斷裂構(gòu)造分形維數(shù)對沖擊地壓的控制及防治措施優(yōu)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(dòng)力災(zāi)害,具有復(fù)雜性、突發(fā)性等特點(diǎn)[1],對礦井的安全高效生產(chǎn)會構(gòu)成嚴(yán)重威脅。關(guān)于沖擊地壓的主要影響和控制因素,趙丞等通過采用現(xiàn)場調(diào)研、工程對比和現(xiàn)場監(jiān)測等方法研究后,認(rèn)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(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。尹萬蕾等[6]采用解析方法對沖擊地壓的發(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]通過理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合的方法,對沖擊地壓發(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、資料分析類比和現(xiàn)場測試等方法對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)境評價(jià)指標(biāo)的重要組成部分,對沖擊地壓的發(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)害防控措施的針對性采取。

針對耿村煤礦開采過程中多次發(fā)生沖擊地壓的情況,通過構(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)值模擬方法對煤體鉆孔卸壓和爆破卸壓方法效果進(jìn)行對比分析,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

耿村煤礦主要開采2～3煤層,現(xiàn)開采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)生可以說是現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的具體顯現(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)用于解決礦山開采工程出現(xiàn)的動(dòng)力災(zāi)害問題。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,對耿村井田的沖擊地壓地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行評價(jià)。區(qū)劃工作結(jié)束后,根據(jù)Ⅴ級區(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)作分形體來研究,以斷裂構(gòu)造的分形維度來對斷裂的空間規(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)法對耿村井田Ⅴ級斷裂圖進(jìn)行分形計(jì)算。通過不同邊長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,則研究對象為分形,該線性關(guān)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(wǎng)格進(jìn)行編號分區(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

對于每個(gè)分區(qū),分別以邊長10 cm(實(shí)際長度1 000 m)、5 cm(實(shí)際長度500 m)和2.5 cm(實(shí)際長度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)際測定結(jié)果,可將井田斷裂網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度劃分為簡單、中等、復(fù)雜3個(gè)級別,分維數(shù)分別以1.2和1.4作為分界值。耿村煤礦開采過程中發(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)算對沖擊地壓危險(xiǎn)性的預(yù)測結(jié)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(fā)生危險(xiǎn)。

1) 煤層鉆孔卸壓方法。回采期間,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(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(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(shí),可根據(jù)現(xiàn)場實(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

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) 耿村煤礦開采過程中發(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。