斷裂構造分形維數對沖擊地壓的控制及防治措施優化研究

錢紅亮

(河南大有能源股份有限公司 耿村煤礦,河南 三門峽 472431)

沖擊地壓是一種典型的礦井動力災害,具有復雜性、突發性等特點[1],對礦井的安全高效生產會構成嚴重威脅。關于沖擊地壓的主要影響和控制因素,趙丞等通過采用現場調研、工程對比和現場監測等方法研究后,認為支承壓力分布、工作面“見方”、過斷層和回采速度是沖擊地壓的主要影響因素[2]。邸帥等[3]通過采用數值模擬、工程經驗等方法研究后,認為頂板斷裂是深部工作面沖擊地壓發生的主控因素。王明強等[4]采用層次分析法對唐山礦沖擊地壓的主要因素進行了研究,認為水平應力、地質構造、工作面布置和推進速度是沖擊地壓發生的主控因素。李忠華等[5]認為保護煤柱寬度是斷層型沖擊地壓的主要影響因素。尹萬蕾等[6]采用解析方法對沖擊地壓的發生條件進行了研究,認為煤的模量比、煤層瓦斯孔隙壓力、內摩擦角和支護應力是高瓦斯煤層沖擊地壓的主要影響因素。狄春杰[7]通過理論分析、實驗研究、數值模擬以及現場實踐相結合的方法,對沖擊地壓發生的影響因素和防范技術措施進行研究,認為開采深度、頂板活動、煤層厚度變化和瓦斯因素是沖擊地壓發生的主要影響因素。王鐵林[8]綜合采用理論分析、資料分析類比和現場測試等方法對沖擊地壓的影響因素進行了分析,認為頂板穩定性差和煤柱失穩是沖擊地壓發生的主要影響因素。

地質動力區劃的觀點認為,地質動力環境是沖擊地壓等礦井動力災害發生的必要條件[9]。而構造條件是地質動力環境評價指標的重要組成部分,對沖擊地壓的發生起到控制作用[10-11]。由于井田范圍內的煤巖體往往具有非均質性、不連續性和各向異性等特點,因此,在同一外部地質體的作用下,在活動斷裂等地質構造的影響和控制下,井田應力場在時間和空間上往往具有多樣性,具有不同的分布格局,因此應充分考慮地質構造的影響和控制作用,指導巷道支護和動力災害防控措施的針對性采取。

針對耿村煤礦開采過程中多次發生沖擊地壓的情況,通過構建相應的地質構造模型,分析斷裂構造的分形維數對耿村煤礦沖擊地壓的影響和控制作用。采用FLAC3D和Midas GTS NX數值模擬方法對煤體鉆孔卸壓和爆破卸壓方法效果進行對比分析,并進行解危參數優化。為礦井接續工作面的開采和巷道支護設計提供參考。

1 礦井概況及地質構造模型構建

1.1 礦井概況

耿村煤礦主要開采2～3煤層,現開采13采區,煤層平均厚度為19.3 m,煤層破碎松軟,煤層結構較為復雜。采用走向長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采區的相對位置關系如圖1所示。

圖1 F16斷層與耿村井田13采區的相對位置關系

據統計,耿村煤礦歷史發生沖擊地壓(包括沖擊地壓臨界能量以上的大能量微震事件)34次,巷道瞬間發生破壞,底板鼓起,兩幫收縮等,嚴重威脅礦井的安全生產。

1.2 地質構造模型構建

耿村井田隸屬于義馬煤田,義馬煤田的大地構造位置位于華北板塊南緣秦嶺造山帶的北側。華北板塊南緣中生代以來經歷了強烈的構造擠壓作用,形成了復雜逆沖推覆構造體系,處于此構造板塊中的礦井,必然會受到板塊構造運動的影響。沖擊地壓等礦井動力災害的發生可以說是現代構造運動和現代構造應力場的具體顯現[12]。由于板塊研究的尺度標準和空間范圍較大,目前尚不能直接應用于解決礦山開采工程出現的動力災害問題。地質動力區劃理論[13-19]的提出,建立了將板塊構造的研究成果應用于礦井動力災害評價的途徑。將研究范圍劃定至井田尺度上,建立了現代構造運動與工程應用之間的聯系[20]。

采用地質動力區劃方法劃分了耿村井田內的斷裂構造,對耿村井田的沖擊地壓地質動力環境進行評價。區劃工作結束后,根據Ⅴ級區劃圖確定的斷塊構造邊界,建立耿村井田地質構造模型,為井田斷裂構造的分形特征分析奠定了基礎。建立了沖擊地壓點與斷裂構造的聯系,如圖2示。如圖可知,發生在耿村井田內的沖擊地壓全部位于區劃斷裂的附近,受斷裂的控制作用顯著。

圖2 沖擊地壓點與斷裂構造的聯系

2 斷裂構造的分形特征及對沖擊地壓的控制作用分析

斷裂構造系統在空間上通常具有自相似性,因此可將斷裂構造當作分形體來研究,以斷裂構造的分形維度來對斷裂的空間規模和發育程度進行定量描述[21]。分維值高的區域,往往是斷裂發育的區域,一般斷裂交叉點多,斷裂的規模也大,不利于礦井安全開采。在礦震和巖爆(沖擊地壓)發生前,微震活動通常均勻地分布在高應力區,這時分形維數值較高[22]。

采用計盒維數法對耿村井田Ⅴ級斷裂圖進行分形計算。通過不同邊長r(r=L,L/2,L/4,L/8…,首項為正數、公比=0.5的等比數列)的正方形格子覆蓋研究區,統計覆蓋到斷裂的網格數N(r)。若N(r)與r滿足如下冪定律關系(式1),則研究對象具有分形特征。

N(r)=C·r-D

(1)

式中:C、D為常數。

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

lnN(r)=-Dlnr+lnC

(2)

以耿村煤礦Ⅴ級斷裂圖作為底圖,將邊長r為10 cm的二維正交網格進行編號分區,分區結果如圖3所示。

圖3 耿村煤礦斷裂構造分區圖

對于每個分區,分別以邊長10 cm(實際長度1 000 m)、5 cm(實際長度500 m)和2.5 cm(實際長度250 m)的二維正交網格覆蓋,統計分區覆蓋到斷裂的網格數N(r)。分別繪制不同分區斷裂構造的回歸擬合等直線,得到分區斷裂構造的分維值,如圖4和圖5所示。

圖4 耿村煤礦斷裂構造分維值等值線圖

圖5 耿村煤礦斷裂構造分形維數分區圖

根據耿村井田分維值的實際測定結果,可將井田斷裂網絡復雜程度劃分為簡單、中等、復雜3個級別,分維數分別以1.2和1.4作為分界值。耿村煤礦開采過程中發生的34次沖擊地壓(大能量微震)事件中,10次位于斷裂構造復雜區域,分維值為1.4～1.6,占比29.41%;10次位于斷裂構造中等區域,分維值為1.2～1.4,占比29.41%;14次位于斷裂構造簡單區域,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造復雜區域和斷裂構造中等區域,表明耿村煤礦沖擊地壓(大能量微震)事件次數與分維值正相關,斷裂構造分形維數對礦井沖擊地壓具有控制作用。

3 解危措施效果分析與參數優化

3.1 耿村煤礦主要解危措施參數介紹

根據井田巖體應力計算對沖擊地壓危險性的預測結果,耿村煤礦針對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,降低沖擊地壓發生危險。

1) 煤層鉆孔卸壓方法。回采期間,超前工作面300 m,分別在運輸巷和回風巷靠近煤壁側施工卸壓鉆孔。鉆孔布置參數:鉆孔孔徑125 mm,鉆孔間距1 m,鉆孔深度30 m,鉆孔開口角度3°～5°,鉆孔開口位置距巷道底板0.5～1.5 m,孔口用黃泥封孔。以運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。根據沖擊危險性預測結果,在巖體應力計算的高應力區、應力梯度區和應力集中區,定期進行煤層爆破卸壓。鉆孔布置參數:孔徑75 mm,孔深20 m,孔間距5 m,鉆孔開口角度13°～15°.為控制爆破當量,每次最多允爆4個孔。采用煤礦許用三級乳化炸藥,每孔裝藥10 kg,裝藥長度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行卸壓。上巷卸壓鉆孔布置參數: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:對上下幫施工卸壓鉆孔,上幫相鄰孔間距1 m,鉆孔深度30 m,鉆孔開口角度13°～18°,下幫相鄰孔間距1 m,鉆孔深度30 m,鉆孔開口角度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,可根據現場實際、施工條件可適當進行調整施工參數。應用FLAC3D數值模擬方法對耿村煤礦應用的鉆孔卸壓效果進行分析,當鉆孔直徑為125 mm,鉆孔間距為1 m時,設定鉆孔間距為2 m的對比方案,分別模擬高應力區(應力峰值21 MPa)條件下,孔間距為1 m和2 m時卸壓后圍巖應力的分布規律,模擬結果分別如圖9和圖10所示。

圖9 鉆孔間距為1 m時的卸壓效果

圖10 鉆孔間距為2 m時的卸壓效果

結果表明,當鉆孔間距為至1 m時,相鄰鉆孔之間卸壓區可相互疊加,在卸壓鉆孔周邊1.5 m范圍形成了條狀卸壓帶,在高應力區應力峰值21 MPa區域,鉆孔卸壓后應力降低為12～17 MPa,降低幅度19.1%～42.8%,卸壓效果明顯;當孔間距2 m時,各個鉆孔形成的卸壓區相互獨立,鉆孔之間存在范圍0.5～1.0 m的未卸壓區域,卸壓效果相對不明顯。模擬結果表明耿村煤礦目前采用的鉆孔卸壓方法和參數合理。

3.3 爆破卸壓效果分析與參數優化

采用Midas GTS NX數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、連續裝藥方式。設定鉆孔間距為8 m的對比方案,分別模擬孔間距為5 m和8 m時爆破卸壓后圍巖應力的分布規律。模擬結果分別如圖11、圖12和表1所示。

表1 爆破后卸壓效果參數

圖11 鉆孔間距為5 m時的爆破卸壓效果

圖12 鉆孔間距為8 m時的爆破卸壓效果

模擬結果表明,當炮孔間距為5 m和8 m時均可以對煤體形成卸壓效果顯著的卸壓帶,炮孔間距為5 m時,應力降低幅度為8%～70%;炮孔間距為8 m時,應力降低幅度為6.6%～62%.由此判斷炮孔間距5 m和8 m時均可起到有效的卸壓效果。根據以上參數,結合巖體應力劃分結果,可在低應力區采用炮孔間距為8 m的爆破卸壓措施,降低施工成本;在其他應力區域,繼續采用炮孔間距為5 m的爆破卸壓措施。

4 結 語

1) 華北板塊南緣經歷了強烈的構造擠壓作用,形成了復雜逆沖推覆構造體系,這是義馬礦區易產生沖擊地壓等礦井動力災害的地質構造背景條件。

2) 耿村煤礦開采過程中發生的沖擊地壓(大能量微震)事件中,29.41%位于斷裂構造復雜區域,29.41%位于斷裂構造中等區域,41.18%位于斷裂構造簡單區域。表明沖擊地壓(大能量微震)事件大多位于斷裂構造復雜區域和斷裂構造中等區域,耿村煤礦沖擊地壓(大能量微震)事件發生次數與分維值呈正相關,斷裂構造分形維數對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合理,卸壓效果明顯。鉆孔卸壓后煤巖體應力降低幅度為19.1%～42.8%;采用爆破卸壓時,當炮孔間距為5 m和8 m時均可以對煤體形成卸壓效果顯著的卸壓。當炮孔間距為5 m時,應力降低幅度為8%～70%,炮孔間距為8 m時,應力降低幅度為6.6%～62%.建議在低應力區采用炮孔間距為8 m的爆破卸壓措施,降低施工成本,在其他應力區域,繼續采用炮孔間距為5 m的爆破卸壓措施。