礦井斷裂構造定量評價研究

卜昌森

（山東能源集團有限公司，山東省濟南市，250061）

礦井斷裂構造定量評價研究

卜昌森

（山東能源集團有限公司，山東省濟南市，250061）

基于斷裂構造幾何及分布特征研究，提出斷層影響因子概念，研究確定了采用斷層影響因子進行煤層底板突水風險劃分的方法。通過現場工程實踐驗證，該方法研究成果與實測資料吻合程度較高，取得了良好的安全和經濟效益。

斷裂構造 影響因子 底板突水

礦井突水一直是制約煤礦安全生產的重要因素之一，統計數據表明，礦井突涌水水害造成的人員財產損失居第二位，僅次于瓦斯爆炸；而在非（低）瓦斯礦井中則高居首位。煤礦底板突水事故中，地質構造（主要是斷裂構造）對煤層底板突水的控制作用尤為突出，且與斷裂構造相關的突水事故約占總數的90%。因此，斷裂構造定量評價研究一直是地質界和采礦界的重要課題之一。

礦井斷裂構造定量評價是在構造規律研究基礎上，選取合適的定量指標，采用恰當的數學模型，對礦井不同區段的構造復雜程度作出定量化的評判，并劃分出相應的構造等級。常用的有構造指數法、構造等性塊段法和構造分形法等，然而這類方法的評價指標較少，在指標的賦值和塊段的選取方面帶有較大的人為性和經驗性，其評價精度有限。本文在前人研究的基礎上提出了斷層影響因子概念及煤層底板突水風險劃分方法，為定量評價斷裂構造在煤層底板突水中的影響提供一條新的途徑。

1 斷層影響因子概念的提出

大量工程現場統計數據表明，斷裂構造交會點、尖滅點特征及斷層規模參數（落差、延展長度）是突涌水災害的主控因素。因此對礦井斷裂構造的定量評價研究針對以上因素展開。

定義斷層影響因子E為單位面積內斷層規模指數與斷裂構造交會點和尖滅點歸一化之和，其中斷層規模指數是單位面積內所有斷層落差和延展長度乘積之和。因此，斷層影響因子E的表達式為：

式中：E——斷層影響因子；

li——第i條斷層落在單元內的走向長度，m；

hi——第i條斷層的落差，m；

S——單元面積，m2；

n——落在單元內的斷層條數；

M——構造交點和尖滅點的歸一化值，無量綱。

2 斷層影響因子分析方法

斷層影響因子綜合考慮了斷裂構造交會點、尖滅點及斷層規模等因素，能綜合有效地反映斷裂構造的發育特征及復雜程度。通過對斷層影響因子的分析，能夠系統地定量闡述其對煤層底板突水災害發生的作用機制，即斷層影響因子越大表明斷層的規模越大、發育程度越好，采掘工程的揭露和擾動影響下發生突水的可能性也就越大。

斷層影響因子分析方法具體實施步驟如下：（1）對礦井區域進行單元網格化，提取網格的中心點坐標；

（2）逐步統計單元網格內各個斷層的落差與對應的走向長度，計算其斷層的規模指數。

（3）統計單元網格內斷裂構造的交會點和尖滅點，實施數據歸一化后，同斷層規模指數相疊加，依據公式（1）。

（4）根據計算獲得的斷層影響影子，繪制出等值線圖，從而判定礦區不同位置的突水風險大小，指導礦山安全生產。

3 工程應用研究

3.1 工程概況

盛泉煤礦位于泰沂山區中部，處于蓮花山、云蒙山兩分水嶺中間地帶，靠近蓮花山。總體形態為一向南傾伏的寬緩背斜構造。背斜軸走向近南北，煤層走向成總體向南彎曲的弧形，走向N30°W～N30°E。井田內斷裂構造甚為發育，將背斜切割成許多大小不等的斷塊，盛泉井田構造見圖1。同時，煤礦內存在多個充水含水層，在被斷裂構造切割后形成突水水源與通道，對礦區安全生產造成嚴重威脅。為查明井田內各處受斷裂構造控制的突水風險大小，采用斷層影響因子方法進行突水風險評價，實現了規避突水風險和礦井安全生產。

3.2 斷層影響因子等值線云圖繪制

選取盛泉煤礦11＃煤層開采區域內的斷層作為研究對象，運用斷層影響因子理論獲得各個斷層的影響因子值；應用SURFER軟件進行樣條插值，繪制盛泉煤礦11＃煤層影響區域內的斷裂構造影響因子等值線圖，見圖2。圖2中，將斷層影響因子按照從小到大的分布規律劃分為3個區域。同時，依據盛泉礦井揭露的水文地質資料和數據，確定各個區域斷層影響因子取值范圍。

3.3 突水風險區域定量劃分

按照突水風險由小到大，依據斷層影響因子將3個區域劃分突水風險程度，見圖2。

（1）Ⅰ區（E≤0.4）：在井田的西北部、西南部和東南部地區，該區域斷裂構造不發育，斷層影響因子較小，水文地質條件相對簡單。斷裂構造交會點和尖滅點數量較少，斷層規模和發育程度相對較小，發生突水的可能性不大，屬于比較安全的區域。

（2）Ⅱ區（0.4＜E＜0.8）：井田東北部和中南部地區，該區域小斷層發育，偶爾可見大斷層，斷裂構造交會點和尖滅點數量一般，斷層影響因子值居中；斷層規模和發育程度中等，構造復雜程度中等，有發生突水的可能，施工采掘過程中應當加強探查。

（3）Ⅲ區（E≥0.8）：井田的東北部、中部和東南部地區，斷裂構造極為發育且相互交錯，極利于含水層的溝通和導水，采掘工程中易發生突涌水災害。

3.4 高風險區域斷層發育調查

在突水高風險區域內，對區域內發育的斷層展開統計調查是必不可少的工作，統計數據應當包括斷裂產狀、規模、落差等斷裂發育的主控因素，以及斷裂導水性及斷裂間交錯形態。結合圖1，對高風險區域內的斷裂構造調查分析如下：

（1）F2、F13、F15、F13-1及F12斷層：位于井田東北部，相互交錯發育，特別是F2和F12這兩個大斷層。斷層F2為礦井北部、西北部邊界斷層，落差為500 m，延展長度為2800 m，使含煤地層對接第三系地層；F12斷層為礦井東北部邊界斷層，落差250 m，延展長度為2700 m。該區域斷裂構造交會點和尖滅點發育較多，巖體比較破碎，斷層規模和發育程度較大，斷層影響因子值較大，發生突水的可能性很大。但是根據鉆孔及實際揭露證實F2斷層其含水性、導水性及水力聯系均較弱，F12斷層由于井田內為上升盤，不受斷層水害威脅，故沒有發生突水事故。

（2）F14斷層：位于井田中部，斷層落差為60～440 m，延展長度為4800 m，斷層的規模和發育程度較大，特別是F14斷層又與井田西部的斷層F14－6、F2－1、F3－3、F3－4以及井田東部的斷層F3、F3－1、F3－2、F4、F4－3、F4－5、F4－8、F4－9等斷層相交，使巖體更為破碎，導水性增強，斷層影響因子較大，突水危險性較大。

（3）F16及F16－1斷層：位于井田東南部，F16的落差為100～340 m，延展長度對4000 m，斷層F16－1的落差為30～120 m，延展長度為3200 m。該區域斷層的規模較大，發育程度好，斷層影響因子較大，發生突水的可能性較大，但是F16斷層為盛泉煤礦與四槐樹煤礦的邊界斷層，其相鄰的一、二、四采區均已開采完畢，現已無采掘工程，因此，此斷層對礦井生產無水害威脅。

4 突水高風險區域采掘對策

針對突水高風險區域進行采掘施工時，應當貫徹高承壓水治理中的“防、堵、排、截”思想，具體在掘進中實施以下措施：

（1）有疑必探，先探后掘。當掘進面前方可能存在斷裂導（含）水構造時，必須進行超前探測，并依據探查情況制定相應的施工措施。確定前方安全無突水風險后，可掘進通過。

（2）鉆探為主，物探輔助。采掘工作面超前探查，主要分為鉆探和物探方法。物探方法探查范圍大，但是探查精度不足；鉆探方法探查精度高，但是探查范圍有限。將兩種方法結合能夠有效對采掘工作面前方的斷裂構造從空間位置、發育規模、導水性質等方面進行把握。在物探發現有不良地質體后，必須經過鉆探驗證后，方可采取相應措施。

（3）堵排結合，超前治理。當發現前方存在斷裂構造后，應當就斷裂構造的導水性進行論證，當斷裂構造導水能力較差或含水體不大時，可以采取以排為主，先行通過，然后通過壁后注漿進行治理。當發現前方斷裂構造導水性能良好或含水體較大，則需要停止采掘，進行超前注漿治理。采掘工程中的斷層水災害防治中要盡量避免將“靜水變動水”，導致治理成本上升甚至威脅礦井安全。

（4）減小擾動，支護緊跟。原本導水性差的斷裂構造在施工擾動下可能導致導水能力上升，從而發生突涌水災害。減小施工擾動的同時，應當做到支護緊跟及時制止圍巖有害變形，防止冒頂和片幫。減少施工擾動的方法通常為縮短單循環采掘進尺；圍巖條件許可時采用機械開挖代替炮掘；掘進施工后，迅速支護形成封閉空間，阻滯圍巖有害變形。

5 結論

（1）提出了斷層影響因子概念，建立了斷層影響因子的數學表達形式。

（2）應用斷層影響因子理論，闡述了工程應用方法，并對依托工程進行了突水危險性劃分。

（3）系統研究了盛泉煤田斷層性質，并對各區域突水風險進行了分析。

（4）闡述了工程如何結合斷層影響因子理論，科學合理避災，對類似工程具有借鑒意義。

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Research of quantitative evaluation on fault structure in coal mine

Bu Changsen
（Shandong Energy Group Co.，Ltd.，Jinan，Shandong 250061，China）

Based on the geometry and distribution characteristics of the fault structure，the concept of fault influence factors is proposed，and the method of adopting the fault influence factors to classify the water bursting risks in coal seam floor is determined.The situ engineering practice verifies the research results of the method have highly coincided with the measured data，and gained good safety and economic benefits.

fault structure，influence factors，water bursting in floor

P618.117

A

卜昌森（1963－），男，山東省諸城人，工學博士，工程應用研究員，博士生導師，現任山東能源集團有限公司董事長、總經理，主要研究方向為煤田地質、安全工程及水害防治。

（責任編輯 張毅玲）