義馬煤田沖擊危險性地質因素指數評價法

張萬鵬，李松營，姚小帥，趙紅利

(河南能源化工集團 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上，應用相關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區域開展沖擊地壓危險性評價。沖擊危險性評價是進行防沖設計，制定科學的沖擊地壓防治措施的基礎。目前，常用的沖擊地壓危險性評價方法有沖擊地壓發生可能性指數診斷法、沖擊傾向性評價法、綜合指數法、經驗類比法、數值模擬分析法、鉆屑法等，各種評價方法各有優勢，現實中均有應用[1-6]。綜合指數法是在對以往發生沖擊地壓災害礦井的地質和開采方面研究的經驗總結和綜合分析的基礎上所建立起來，具有很好的適用性，評價內容包括地質條件和開采條件兩部分，由于其理論簡單、計算方便等優點，應用范圍較為廣泛[7-9]。義馬煤田礦井普遍借用綜合指數法作為沖擊危險性評價的主要手段之一，評價結果為防治沖擊地壓工作提供了科學依據。

在沖擊危險性地質因素評價過程中，地質因素的選取以及確定相應的指數和權重是沖擊危險性評價結果準確與否的關鍵，直接影響到評價結果能否用來正確指導實際工作。不同煤田，影響沖擊地壓發生的地質因素不同，每個地質因素所占有的權重大小也不同，由于綜合指數法地質因素評價方法來源于長期的、大范圍防沖經驗的積累，適用性很好，但針對性不夠突出，采用統一化的地質因素評價標準難以正確評價不同地質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因素以及開采條件共同作用的結果，其中影響沖擊地壓的地質因素特殊、眾多且相互耦合，機理較為復雜。本研究意在建立針對義馬煤田特殊地質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行地質分區，同時也期望本文能夠對其他沖擊地壓礦井建立針對自身地質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，地跨義馬市和澠池縣，是河南省唯一的中生代成煤盆地，發育中侏羅統義馬組煤系。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，再往上為上侏羅統巨厚礫巖，最厚達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、躍進煤礦和常村煤礦5對生產礦井及1個露天煤礦——天新公司(原北露天礦)(圖1)，合計生產能力1 000多萬t。經過數十年大規模開采，義馬煤田各煤礦已累計生產原煤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、楊村煤礦和躍進煤礦已相繼關閉，耿村煤礦、千秋煤礦和常村煤礦仍正常生產。

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80年代開始顯現，由于沒有影響正常生產，加之當時缺乏對沖擊地壓的認識，故未做記錄。首次有記錄的是1998年9月3日在千秋煤礦18152運輸巷掘進工作面發生的沖擊地壓，該沖擊地壓事故導致掘進正頭向外20 m至巷口共計100 m范圍內，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60 d。之后，義馬煤田中部5對礦井陸續出現沖擊地壓，不同程度地受到沖擊地壓威脅[10]。近年來，義馬煤田5對生產礦井均轉入深部開采，最大開采深度已達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度的加大，義馬煤田沖擊地壓災害趨于嚴重。截至2020年底，義馬煤田已累計發生有記錄的較為明顯的沖擊地壓110余次，累計損毀巷道數千米，死亡30余人，直接、間接經濟損失合計達數億元，成為全國沖擊地壓危害最嚴重的礦區之一，沖擊地壓被義煤公司列為首位礦井災害進行重點防治。

2 地質因素的沖擊地壓危險性指數判定

地質因素的沖擊地壓危險性指數判定法建立在綜合指數法的基礎上，分析義馬煤田沖擊地壓地質因素，確定主控地質因素，并綜合考慮每種地質因素對沖擊地壓的影響程度，結合以往所發生沖擊地壓事件區域的地質條件，分因素開展指標分級和賦值。評價模型中評價因素的種類和對應指數采用義馬煤田沖擊地壓主控地質因素和對應指數，并引入通過層次分析法(AHP)計算得到各地質因素的權重，對評價方法加以修正，得出針對義馬煤田地質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因素綜合指數；αi為第i個地質因素的權重；Wimax為第i個地質因素中的最大指數值；Wi為第i個地質因素的實際指數；n為地質因素的數目。

2.1 義馬煤田沖擊地壓主控地質因素

義馬煤田特殊的地質條件是其沖擊地壓多發的重要原因，通過分析義馬煤田各地質因素與沖擊地壓之間的關系，確定影響義馬煤田沖擊地壓的主要地質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(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造影響等8個[11-19]。義馬煤田沖擊地壓的發生是上述單一或多種地質因素綜合作用的結果。

2.2 義馬煤田沖擊地壓主控地質因素指標分級

通過研究義馬煤田沖擊地壓發生的地質因素，對各地質因素在沖擊地壓的發生中所起的作用有了初步的認識。根據各地質因素對義馬煤田沖擊地壓的影響程度，結合煤田內各地質因素屬性，對比分析已發生110余次沖擊事件區域的各地質因素參數，分別對各地質因素進行指標分級和賦值(表1)。

表1 地質因素的指數分級、賦值Tab.1 Index classification and assignment of geological factors

2.3 基于層次分析法的地質因素權重計算

層次分析法(AHP)是一種定性與定量相結合的多準則決策(評價)方法,是將半定性、半定量問題轉化為定量問題的有效途徑，在實際應用過程中，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，作為模型的目標層(A層次)；頂板屬性(B1)、構造屬性(B2)、埋深屬性(B3)和煤層屬性(B4)決定了沖擊地壓發生的可能性，但其影響方式還需通過與其相關的具體因素來體現，這是解決問題的中間環節，即模型的準則層(B層次)，各個具體的主控因素指標構成了本模型的決策層(C層次)，通過對該層次問題的決策，即可最終達到所要求解的目標[20](圖2)。

圖2 沖擊地壓危險性評價層次分析結構模型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因素充分認識，明確相對重要程度的基礎上，分層次構造判斷矩陣，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因素的權重值,具體如下：礫巖厚度0.246 2；馬凹組巖性0.084 1;沉降系數0.094 5；軟采比0.157 8；到F16斷層距離0.205 4；受開放型構造影響程度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及地質分區

以義馬煤田勘探鉆孔資料和采掘工作面揭露的地質資料為基礎，選取198個評價點，統計各個評價點的地質因素屬性。根據各地質因素屬性，對照表1對其進行指數分級和賦值。將各參數代入式(1)進行數學運算，計算出每個評價點的沖擊地壓危險性綜合指數Wt1，共計198個，對于空白區域采用插值法賦值，繪制義馬煤田地質因素的沖擊地壓危險性綜合指數等值線圖，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

認真對比分析地質因素的沖擊地壓危險性綜合指數Wt1與以往發生沖擊事件破壞程度、頻發區域之間的分布關系，最終將義馬煤田按沖擊危險性按綜合指數大小由弱到強依次劃分為4個等級，分別為：無沖擊危險區、弱沖擊危險區、中等沖擊危險區和強沖擊危險區(圖4)。綜合指數方面，<0.30無沖擊危險區；0.30～0.55弱沖擊危險區；0.55～0.80中等沖擊危險區；>0.80強沖擊危險區。

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

3 現場驗證

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

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

圖5 2014年8月以來所發生的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 結語

(1)借鑒綜合指數法，針對義馬煤田特殊的地質條件，建立了地質因素的沖擊地壓危險性綜合指數法評價模型，引入層次分析法(AHP)計算各地質因素權重對模型進行了優化，綜合分析已發生沖擊地壓事件數量和嚴重程度的區域分布特點，確定了義馬煤田地質因素的沖擊地壓危險性分級指標，將義馬煤田劃分為無沖擊危險區、弱沖擊危險區、中等沖擊危險區和強沖擊危險區。

(2)沖擊地壓的發生是地質因素與采礦因素綜合作用的結果。地質因素是形成沖擊地壓的內在的、本質的、控制性因素，是發生沖擊地壓的根本原因。不同煤田有不同的地質條件，針對煤田的地質條件建立針對性的沖擊地壓危險性評價模型，有利于準確評價沖擊地壓危險性，進行沖擊地壓危險性地質分區，并為結合采礦因素，進一步開展沖擊地壓危險性綜合性評價奠定基礎，為制定防沖措施提供科學依據。