断裂构造分形维数对冲击地压的控制及防治措施优化研究

钱红亮

(河南大有能源股份有限公司 耿村煤矿,河南 三门峡 472431)

冲击地压是一种典型的矿井动力灾害,具有复杂性、突发性等特点[1],对矿井的安全高效生产会构成严重威胁。关于冲击地压的主要影响和控制因素,赵丞等通过采用现场调研、工程对比和现场监测等方法研究后,认为支承压力分布、工作面“见方”、过断层和回采速度是冲击地压的主要影响因素[2]。邸帅等[3]通过采用数值模拟、工程经验等方法研究后,认为顶板断裂是深部工作面冲击地压发生的主控因素。王明强等[4]采用层次分析法对唐山矿冲击地压的主要因素进行了研究,认为水平应力、地质构造、工作面布置和推进速度是冲击地压发生的主控因素。李忠华等[5]认为保护煤柱宽度是断层型冲击地压的主要影响因素。尹万蕾等[6]采用解析方法对冲击地压的发生条件进行了研究,认为煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、内摩擦角和支护应力是高瓦斯煤层冲击地压的主要影响因素。狄春杰[7]通过理论分析、实验研究、数值模拟以及现场实践相结合的方法,对冲击地压发生的影响因素和防范技术措施进行研究,认为开采深度、顶板活动、煤层厚度变化和瓦斯因素是冲击地压发生的主要影响因素。王铁林[8]综合采用理论分析、资料分析类比和现场测试等方法对冲击地压的影响因素进行了分析,认为顶板稳定性差和煤柱失稳是冲击地压发生的主要影响因素。

地质动力区划的观点认为,地质动力环境是冲击地压等矿井动力灾害发生的必要条件[9]。而构造条件是地质动力环境评价指标的重要组成部分,对冲击地压的发生起到控制作用[10-11]。由于井田范围内的煤岩体往往具有非均质性、不连续性和各向异性等特点,因此,在同一外部地质体的作用下,在活动断裂等地质构造的影响和控制下,井田应力场在时间和空间上往往具有多样性,具有不同的分布格局,因此应充分考虑地质构造的影响和控制作用,指导巷道支护和动力灾害防控措施的针对性采取。

针对耿村煤矿开采过程中多次发生冲击地压的情况,通过构建相应的地质构造模型,分析断裂构造的分形维数对耿村煤矿冲击地压的影响和控制作用。采用FLAC3D和Midas GTS NX数值模拟方法对煤体钻孔卸压和爆破卸压方法效果进行对比分析,并进行解危参数优化。为矿井接续工作面的开采和巷道支护设计提供参考。

1 矿井概况及地质构造模型构建

1.1 矿井概况

耿村煤矿主要开采2～3煤层,现开采13采区,煤层平均厚度为19.3 m,煤层破碎松软,煤层结构较为复杂。采用走向长壁后退式采煤方法和综采放顶煤工艺,采用全部垮落法管理顶板。F16断层与耿村井田13采区的相对位置关系如图1所示。

图1 F16断层与耿村井田13采区的相对位置关系

据统计,耿村煤矿历史发生冲击地压(包括冲击地压临界能量以上的大能量微震事件)34次,巷道瞬间发生破坏,底板鼓起,两帮收缩等,严重威胁矿井的安全生产。

1.2 地质构造模型构建

耿村井田隶属于义马煤田,义马煤田的大地构造位置位于华北板块南缘秦岭造山带的北侧。华北板块南缘中生代以来经历了强烈的构造挤压作用,形成了复杂逆冲推覆构造体系,处于此构造板块中的矿井,必然会受到板块构造运动的影响。冲击地压等矿井动力灾害的发生可以说是现代构造运动和现代构造应力场的具体显现[12]。由于板块研究的尺度标准和空间范围较大,目前尚不能直接应用于解决矿山开采工程出现的动力灾害问题。地质动力区划理论[13-19]的提出,建立了将板块构造的研究成果应用于矿井动力灾害评价的途径。将研究范围划定至井田尺度上,建立了现代构造运动与工程应用之间的联系[20]。

采用地质动力区划方法划分了耿村井田内的断裂构造,对耿村井田的冲击地压地质动力环境进行评价。区划工作结束后,根据Ⅴ级区划图确定的断块构造边界,建立耿村井田地质构造模型,为井田断裂构造的分形特征分析奠定了基础。建立了冲击地压点与断裂构造的联系,如图2示。如图可知,发生在耿村井田内的冲击地压全部位于区划断裂的附近,受断裂的控制作用显著。

图2 冲击地压点与断裂构造的联系

2 断裂构造的分形特征及对冲击地压的控制作用分析

断裂构造系统在空间上通常具有自相似性,因此可将断裂构造当作分形体来研究,以断裂构造的分形维度来对断裂的空间规模和发育程度进行定量描述[21]。分维值高的区域,往往是断裂发育的区域,一般断裂交叉点多,断裂的规模也大,不利于矿井安全开采。在矿震和岩爆(冲击地压)发生前,微震活动通常均匀地分布在高应力区,这时分形维数值较高[22]。

采用计盒维数法对耿村井田Ⅴ级断裂图进行分形计算。通过不同边长r(r=L,L/2,L/4,L/8…,首项为正数、公比=0.5的等比数列)的正方形格子覆盖研究区,统计覆盖到断裂的网格数N(r)。若N(r)与r满足如下幂定律关系(式1),则研究对象具有分形特征。

N(r)=C·r-D

(1)

式中:C、D为常数。

将式(1)两边分别取对数得式(2),由式(2)可知,若lnN(r)与lnr为线性关系,则研究对象为分形,该线性关系式斜率的绝对值即为分维值D.

lnN(r)=-Dlnr+lnC

(2)

以耿村煤矿Ⅴ级断裂图作为底图,将边长r为10 cm的二维正交网格进行编号分区,分区结果如图3所示。

图3 耿村煤矿断裂构造分区图

对于每个分区,分别以边长10 cm(实际长度1 000 m)、5 cm(实际长度500 m)和2.5 cm(实际长度250 m)的二维正交网格覆盖,统计分区覆盖到断裂的网格数N(r)。分别绘制不同分区断裂构造的回归拟合等直线,得到分区断裂构造的分维值,如图4和图5所示。

图4 耿村煤矿断裂构造分维值等值线图

图5 耿村煤矿断裂构造分形维数分区图

根据耿村井田分维值的实际测定结果,可将井田断裂网络复杂程度划分为简单、中等、复杂3个级别,分维数分别以1.2和1.4作为分界值。耿村煤矿开采过程中发生的34次冲击地压(大能量微震)事件中,10次位于断裂构造复杂区域,分维值为1.4～1.6,占比29.41%;10次位于断裂构造中等区域,分维值为1.2～1.4,占比29.41%;14次位于断裂构造简单区域,分维值为1.0～1.2,占比41.18%.由此表明,冲击地压(大能量微震)事件大多位于断裂构造复杂区域和断裂构造中等区域,表明耿村煤矿冲击地压(大能量微震)事件次数与分维值正相关,断裂构造分形维数对矿井冲击地压具有控制作用。

3 解危措施效果分析与参数优化

3.1 耿村煤矿主要解危措施参数介绍

根据井田岩体应力计算对冲击地压危险性的预测结果,耿村煤矿针对性采用了以煤层钻孔卸压和煤层爆破卸压为主的防治措施,降低冲击地压发生危险。

1) 煤层钻孔卸压方法。回采期间,超前工作面300 m,分别在运输巷和回风巷靠近煤壁侧施工卸压钻孔。钻孔布置参数:钻孔孔径125 mm,钻孔间距1 m,钻孔深度30 m,钻孔开口角度3°～5°,钻孔开口位置距巷道底板0.5～1.5 m,孔口用黄泥封孔。以运输巷卸压钻孔布置为例,钻孔布置平面、剖面图,如图6和图7所示。

图6 钻孔布置平面图

图7 钻孔布置剖面图

2) 煤层爆破卸压方法。根据冲击危险性预测结果,在岩体应力计算的高应力区、应力梯度区和应力集中区,定期进行煤层爆破卸压。钻孔布置参数:孔径75 mm,孔深20 m,孔间距5 m,钻孔开口角度13°～15°.为控制爆破当量,每次最多允爆4个孔。采用煤矿许用三级乳化炸药,每孔装药10 kg,装药长度3.5 m,封孔采用水炮泥+黄土炮泥封孔。爆破装药示意如图8所示。

图8 爆破装药示意

3.2 钻孔卸压效果分析

通常情况下,钻孔卸压的孔径越大,孔间距越小,卸压效果越好。当钻孔直径一定的情况下,孔间距直接影响到卸压效果。13200工作面回采期间,在工作面超前300 m上巷下帮,下巷上下帮施工卸压钻孔进行卸压。上巷卸压钻孔布置参数:下帮施工卸压钻孔,钻孔孔径125 mm、钻孔间距1 m、钻孔深度30 m、钻孔角度3°～5°;下巷卸压钻孔布置参数:对上下帮施工卸压钻孔,上帮相邻孔间距1 m,钻孔深度30 m,钻孔开口角度13°～18°,下帮相邻孔间距1 m,钻孔深度30 m,钻孔开口角度3°～5°;卸压钻孔垂直于巷帮煤墙施工,钻孔直径≥125 mm,钻孔开口位置距巷道底板0.5～1.5 m,孔口用黄泥封孔。卸压钻孔施工时,可根据现场实际、施工条件可适当进行调整施工参数。应用FLAC3D数值模拟方法对耿村煤矿应用的钻孔卸压效果进行分析,当钻孔直径为125 mm,钻孔间距为1 m时,设定钻孔间距为2 m的对比方案,分别模拟高应力区(应力峰值21 MPa)条件下,孔间距为1 m和2 m时卸压后围岩应力的分布规律,模拟结果分别如图9和图10所示。

图9 钻孔间距为1 m时的卸压效果

图10 钻孔间距为2 m时的卸压效果

结果表明,当钻孔间距为至1 m时,相邻钻孔之间卸压区可相互叠加,在卸压钻孔周边1.5 m范围形成了条状卸压带,在高应力区应力峰值21 MPa区域,钻孔卸压后应力降低为12～17 MPa,降低幅度19.1%～42.8%,卸压效果明显;当孔间距2 m时,各个钻孔形成的卸压区相互独立,钻孔之间存在范围0.5～1.0 m的未卸压区域,卸压效果相对不明显。模拟结果表明耿村煤矿目前采用的钻孔卸压方法和参数合理。

3.3 爆破卸压效果分析与参数优化

采用Midas GTS NX数值模拟方法建立煤体爆破卸压模型,模型尺寸为30 m×30 m×5 m.炮孔布置方向与巷道走向方向垂直,单排布置,炮孔采用集中、连续装药方式。设定钻孔间距为8 m的对比方案,分别模拟孔间距为5 m和8 m时爆破卸压后围岩应力的分布规律。模拟结果分别如图11、图12和表1所示。

表1 爆破后卸压效果参数

图11 钻孔间距为5 m时的爆破卸压效果

图12 钻孔间距为8 m时的爆破卸压效果

模拟结果表明,当炮孔间距为5 m和8 m时均可以对煤体形成卸压效果显著的卸压带,炮孔间距为5 m时,应力降低幅度为8%～70%;炮孔间距为8 m时,应力降低幅度为6.6%～62%.由此判断炮孔间距5 m和8 m时均可起到有效的卸压效果。根据以上参数,结合岩体应力划分结果,可在低应力区采用炮孔间距为8 m的爆破卸压措施,降低施工成本;在其他应力区域,继续采用炮孔间距为5 m的爆破卸压措施。

4 结 语

1) 华北板块南缘经历了强烈的构造挤压作用,形成了复杂逆冲推覆构造体系,这是义马矿区易产生冲击地压等矿井动力灾害的地质构造背景条件。

2) 耿村煤矿开采过程中发生的冲击地压(大能量微震)事件中,29.41%位于断裂构造复杂区域,29.41%位于断裂构造中等区域,41.18%位于断裂构造简单区域。表明冲击地压(大能量微震)事件大多位于断裂构造复杂区域和断裂构造中等区域,耿村煤矿冲击地压(大能量微震)事件发生次数与分维值呈正相关,断裂构造分形维数对矿井冲击地压具有控制作用。

3) 耿村煤矿目前采用的钻孔卸压方法和爆破卸压方法的参数合理,卸压效果明显。钻孔卸压后煤岩体应力降低幅度为19.1%～42.8%;采用爆破卸压时,当炮孔间距为5 m和8 m时均可以对煤体形成卸压效果显著的卸压。当炮孔间距为5 m时,应力降低幅度为8%～70%,炮孔间距为8 m时,应力降低幅度为6.6%～62%.建议在低应力区采用炮孔间距为8 m的爆破卸压措施,降低施工成本,在其他应力区域,继续采用炮孔间距为5 m的爆破卸压措施。