jìn)一步劃分了構(gòu)造形式、構(gòu)造特征及其對工作面動力災(zāi)害發(fā)生的影響，為二級預(yù)測工作的開展提供基礎(chǔ)。八礦的戊9-10煤層和己15煤層相同點(diǎn)在于全部位于李口向斜軸的南翼，區(qū)別在于構(gòu)造的分布深度，所以，在構(gòu)造演化過程中，瓦斯賦存狀態(tài)與煤層的形成過程等均有所區(qū)別。由于八礦的煤體瓦斯受到地質(zhì)構(gòu)造的控制，所以煤與瓦斯突出大多發(fā)生在斷層、褶曲、煤層傾角變化、急煤層厚度變化等地質(zhì)構(gòu)造帶。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)生在斷層處的煤與瓦斯突出事故占總次數(shù)的27.8%;發(fā)生在構(gòu)造煤由薄變厚區(qū)域的突出事故占總次數(shù)的30.6%;發(fā)生在煤厚變化區(qū)域的突出事故占總次數(shù)的5.6%;發(fā)生在煤傾角急劇變化區(qū)域的突出事故占總次數(shù)的5.6%。

發(fā)生在十礦的煤與瓦斯突出事故全部集中在郭莊背斜東北翼，由此表明，從宏觀角度受控于主干構(gòu)造，從局部角度受控于順煤層斷層。發(fā)生在十礦的46次煤與瓦斯突出事故，受到斷層影響的事故數(shù)占總事故數(shù)的65.2%，表明十礦內(nèi)煤與瓦斯突出事故的發(fā)生受煤層順層斷層的控制作用明顯。

十二礦井田內(nèi)的構(gòu)造相對簡單，主要賦存有北部的李口向斜和南部的牛莊向斜。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，十二礦煤與瓦斯突出的發(fā)生受控于井田范圍內(nèi)的斷層、褶曲、煤厚變化等小型地質(zhì)構(gòu)造帶，發(fā)生在小型地質(zhì)構(gòu)造帶附近的動力災(zāi)害事故約占總事故數(shù)的44%。

平頂山東部的十礦和十二礦井田，受控于北西方向展布的郭莊背斜、牛莊向斜、十礦向斜、牛莊逆斷層，以及原十一礦逆斷層，是一個北西向展布的逆沖推覆斷裂褶皺擠壓構(gòu)造帶，構(gòu)造復(fù)雜，煤層破壞強(qiáng)烈，構(gòu)造煤極為發(fā)育，厚度一般1.5 m以上。十礦丁、戊、己組煤層巳發(fā)生突出45次，最大突出強(qiáng)度326 t/次。十二礦已發(fā)生突出22次，最大突出強(qiáng)度290 t/次。八礦井田，西鄰十礦、十二礦井田，位于李口向斜軸的南東轉(zhuǎn)折仰起端。該井田位于北西向構(gòu)造與北東向構(gòu)造交匯復(fù)合、聯(lián)合，既有北西向展布的任莊斷裂、張灣斷裂，又有北東向展布的辛店斷裂，既有北東向展布的前聶背斜，又有北西向與北東向構(gòu)造聯(lián)合控制的焦贊背斜，且又有北西向構(gòu)造與北東向構(gòu)造聯(lián)合作用控制的盆形構(gòu)造——任莊向斜。井田內(nèi)構(gòu)造極為復(fù)雜，煤層破壞強(qiáng)裂，構(gòu)造煤極其發(fā)育，厚度一般在1 m以上。八礦戊組、己組煤層已發(fā)生突出34次，最大突出強(qiáng)度478 t/次。

通過以上分析，八礦、十礦和十二礦的煤體瓦斯主要受控于褶曲構(gòu)造、斷裂構(gòu)造、構(gòu)造復(fù)合、聯(lián)合、組合等地質(zhì)構(gòu)造，煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害的發(fā)生大多集中在地質(zhì)構(gòu)造帶。因此應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行礦井工作面構(gòu)造形式、構(gòu)造特征的研究。

3.2.2礦井人為工程

礦井人為工程因素大的方面分為2類:一類為掘進(jìn)、回采等工程活動，在其影響下，上覆巖層發(fā)生移動，圍巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生根本性改變，原始的應(yīng)力和能量平衡狀態(tài)被打破。因此，礦井發(fā)生動力災(zāi)害的前提是具備相應(yīng)的地質(zhì)動力條件，在工程活動的影響下，應(yīng)力升高、能量積聚，當(dāng)達(dá)到或超過動力災(zāi)害發(fā)生的臨界條件時，動力災(zāi)害發(fā)生的危險性積聚增加。另一類是區(qū)域和局部解危措施的采取，如保護(hù)層開采、煤層注水、鉆孔卸壓等，達(dá)到降低或消除煤層危險性。例如保護(hù)層開采后，被保護(hù)層得到卸壓，應(yīng)力集中程度降低，煤層透氣性增加、煤層瓦斯壓力降低，進(jìn)而煤層的突出危險性得到削弱，從而實(shí)現(xiàn)了被保護(hù)層的安全高效開采。

3.3 十礦活動斷裂對煤與瓦斯突出的影響

十礦活動斷裂和煤與瓦斯突出的空間分布如圖8所示。十礦戊9-10煤層瓦斯突出集中分布在Ⅲ-12斷裂北側(cè)附近，并受到Ⅴ-12,Ⅴ-13,Ⅴ-24和Ⅵ-9等活動斷裂的影響。戊9-10煤層發(fā)生的25次煤與瓦斯突出中，Ⅴ-12活動斷裂附近發(fā)生14次，Ⅴ-13活動斷裂附近發(fā)生2次、4次位于Ⅴ-13斷裂帶附近，3次沿Ⅵ-9斷裂分布。該區(qū)域總體受活動斷裂Ⅲ-12的影響。該區(qū)域內(nèi)，由于Ⅲ級活動斷裂具有較強(qiáng)的活動性，并且Ⅴ級活動斷裂的分布密度大，從而導(dǎo)致巖體破碎程度較高，構(gòu)造應(yīng)力集中程度較強(qiáng)，從而導(dǎo)致煤與瓦斯突出發(fā)生的頻次和強(qiáng)度都較大。

圖8 平頂山十礦Ⅵ級斷裂Fig.8 Grade VI fracture of Pingdingshan No.10 Coal Mine

十礦己15煤層發(fā)生的8次煤與瓦斯突出有1次位于Ⅴ-28附近，有4次位于Ⅲ-1,Ⅲ-9,Ⅲ-12,Ⅳ-3,Ⅳ-4的交匯處附近，并受到Ⅴ-12斷裂的影響。另外3次突出中1次發(fā)生在Ⅴ-12附近，2次發(fā)生在Ⅴ-13附近。Ⅲ-1,Ⅲ-9,Ⅲ-12活動斷裂是基于地質(zhì)動力區(qū)劃方法，在1:100 000的地形圖上確定的穿過十礦井田的活動斷裂，如Ⅳ-3斷裂和Ⅳ-4斷裂。Ⅲ級和Ⅳ級活動斷裂比Ⅴ級活動斷裂具有更強(qiáng)的活動性，尤以Ⅲ級活動斷裂的活動性最強(qiáng)，受活動斷裂的影響，在其附近區(qū)域?qū)е旅号c瓦斯突出的發(fā)生。

十礦的活動斷裂與煤與瓦斯突出對比分析表明，Ⅲ級斷裂和Ⅳ級斷裂控制了煤與瓦斯突出的區(qū)域性分布，Ⅴ級斷裂和Ⅵ級斷裂則控制了煤與瓦斯突出的局部性分布特征。

3.4 八礦活動斷裂對煤與瓦斯突出的影響

八礦活動斷裂和煤與瓦斯突出的空間分布如圖9所示。八礦井田西部區(qū)域煤與瓦斯突出主要受活動斷裂Ⅲ-6,Ⅲ-12,Ⅴ-1,Ⅴ-2,Ⅴ-11和Ⅴ-12的控制。戊9-10煤層的24次煤與瓦斯突出有19次位于活動斷裂Ⅲ-12和Ⅴ-1之間，并且有活動斷裂Ⅴ-2從中間穿過;有2次位于Ⅴ-3斷裂和Ⅵ-15斷裂的交匯處;有3次位于活動斷裂Ⅲ-12和Ⅴ-12之間，其中2次沿Ⅵ-7斷裂分布。己15煤層發(fā)生的18次煤與瓦斯突出有3次位于Ⅲ-6,Ⅲ-12和Ⅴ-11的交匯處附近，有1次突出位于Ⅲ-12斷裂與Ⅵ-27斷裂交匯點(diǎn)，主要受活動斷裂Ⅲ-12的影響。總體上，井田西部區(qū)域由于受到Ⅲ-12大型活動斷裂的影響，同時在活動斷裂Ⅴ-1,Ⅴ-2,Ⅴ-12的影響下，斷裂帶附近及相交區(qū)域?qū)е铝嗣号c瓦斯突出的頻繁發(fā)生。

圖9 平頂山八礦Ⅵ級斷裂Fig.9 Grade VI fracture map of Pingdingshan No.8 Coal Mine

4 結(jié) 論

(1)礦井動力災(zāi)害一級預(yù)測以礦井自然地質(zhì)動力條件為依據(jù)，評價了不同區(qū)域動力災(zāi)害發(fā)生的危險性大小，對平頂山礦區(qū)動力災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行了預(yù)測，為危險性檢測和解危措施提供依據(jù)，奠定了礦井動力災(zāi)害二級預(yù)測的基礎(chǔ)。

(2)礦井動力災(zāi)害二級預(yù)測是在一級預(yù)測的基礎(chǔ)上，首先對礦井動力災(zāi)害一級預(yù)測的影響因素及指標(biāo)進(jìn)行分析和提取，繼續(xù)細(xì)化構(gòu)造形式和特征等自然地質(zhì)動力條件;補(bǔ)充考慮采掘工程活動和各種解危措施的采取對動力災(zāi)害的影響，對其進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，實(shí)現(xiàn)工作面范圍的動力災(zāi)害的危險性評估。

(3)在Ⅰ～Ⅴ級斷裂構(gòu)造劃分的基礎(chǔ)上，劃分了八礦、十礦和十二礦的Ⅵ級斷裂構(gòu)造，確定了研究區(qū)域斷裂構(gòu)造的分布形式，Ⅴ級和Ⅵ級活動斷裂控制了煤與瓦斯突出的局部分布特征。為礦井動力災(zāi)害的二級預(yù)測提供了斷裂構(gòu)造信息。

(4)應(yīng)用模式識別方法，實(shí)現(xiàn)了礦井動力災(zāi)害二級預(yù)測，將采煤工作面進(jìn)行單元劃分，預(yù)測動力災(zāi)害發(fā)生危險性并與一級預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比，通過采動應(yīng)力計(jì)算、殘余瓦斯計(jì)算和保護(hù)層開采計(jì)算，分析不同解危措施的采區(qū)對動力災(zāi)害發(fā)生危險性大小的影響，評估治理措施的有效性，確定動力災(zāi)害危險區(qū)域。