義馬煤田沖擊危險性地質(zhì)因素指數(shù)評價法

張萬鵬，李松營，姚小帥，趙紅利

(河南能源化工集團(tuán) 研究總院有限公司，河南 鄭州 450046)

沖擊地壓危險性評價是在分析沖擊地壓影響因素的基礎(chǔ)上，應(yīng)用相關(guān)理論建立礦井沖擊地壓危險性評價模型，并利用評價模型對目標(biāo)區(qū)域開展沖擊地壓危險性評價。沖擊危險性評價是進(jìn)行防沖設(shè)計，制定科學(xué)的沖擊地壓防治措施的基礎(chǔ)。目前，常用的沖擊地壓危險性評價方法有沖擊地壓發(fā)生可能性指數(shù)診斷法、沖擊傾向性評價法、綜合指數(shù)法、經(jīng)驗類比法、數(shù)值模擬分析法、鉆屑法等，各種評價方法各有優(yōu)勢，現(xiàn)實中均有應(yīng)用[1-6]。綜合指數(shù)法是在對以往發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害礦井的地質(zhì)和開采方面研究的經(jīng)驗總結(jié)和綜合分析的基礎(chǔ)上所建立起來，具有很好的適用性，評價內(nèi)容包括地質(zhì)條件和開采條件兩部分，由于其理論簡單、計算方便等優(yōu)點，應(yīng)用范圍較為廣泛[7-9]。義馬煤田礦井普遍借用綜合指數(shù)法作為沖擊危險性評價的主要手段之一，評價結(jié)果為防治沖擊地壓工作提供了科學(xué)依據(jù)。

在沖擊危險性地質(zhì)因素評價過程中，地質(zhì)因素的選取以及確定相應(yīng)的指數(shù)和權(quán)重是沖擊危險性評價結(jié)果準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵，直接影響到評價結(jié)果能否用來正確指導(dǎo)實際工作。不同煤田，影響沖擊地壓發(fā)生的地質(zhì)因素不同，每個地質(zhì)因素所占有的權(quán)重大小也不同，由于綜合指數(shù)法地質(zhì)因素評價方法來源于長期的、大范圍防沖經(jīng)驗的積累，適用性很好，但針對性不夠突出，采用統(tǒng)一化的地質(zhì)因素評價標(biāo)準(zhǔn)難以正確評價不同地質(zhì)條件礦井的沖擊危險性[10]。義馬煤田沖擊地壓是煤層頂板巨厚礫巖、南部邊界大型逆沖斷層、特厚煤層等多種地質(zhì)因素以及開采條件共同作用的結(jié)果，其中影響沖擊地壓的地質(zhì)因素特殊、眾多且相互耦合，機(jī)理較為復(fù)雜。本研究意在建立針對義馬煤田特殊地質(zhì)條件的沖擊地壓危險性評判方法，并對義馬煤田沖擊地壓危險性進(jìn)行地質(zhì)分區(qū)，同時也期望本文能夠?qū)ζ渌麤_擊地壓礦井建立針對自身地質(zhì)條件的沖擊危險性評價方法提供思路。

1 義馬煤田概況

1.1 煤田概況

義馬煤田位于河南省三門峽市境內(nèi)，地跨義馬市和澠池縣，是河南省唯一的中生代成煤盆地，發(fā)育中侏羅統(tǒng)義馬組煤系。煤田北起于煤層隱伏露頭，南止于F16逆斷層(義馬逆斷層)，東西為沉缺邊界。目前，礦井主要開采2-3煤，煤厚0～37.5 m，平均厚8 m。煤巖層傾角多為10°～15°，煤層埋深2～1 200 m。煤層直接頂板一般為泥巖，往上為中侏羅統(tǒng)馬凹組泥砂巖、砂礫巖互層，平均厚約160 m，再往上為上侏羅統(tǒng)巨厚礫巖，最厚達(dá)700余m，底板以泥巖、砂巖和礫巖為主。義馬煤田原有楊村煤礦、耿村煤礦、千秋煤礦、躍進(jìn)煤礦和常村煤礦5對生產(chǎn)礦井及1個露天煤礦——天新公司(原北露天礦)(圖1)，合計生產(chǎn)能力1 000多萬t。經(jīng)過數(shù)十年大規(guī)模開采，義馬煤田各煤礦已累計生產(chǎn)原煤3億t，剩余資源量約3億t。由于資源枯竭，政策等原因，北露天礦、楊村煤礦和躍進(jìn)煤礦已相繼關(guān)閉，耿村煤礦、千秋煤礦和常村煤礦仍正常生產(chǎn)。

圖1 義馬煤田井(礦)田分布Fig.1 Distribution of coal mines in Yima Coalfield

1.2 沖擊地壓概況

義馬煤田沖擊地壓從20世紀(jì)80年代開始顯現(xiàn)，由于沒有影響正常生產(chǎn)，加之當(dāng)時缺乏對沖擊地壓的認(rèn)識，故未做記錄。首次有記錄的是1998年9月3日在千秋煤礦18152運輸巷掘進(jìn)工作面發(fā)生的沖擊地壓，該沖擊地壓事故導(dǎo)致掘進(jìn)正頭向外20 m至巷口共計100 m范圍內(nèi)，巷道底鼓變形，損壞大量工字鋼支架，沖擊煤量500 m3，巷道幾近充填，造成2人死亡，1人受傷，工作面停產(chǎn)60 d。之后，義馬煤田中部5對礦井陸續(xù)出現(xiàn)沖擊地壓，不同程度地受到?jīng)_擊地壓威脅[10]。近年來，義馬煤田5對生產(chǎn)礦井均轉(zhuǎn)入深部開采，最大開采深度已達(dá)1 060 m，距離大型義馬逆斷層越來越近，并開始越過該斷層。隨著采深的增加和開采強(qiáng)度的加大，義馬煤田沖擊地壓災(zāi)害趨于嚴(yán)重。截至2020年底，義馬煤田已累計發(fā)生有記錄的較為明顯的沖擊地壓110余次，累計損毀巷道數(shù)千米，死亡30余人，直接、間接經(jīng)濟(jì)損失合計達(dá)數(shù)億元，成為全國沖擊地壓危害最嚴(yán)重的礦區(qū)之一，沖擊地壓被義煤公司列為首位礦井災(zāi)害進(jìn)行重點防治。

2 地質(zhì)因素的沖擊地壓危險性指數(shù)判定

地質(zhì)因素的沖擊地壓危險性指數(shù)判定法建立在綜合指數(shù)法的基礎(chǔ)上，分析義馬煤田沖擊地壓地質(zhì)因素，確定主控地質(zhì)因素，并綜合考慮每種地質(zhì)因素對沖擊地壓的影響程度，結(jié)合以往所發(fā)生沖擊地壓事件區(qū)域的地質(zhì)條件，分因素開展指標(biāo)分級和賦值。評價模型中評價因素的種類和對應(yīng)指數(shù)采用義馬煤田沖擊地壓主控地質(zhì)因素和對應(yīng)指數(shù)，并引入通過層次分析法(AHP)計算得到各地質(zhì)因素的權(quán)重，對評價方法加以修正，得出針對義馬煤田地質(zhì)因素的沖擊地壓危險性評價模型。

(1)

式中,Wt1為沖擊地壓危險性地質(zhì)因素綜合指數(shù)；αi為第i個地質(zhì)因素的權(quán)重；Wimax為第i個地質(zhì)因素中的最大指數(shù)值；Wi為第i個地質(zhì)因素的實際指數(shù)；n為地質(zhì)因素的數(shù)目。

2.1 義馬煤田沖擊地壓主控地質(zhì)因素

義馬煤田特殊的地質(zhì)條件是其沖擊地壓多發(fā)的重要原因，通過分析義馬煤田各地質(zhì)因素與沖擊地壓之間的關(guān)系，確定影響義馬煤田沖擊地壓的主要地質(zhì)因素有煤層上覆巨厚礫巖厚度、到F16斷層距離、軟采比(煤層頂板軟巖厚度與煤層厚度之比)、沉降系數(shù)(采后地表沉降量與采高的比值)、采深、馬凹組地層巖性、煤層厚度和是否受開放型構(gòu)造影響等8個[11-19]。義馬煤田沖擊地壓的發(fā)生是上述單一或多種地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果。

2.2 義馬煤田沖擊地壓主控地質(zhì)因素指標(biāo)分級

通過研究義馬煤田沖擊地壓發(fā)生的地質(zhì)因素，對各地質(zhì)因素在沖擊地壓的發(fā)生中所起的作用有了初步的認(rèn)識。根據(jù)各地質(zhì)因素對義馬煤田沖擊地壓的影響程度，結(jié)合煤田內(nèi)各地質(zhì)因素屬性，對比分析已發(fā)生110余次沖擊事件區(qū)域的各地質(zhì)因素參數(shù)，分別對各地質(zhì)因素進(jìn)行指標(biāo)分級和賦值(表1)。

表1 地質(zhì)因素的指數(shù)分級、賦值Tab.1 Index classification and assignment of geological factors

2.3 基于層次分析法的地質(zhì)因素權(quán)重計算

層次分析法(AHP)是一種定性與定量相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策(評價)方法,是將半定性、半定量問題轉(zhuǎn)化為定量問題的有效途徑，在實際應(yīng)用過程中，具有簡便、靈活而實用的特點。通過分析影響沖擊地壓的主控地質(zhì)因素，將研究對象劃分為3個層次。沖擊地壓危險性是最終目的，作為模型的目標(biāo)層(A層次)；頂板屬性(B1)、構(gòu)造屬性(B2)、埋深屬性(B3)和煤層屬性(B4)決定了沖擊地壓發(fā)生的可能性，但其影響方式還需通過與其相關(guān)的具體因素來體現(xiàn)，這是解決問題的中間環(huán)節(jié)，即模型的準(zhǔn)則層(B層次)，各個具體的主控因素指標(biāo)構(gòu)成了本模型的決策層(C層次)，通過對該層次問題的決策，即可最終達(dá)到所要求解的目標(biāo)[20](圖2)。

圖2 沖擊地壓危險性評價層次分析結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Analytical model of rock burst riskevaluation by AHP

在對義馬煤田沖擊地壓各主控地質(zhì)因素充分認(rèn)識，明確相對重要程度的基礎(chǔ)上，分層次構(gòu)造判斷矩陣，并通過層次單排序及一致性檢驗和層次總排序及一致性檢驗，計算得到各主控地質(zhì)因素的權(quán)重值,具體如下：礫巖厚度0.246 2；馬凹組巖性0.084 1;沉降系數(shù)0.094 5；軟采比0.157 8；到F16斷層距離0.205 4；受開放型構(gòu)造影響程度0.068 5；采深0.073 2；煤厚0.070 4。

2.4 沖擊地壓危險性評級指標(biāo)及地質(zhì)分區(qū)

以義馬煤田勘探鉆孔資料和采掘工作面揭露的地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，選取198個評價點，統(tǒng)計各個評價點的地質(zhì)因素屬性。根據(jù)各地質(zhì)因素屬性，對照表1對其進(jìn)行指數(shù)分級和賦值。將各參數(shù)代入式(1)進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，計算出每個評價點的沖擊地壓危險性綜合指數(shù)Wt1，共計198個，對于空白區(qū)域采用插值法賦值，繪制義馬煤田地質(zhì)因素的沖擊地壓危險性綜合指數(shù)等值線圖，并與義馬煤田沖擊地壓事件分布平面位置圖疊加(圖3)。

圖3 沖擊地壓危險性綜合指數(shù)等值線與沖擊地壓事件分布Fig.3 Comprehensive index contour of rock burst risk and rock burst events

認(rèn)真對比分析地質(zhì)因素的沖擊地壓危險性綜合指數(shù)Wt1與以往發(fā)生沖擊事件破壞程度、頻發(fā)區(qū)域之間的分布關(guān)系，最終將義馬煤田按沖擊危險性按綜合指數(shù)大小由弱到強(qiáng)依次劃分為4個等級，分別為：無沖擊危險區(qū)、弱沖擊危險區(qū)、中等沖擊危險區(qū)和強(qiáng)沖擊危險區(qū)(圖4)。綜合指數(shù)方面，<0.30無沖擊危險區(qū)；0.30～0.55弱沖擊危險區(qū)；0.55～0.80中等沖擊危險區(qū)；>0.80強(qiáng)沖擊危險區(qū)。

圖4 義馬煤田沖擊危險性地質(zhì)分區(qū)Fig.4 Zoning of rock burst risk in Yima Coalfield

3 現(xiàn)場驗證

為了驗證義馬煤田沖擊地壓危險性地質(zhì)分區(qū)的合理性，統(tǒng)計了近年來，義馬煤田所發(fā)生的4次較為明顯的沖擊地壓事件(表2)，采用地質(zhì)因素的沖擊地壓危險性綜合指數(shù)判定法計算得出4處沖擊地壓發(fā)生區(qū)域的沖擊地壓危險性綜合指數(shù)分別為0.56、0.71、0.85和0.71，對照義馬煤田沖擊地壓危險性地質(zhì)分區(qū)評級指標(biāo)，4處區(qū)域均屬于沖擊地壓危險性地質(zhì)分區(qū)中的中等及以上沖擊危險區(qū)(圖5)。

表2 義馬煤田2014年8月至今發(fā)生沖擊地壓事件統(tǒng)計Tab.2 Main rock burst events in YimaCoalfield from Aug in 2014 year

圖5 2014年8月以來所發(fā)生的4次沖擊事件平面位置Fig.5 Locations of 4 rock burst events occured from Aug in 2014 year

4 結(jié)語

(1)借鑒綜合指數(shù)法，針對義馬煤田特殊的地質(zhì)條件，建立了地質(zhì)因素的沖擊地壓危險性綜合指數(shù)法評價模型，引入層次分析法(AHP)計算各地質(zhì)因素權(quán)重對模型進(jìn)行了優(yōu)化，綜合分析已發(fā)生沖擊地壓事件數(shù)量和嚴(yán)重程度的區(qū)域分布特點，確定了義馬煤田地質(zhì)因素的沖擊地壓危險性分級指標(biāo)，將義馬煤田劃分為無沖擊危險區(qū)、弱沖擊危險區(qū)、中等沖擊危險區(qū)和強(qiáng)沖擊危險區(qū)。

(2)沖擊地壓的發(fā)生是地質(zhì)因素與采礦因素綜合作用的結(jié)果。地質(zhì)因素是形成沖擊地壓的內(nèi)在的、本質(zhì)的、控制性因素，是發(fā)生沖擊地壓的根本原因。不同煤田有不同的地質(zhì)條件，針對煤田的地質(zhì)條件建立針對性的沖擊地壓危險性評價模型，有利于準(zhǔn)確評價沖擊地壓危險性，進(jìn)行沖擊地壓危險性地質(zhì)分區(qū)，并為結(jié)合采礦因素，進(jìn)一步開展沖擊地壓危險性綜合性評價奠定基礎(chǔ)，為制定防沖措施提供科學(xué)依據(jù)。