卜昌森

（山東能源集團有限公司，山東省濟南市，250061）

礦井?dāng)嗔褬?gòu)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(gòu)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(fēng)險劃分的方法。通過現(xiàn)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(jīng)濟效益。

斷裂構(gòu)造 影響因子 底板突水

礦井突水一直是制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素之一，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，礦井突涌水水害造成的人員財產(chǎn)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(zhì)構(gòu)造（主要是斷裂構(gòu)造）對煤層底板突水的控制作用尤為突出，且與斷裂構(gòu)造相關(guān)的突水事故約占總數(shù)的90%。因此，斷裂構(gòu)造定量評價研究一直是地質(zhì)界和采礦界的重要課題之一。

礦井?dāng)嗔褬?gòu)造定量評價是在構(gòu)造規(guī)律研究基礎(chǔ)上，選取合適的定量指標(biāo)，采用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，對礦井不同區(qū)段的構(gòu)造復(fù)雜程度作出定量化的評判，并劃分出相應(yīng)的構(gòu)造等級。常用的有構(gòu)造指數(shù)法、構(gòu)造等性塊段法和構(gòu)造分形法等，然而這類方法的評價指標(biāo)較少，在指標(biāo)的賦值和塊段的選取方面帶有較大的人為性和經(jīng)驗性，其評價精度有限。本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了斷層影響因子概念及煤層底板突水風(fēng)險劃分方法，為定量評價斷裂構(gòu)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(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，斷裂構(gòu)造交會點、尖滅點特征及斷層規(guī)模參數(shù)（落差、延展長度）是突涌水災(zāi)害的主控因素。因此對礦井?dāng)嗔褬?gòu)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(nèi)斷層規(guī)模指數(shù)與斷裂構(gòu)造交會點和尖滅點歸一化之和，其中斷層規(guī)模指數(shù)是單位面積內(nèi)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(nèi)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(nèi)的斷層條數(shù)；

M——構(gòu)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(gòu)造交會點、尖滅點及斷層規(guī)模等因素，能綜合有效地反映斷裂構(gòu)造的發(fā)育特征及復(fù)雜程度。通過對斷層影響因子的分析，能夠系統(tǒng)地定量闡述其對煤層底板突水災(zāi)害發(fā)生的作用機制，即斷層影響因子越大表明斷層的規(guī)模越大、發(fā)育程度越好，采掘工程的揭露和擾動影響下發(fā)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(qū)域進行單元網(wǎng)格化，提取網(wǎng)格的中心點坐標(biāo)；

（2）逐步統(tǒng)計單元網(wǎng)格內(nèi)各個斷層的落差與對應(yīng)的走向長度，計算其斷層的規(guī)模指數(shù)。

（3）統(tǒng)計單元網(wǎng)格內(nèi)斷裂構(gòu)造的交會點和尖滅點，實施數(shù)據(jù)歸一化后，同斷層規(guī)模指數(shù)相疊加，依據(jù)公式（1）。

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

3 工程應(yīng)用研究

3.1 工程概況

盛泉煤礦位于泰沂山區(qū)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(tài)為一向南傾伏的寬緩背斜構(gòu)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(nèi)斷裂構(gòu)造甚為發(fā)育，將背斜切割成許多大小不等的斷塊，盛泉井田構(gòu)造見圖1。同時，煤礦內(nèi)存在多個充水含水層，在被斷裂構(gòu)造切割后形成突水水源與通道，對礦區(qū)安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。為查明井田內(nèi)各處受斷裂構(gòu)造控制的突水風(fēng)險大小，采用斷層影響因子方法進行突水風(fēng)險評價，實現(xiàn)了規(guī)避突水風(fēng)險和礦井安全生產(chǎn)。

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(qū)域內(nèi)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(yīng)用SURFER軟件進行樣條插值，繪制盛泉煤礦11＃煤層影響區(qū)域內(nèi)的斷裂構(gòu)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(guī)律劃分為3個區(qū)域。同時，依據(jù)盛泉礦井揭露的水文地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)，確定各個區(qū)域斷層影響因子取值范圍。

3.3 突水風(fēng)險區(qū)域定量劃分

按照突水風(fēng)險由小到大，依據(jù)斷層影響因子將3個區(qū)域劃分突水風(fēng)險程度，見圖2。

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

（2）Ⅱ區(qū)（0.4＜E＜0.8）：井田東北部和中南部地區(qū)，該區(qū)域小斷層發(fā)育，偶爾可見大斷層，斷裂構(gòu)造交會點和尖滅點數(shù)量一般，斷層影響因子值居中；斷層規(guī)模和發(fā)育程度中等，構(gòu)造復(fù)雜程度中等，有發(fā)生突水的可能，施工采掘過程中應(yīng)當(dāng)加強探查。

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

3.4 高風(fēng)險區(qū)域斷層發(fā)育調(diào)查

在突水高風(fēng)險區(qū)域內(nèi)，對區(qū)域內(nèi)發(fā)育的斷層展開統(tǒng)計調(diào)查是必不可少的工作，統(tǒng)計數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)包括斷裂產(chǎn)狀、規(guī)模、落差等斷裂發(fā)育的主控因素，以及斷裂導(dǎo)水性及斷裂間交錯形態(tài)。結(jié)合圖1，對高風(fēng)險區(qū)域內(nèi)的斷裂構(gòu)造調(diào)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(fā)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(qū)域斷裂構(gòu)造交會點和尖滅點發(fā)育較多，巖體比較破碎，斷層規(guī)模和發(fā)育程度較大，斷層影響因子值較大，發(fā)生突水的可能性很大。但是根據(jù)鉆孔及實際揭露證實F2斷層其含水性、導(dǎo)水性及水力聯(lián)系均較弱，F(xiàn)12斷層由于井田內(nèi)為上升盤，不受斷層水害威脅，故沒有發(fā)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(guī)模和發(fā)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(dǎo)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，F(xiàn)16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(qū)域斷層的規(guī)模較大，發(fā)育程度好，斷層影響因子較大，發(fā)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(qū)均已開采完畢，現(xiàn)已無采掘工程，因此，此斷層對礦井生產(chǎn)無水害威脅。

4 突水高風(fēng)險區(qū)域采掘?qū)Σ?/h2>

針對突水高風(fēng)險區(qū)域進行采掘施工時，應(yīng)當(dāng)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(dāng)掘進面前方可能存在斷裂導(dǎo)（含）水構(gòu)造時，必須進行超前探測，并依據(jù)探查情況制定相應(yīng)的施工措施。確定前方安全無突水風(fēng)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(jié)合能夠有效對采掘工作面前方的斷裂構(gòu)造從空間位置、發(fā)育規(guī)模、導(dǎo)水性質(zhì)等方面進行把握。在物探發(fā)現(xiàn)有不良地質(zhì)體后，必須經(jīng)過鉆探驗證后，方可采取相應(yīng)措施。

（3）堵排結(jié)合，超前治理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方存在斷裂構(gòu)造后，應(yīng)當(dāng)就斷裂構(gòu)造的導(dǎo)水性進行論證，當(dāng)斷裂構(gòu)造導(dǎo)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(dāng)發(fā)現(xiàn)前方斷裂構(gòu)造導(dǎo)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(zāi)害防治中要盡量避免將“靜水變動水”，導(dǎo)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(dǎo)水性差的斷裂構(gòu)造在施工擾動下可能導(dǎo)致導(dǎo)水能力上升，從而發(fā)生突涌水災(zāi)害。減小施工擾動的同時，應(yīng)當(dāng)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(huán)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(jié)論

（1）提出了斷層影響因子概念，建立了斷層影響因子的數(shù)學(xué)表達形式。

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

（3）系統(tǒng)研究了盛泉煤田斷層性質(zhì)，并對各區(qū)域突水風(fēng)險進行了分析。

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

［1］ 李新鳳.砂巖含水層富水性預(yù)測及水害危險性評價研究［D］.青島：山東科技大學(xué)，2010

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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(xué)博士，工程應(yīng)用研究員，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任山東能源集團有限公司董事長、總經(jīng)理，主要研究方向為煤田地質(zhì)、安全工程及水害防治。

（責(zé)任編輯 張毅玲）