斷裂構(gòu)造分形維數(shù)對(duì)沖擊地壓的控制及防治措施優(yōu)化研究

錢(qián)紅亮

(河南大有能源股份有限公司 耿村煤礦,河南 三門(mén)峽 472431)

沖擊地壓是一種典型的礦井動(dòng)力災(zāi)害,具有復(fù)雜性、突發(fā)性等特點(diǎn)[1],對(duì)礦井的安全高效生產(chǎn)會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。關(guān)于沖擊地壓的主要影響和控制因素,趙丞等通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、工程對(duì)比和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法研究后,認(rèn)為支承壓力分布、工作面“見(jiàn)方”、過(guò)斷層和回采速度是沖擊地壓的主要影響因素[2]。邸帥等[3]通過(guò)采用數(shù)值模擬、工程經(jīng)驗(yàn)等方法研究后,認(rèn)為頂板斷裂是深部工作面沖擊地壓發(fā)生的主控因素。王明強(qiáng)等[4]采用層次分析法對(duì)唐山礦沖擊地壓的主要因素進(jìn)行了研究,認(rèn)為水平應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、工作面布置和推進(jìn)速度是沖擊地壓發(fā)生的主控因素。李忠華等[5]認(rèn)為保護(hù)煤柱寬度是斷層型沖擊地壓的主要影響因素。尹萬(wàn)蕾等[6]采用解析方法對(duì)沖擊地壓的發(fā)生條件進(jìn)行了研究,認(rèn)為煤的模量比、煤層瓦斯孔隙壓力、內(nèi)摩擦角和支護(hù)應(yīng)力是高瓦斯煤層沖擊地壓的主要影響因素。狄春杰[7]通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方法,對(duì)沖擊地壓發(fā)生的影響因素和防范技術(shù)措施進(jìn)行研究,認(rèn)為開(kāi)采深度、頂板活動(dòng)、煤層厚度變化和瓦斯因素是沖擊地壓發(fā)生的主要影響因素。王鐵林[8]綜合采用理論分析、資料分析類(lèi)比和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方法對(duì)沖擊地壓的影響因素進(jìn)行了分析,認(rèn)為頂板穩(wěn)定性差和煤柱失穩(wěn)是沖擊地壓發(fā)生的主要影響因素。

地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃的觀點(diǎn)認(rèn)為,地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境是沖擊地壓等礦井動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的必要條件[9]。而構(gòu)造條件是地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要組成部分,對(duì)沖擊地壓的發(fā)生起到控制作用[10-11]。由于井田范圍內(nèi)的煤巖體往往具有非均質(zhì)性、不連續(xù)性和各向異性等特點(diǎn),因此,在同一外部地質(zhì)體的作用下,在活動(dòng)斷裂等地質(zhì)構(gòu)造的影響和控制下,井田應(yīng)力場(chǎng)在時(shí)間和空間上往往具有多樣性,具有不同的分布格局,因此應(yīng)充分考慮地質(zhì)構(gòu)造的影響和控制作用,指導(dǎo)巷道支護(hù)和動(dòng)力災(zāi)害防控措施的針對(duì)性采取。

針對(duì)耿村煤礦開(kāi)采過(guò)程中多次發(fā)生沖擊地壓的情況,通過(guò)構(gòu)建相應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造模型,分析斷裂構(gòu)造的分形維數(shù)對(duì)耿村煤礦沖擊地壓的影響和控制作用。采用FLAC3D和Midas GTS NX數(shù)值模擬方法對(duì)煤體鉆孔卸壓和爆破卸壓方法效果進(jìn)行對(duì)比分析,并進(jìn)行解危參數(shù)優(yōu)化。為礦井接續(xù)工作面的開(kāi)采和巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 礦井概況及地質(zhì)構(gòu)造模型構(gòu)建

1.1 礦井概況

耿村煤礦主要開(kāi)采2～3煤層,現(xiàn)開(kāi)采13采區(qū),煤層平均厚度為19.3 m,煤層破碎松軟,煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法和綜采放頂煤工藝,采用全部垮落法管理頂板。F16斷層與耿村井田13采區(qū)的相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 F16斷層與耿村井田13采區(qū)的相對(duì)位置關(guān)系

據(jù)統(tǒng)計(jì),耿村煤礦歷史發(fā)生沖擊地壓(包括沖擊地壓臨界能量以上的大能量微震事件)34次,巷道瞬間發(fā)生破壞,底板鼓起,兩幫收縮等,嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造模型構(gòu)建

耿村井田隸屬于義馬煤田,義馬煤田的大地構(gòu)造位置位于華北板塊南緣秦嶺造山帶的北側(cè)。華北板塊南緣中生代以來(lái)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓作用,形成了復(fù)雜逆沖推覆構(gòu)造體系,處于此構(gòu)造板塊中的礦井,必然會(huì)受到板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響。沖擊地壓等礦井動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生可以說(shuō)是現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的具體顯現(xiàn)[12]。由于板塊研究的尺度標(biāo)準(zhǔn)和空間范圍較大,目前尚不能直接應(yīng)用于解決礦山開(kāi)采工程出現(xiàn)的動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題。地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃理論[13-19]的提出,建立了將板塊構(gòu)造的研究成果應(yīng)用于礦井動(dòng)力災(zāi)害評(píng)價(jià)的途徑。將研究范圍劃定至井田尺度上,建立了現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系[20]。

采用地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法劃分了耿村井田內(nèi)的斷裂構(gòu)造,對(duì)耿村井田的沖擊地壓地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。區(qū)劃工作結(jié)束后,根據(jù)Ⅴ級(jí)區(qū)劃圖確定的斷塊構(gòu)造邊界,建立耿村井田地質(zhì)構(gòu)造模型,為井田斷裂構(gòu)造的分形特征分析奠定了基礎(chǔ)。建立了沖擊地壓點(diǎn)與斷裂構(gòu)造的聯(lián)系,如圖2示。如圖可知,發(fā)生在耿村井田內(nèi)的沖擊地壓全部位于區(qū)劃斷裂的附近,受斷裂的控制作用顯著。

圖2 沖擊地壓點(diǎn)與斷裂構(gòu)造的聯(lián)系

2 斷裂構(gòu)造的分形特征及對(duì)沖擊地壓的控制作用分析

斷裂構(gòu)造系統(tǒng)在空間上通常具有自相似性,因此可將斷裂構(gòu)造當(dāng)作分形體來(lái)研究,以斷裂構(gòu)造的分形維度來(lái)對(duì)斷裂的空間規(guī)模和發(fā)育程度進(jìn)行定量描述[21]。分維值高的區(qū)域,往往是斷裂發(fā)育的區(qū)域,一般斷裂交叉點(diǎn)多,斷裂的規(guī)模也大,不利于礦井安全開(kāi)采。在礦震和巖爆(沖擊地壓)發(fā)生前,微震活動(dòng)通常均勻地分布在高應(yīng)力區(qū),這時(shí)分形維數(shù)值較高[22]。

采用計(jì)盒維數(shù)法對(duì)耿村井田Ⅴ級(jí)斷裂圖進(jìn)行分形計(jì)算。通過(guò)不同邊長(zhǎng)r(r=L,L/2,L/4,L/8…,首項(xiàng)為正數(shù)、公比=0.5的等比數(shù)列)的正方形格子覆蓋研究區(qū),統(tǒng)計(jì)覆蓋到斷裂的網(wǎng)格數(shù)N(r)。若N(r)與r滿足如下冪定律關(guān)系(式1),則研究對(duì)象具有分形特征。

N(r)=C·r-D

(1)

式中:C、D為常數(shù)。

將式(1)兩邊分別取對(duì)數(shù)得式(2),由式(2)可知,若lnN(r)與lnr為線性關(guān)系,則研究對(duì)象為分形,該線性關(guān)系式斜率的絕對(duì)值即為分維值D.

lnN(r)=-Dlnr+lnC

(2)

以耿村煤礦Ⅴ級(jí)斷裂圖作為底圖,將邊長(zhǎng)r為10 cm的二維正交網(wǎng)格進(jìn)行編號(hào)分區(qū),分區(qū)結(jié)果如圖3所示。

圖3 耿村煤礦斷裂構(gòu)造分區(qū)圖

對(duì)于每個(gè)分區(qū),分別以邊長(zhǎng)10 cm(實(shí)際長(zhǎng)度1 000 m)、5 cm(實(shí)際長(zhǎng)度500 m)和2.5 cm(實(shí)際長(zhǎng)度250 m)的二維正交網(wǎng)格覆蓋,統(tǒng)計(jì)分區(qū)覆蓋到斷裂的網(wǎng)格數(shù)N(r)。分別繪制不同分區(qū)斷裂構(gòu)造的回歸擬合等直線,得到分區(qū)斷裂構(gòu)造的分維值,如圖4和圖5所示。

圖4 耿村煤礦斷裂構(gòu)造分維值等值線圖

圖5 耿村煤礦斷裂構(gòu)造分形維數(shù)分區(qū)圖

根據(jù)耿村井田分維值的實(shí)際測(cè)定結(jié)果,可將井田斷裂網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度劃分為簡(jiǎn)單、中等、復(fù)雜3個(gè)級(jí)別,分維數(shù)分別以1.2和1.4作為分界值。耿村煤礦開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生的34次沖擊地壓(大能量微震)事件中,10次位于斷裂構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域,分維值為1.4～1.6,占比29.41%;10次位于斷裂構(gòu)造中等區(qū)域,分維值為1.2～1.4,占比29.41%;14次位于斷裂構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)域,分維值為1.0～1.2,占比41.18%.由此表明,沖擊地壓(大能量微震)事件大多位于斷裂構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域和斷裂構(gòu)造中等區(qū)域,表明耿村煤礦沖擊地壓(大能量微震)事件次數(shù)與分維值正相關(guān),斷裂構(gòu)造分形維數(shù)對(duì)礦井沖擊地壓具有控制作用。

3 解危措施效果分析與參數(shù)優(yōu)化

3.1 耿村煤礦主要解危措施參數(shù)介紹

根據(jù)井田巖體應(yīng)力計(jì)算對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)結(jié)果,耿村煤礦針對(duì)性采用了以煤層鉆孔卸壓和煤層爆破卸壓為主的防治措施,降低沖擊地壓發(fā)生危險(xiǎn)。

1) 煤層鉆孔卸壓方法?；夭善陂g,超前工作面300 m,分別在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷靠近煤壁側(cè)施工卸壓鉆孔。鉆孔布置參數(shù):鉆孔孔徑125 mm,鉆孔間距1 m,鉆孔深度30 m,鉆孔開(kāi)口角度3°～5°,鉆孔開(kāi)口位置距巷道底板0.5～1.5 m,孔口用黃泥封孔。以運(yùn)輸巷卸壓鉆孔布置為例,鉆孔布置平面、剖面圖,如圖6和圖7所示。

圖6 鉆孔布置平面圖

圖7 鉆孔布置剖面圖

2) 煤層爆破卸壓方法。根據(jù)沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果,在巖體應(yīng)力計(jì)算的高應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力梯度區(qū)和應(yīng)力集中區(qū),定期進(jìn)行煤層爆破卸壓。鉆孔布置參數(shù):孔徑75 mm,孔深20 m,孔間距5 m,鉆孔開(kāi)口角度13°～15°.為控制爆破當(dāng)量,每次最多允爆4個(gè)孔。采用煤礦許用三級(jí)乳化炸藥,每孔裝藥10 kg,裝藥長(zhǎng)度3.5 m,封孔采用水炮泥+黃土炮泥封孔。爆破裝藥示意如圖8所示。

圖8 爆破裝藥示意

3.2 鉆孔卸壓效果分析

通常情況下,鉆孔卸壓的孔徑越大,孔間距越小,卸壓效果越好。當(dāng)鉆孔直徑一定的情況下,孔間距直接影響到卸壓效果。13200工作面回采期間,在工作面超前300 m上巷下幫,下巷上下幫施工卸壓鉆孔進(jìn)行卸壓。上巷卸壓鉆孔布置參數(shù):下幫施工卸壓鉆孔,鉆孔孔徑125 mm、鉆孔間距1 m、鉆孔深度30 m、鉆孔角度3°～5°;下巷卸壓鉆孔布置參數(shù):對(duì)上下幫施工卸壓鉆孔,上幫相鄰孔間距1 m,鉆孔深度30 m,鉆孔開(kāi)口角度13°～18°,下幫相鄰孔間距1 m,鉆孔深度30 m,鉆孔開(kāi)口角度3°～5°;卸壓鉆孔垂直于巷幫煤墻施工,鉆孔直徑≥125 mm,鉆孔開(kāi)口位置距巷道底板0.5～1.5 m,孔口用黃泥封孔。卸壓鉆孔施工時(shí),可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際、施工條件可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整施工參數(shù)。應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬方法對(duì)耿村煤礦應(yīng)用的鉆孔卸壓效果進(jìn)行分析,當(dāng)鉆孔直徑為125 mm,鉆孔間距為1 m時(shí),設(shè)定鉆孔間距為2 m的對(duì)比方案,分別模擬高應(yīng)力區(qū)(應(yīng)力峰值21 MPa)條件下,孔間距為1 m和2 m時(shí)卸壓后圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律,模擬結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 鉆孔間距為1 m時(shí)的卸壓效果

圖10 鉆孔間距為2 m時(shí)的卸壓效果

結(jié)果表明,當(dāng)鉆孔間距為至1 m時(shí),相鄰鉆孔之間卸壓區(qū)可相互疊加,在卸壓鉆孔周邊1.5 m范圍形成了條狀卸壓帶,在高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力峰值21 MPa區(qū)域,鉆孔卸壓后應(yīng)力降低為12～17 MPa,降低幅度19.1%～42.8%,卸壓效果明顯;當(dāng)孔間距2 m時(shí),各個(gè)鉆孔形成的卸壓區(qū)相互獨(dú)立,鉆孔之間存在范圍0.5～1.0 m的未卸壓區(qū)域,卸壓效果相對(duì)不明顯。模擬結(jié)果表明耿村煤礦目前采用的鉆孔卸壓方法和參數(shù)合理。

3.3 爆破卸壓效果分析與參數(shù)優(yōu)化

采用Midas GTS NX數(shù)值模擬方法建立煤體爆破卸壓模型,模型尺寸為30 m×30 m×5 m.炮孔布置方向與巷道走向方向垂直,單排布置,炮孔采用集中、連續(xù)裝藥方式。設(shè)定鉆孔間距為8 m的對(duì)比方案,分別模擬孔間距為5 m和8 m時(shí)爆破卸壓后圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律。模擬結(jié)果分別如圖11、圖12和表1所示。

表1 爆破后卸壓效果參數(shù)

圖11 鉆孔間距為5 m時(shí)的爆破卸壓效果

圖12 鉆孔間距為8 m時(shí)的爆破卸壓效果

模擬結(jié)果表明,當(dāng)炮孔間距為5 m和8 m時(shí)均可以對(duì)煤體形成卸壓效果顯著的卸壓帶,炮孔間距為5 m時(shí),應(yīng)力降低幅度為8%～70%;炮孔間距為8 m時(shí),應(yīng)力降低幅度為6.6%～62%.由此判斷炮孔間距5 m和8 m時(shí)均可起到有效的卸壓效果。根據(jù)以上參數(shù),結(jié)合巖體應(yīng)力劃分結(jié)果,可在低應(yīng)力區(qū)采用炮孔間距為8 m的爆破卸壓措施,降低施工成本;在其他應(yīng)力區(qū)域,繼續(xù)采用炮孔間距為5 m的爆破卸壓措施。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 華北板塊南緣經(jīng)歷了強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓作用,形成了復(fù)雜逆沖推覆構(gòu)造體系,這是義馬礦區(qū)易產(chǎn)生沖擊地壓等礦井動(dòng)力災(zāi)害的地質(zhì)構(gòu)造背景條件。

2) 耿村煤礦開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生的沖擊地壓(大能量微震)事件中,29.41%位于斷裂構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域,29.41%位于斷裂構(gòu)造中等區(qū)域,41.18%位于斷裂構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)域。表明沖擊地壓(大能量微震)事件大多位于斷裂構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域和斷裂構(gòu)造中等區(qū)域,耿村煤礦沖擊地壓(大能量微震)事件發(fā)生次數(shù)與分維值呈正相關(guān),斷裂構(gòu)造分形維數(shù)對(duì)礦井沖擊地壓具有控制作用。

3) 耿村煤礦目前采用的鉆孔卸壓方法和爆破卸壓方法的參數(shù)合理,卸壓效果明顯。鉆孔卸壓后煤巖體應(yīng)力降低幅度為19.1%～42.8%;采用爆破卸壓時(shí),當(dāng)炮孔間距為5 m和8 m時(shí)均可以對(duì)煤體形成卸壓效果顯著的卸壓。當(dāng)炮孔間距為5 m時(shí),應(yīng)力降低幅度為8%～70%,炮孔間距為8 m時(shí),應(yīng)力降低幅度為6.6%～62%.建議在低應(yīng)力區(qū)采用炮孔間距為8 m的爆破卸壓措施,降低施工成本,在其他應(yīng)力區(qū)域,繼續(xù)采用炮孔間距為5 m的爆破卸壓措施。