平頂山礦區深部礦井動力災害預測方法與應用

張建國，蘭天偉，王 滿，高明忠，榮 海

(1.煉焦煤資源開發及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467000; 2.中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司，河南 平頂山 476000;3.深圳大學 深地科學與綠色能源研究院，廣東 深圳 518060; 4.遼寧工程技術大學 礦業學院，遼寧 阜新 123000)

煤與瓦斯突出、沖擊地壓礦井動力災害在我國發生的頻次和強度均較高。隨著國家對煤炭資源的持續需求，更多的礦井將步入深部開采階段。深部開采成為很多煤礦必須面臨的問題。平頂山礦區八礦、十礦、十二礦、十三礦等礦井相繼進入了深部開采階段，目前部分礦井開采深度已超過1 000 m，并以每年10～30 m的速度向深部延伸，其中平煤十二礦采深達1 100 m以上。進入深部開采階段的煤巖體，將承受更為復雜的應力和能量的影響，在特定工程的誘發下，礦井動力災害發生的機理將更為復雜，這也給動力災害的防治工作帶來更大的困難。

潘一山對沖擊地壓、煤與瓦斯突出復合動力災害一體化機理進行研究，建立統一失穩判別準則，提出復合動力災害一體化分類分級預測技術和防治技術[1]。于不凡通過對國內外煤和瓦斯突出事例的統計分析，指出煤與瓦斯突出在井田中不是均勻分布的，即區域性分布，從而提出高地應力是發生煤和瓦斯突出的第一個必要條件[2]。張宏偉通過地質動力區劃方法，對區域構造形式進行了分析，基于斷裂活動性和巖體應力狀態等因素，提出了新的煤與瓦斯突出預測方法[3]。韓軍等基于煤與瓦斯突出區域的地貌特征，提出了新的概念“構造凹地”，構造凹地具有較高的水平構造應力，且水平差應力顯著[4]。尹光志等在實驗室進行了在軸壓和圍壓固定的情況下，突出煤樣瓦斯的滲透速度與瓦斯壓力的大小呈冪指數正相關。隨著瓦斯壓力的增加，突出煤樣兩端的瓦斯壓力梯度增大率會逐漸減小，最終趨近于0[5]。程遠平等通過對地應力與瓦斯賦存運移規律的研究，提出地應力在突出災害中起主導控制作用，是煤體破壞的主要動力，也是高壓瓦斯存在的前提[6]。姜福興等對沖擊地壓各監測參量之間的關系進行研究，運用大數據分析方法和云平臺技術，開發了一種多參量聯合監測的沖擊地壓監控預警平臺，并應用于多個礦井中[7]。齊黎明等認為容易發生煤與瓦斯突出的區域集中在煤層賦存的突變區，斷層與褶曲、煤厚和傾角突變區是常見的煤層賦存突變區[8]。張曉東和張子成采用數學方法，將影響突出的構造因素定量化，并對構造復雜程度系數計算公式作了改進和簡化;提出了確定復雜程度突出臨界值的原則，并結合井田突出實際，劃定了構造復雜程度系數的突出臨界值，將其作為一項判斷突出的依據[9]。王振通過對非典型動力災害煤層原煤樣瓦斯的解吸附和滲流特性的研究，分析了不同開采條件下應力、瓦斯和溫度對災害發生的控制作用進行分析[10]。王桂峰等對沖擊地壓的不穩定能量觸發機制進行研究，通過理論分析和現場實測微震活動與沖擊地壓之間的時空內在聯系，得出了動力災變的能量觸發條件[11]。但以上學者的研究成果均是從高應力、高瓦斯壓力等角度考慮，沒有從大范圍、多角度綜合考慮礦井動力災害的分類和分級。

筆者在分析礦區自然地質條件的前提下，以平頂山礦區為研究目標，基于最大主應力、應力梯度等因素對礦區動力災害發生的潛在危險進行了預測劃分，以動力災害一級預測結果為研究基礎，補充考慮開采活動等作用的影響，進行動力災害二級預測，明確目標煤層、目標采區動力災害發生的模式。在前期利用地質動力區劃方法劃分Ⅰ～Ⅴ級活動構造的研究基礎上，進一步對八礦、十礦和十二礦規劃區域劃分Ⅵ級斷裂構造，確定構造的分布特征和相互作用關系，建立相應的空間信息分析系統，評估活動構造的活動規律及分布特點，分析對礦井動力災害發生的影響。

1 礦井動力災害一級預測原理

1.1 礦井動力災害一級預測的原理與方法

礦井動力災害主要從3個方面開展預測工作:① 自然地質動力條件分析;② 一級預測;③ 二級預測。礦區自然地質動力條件分析從構造形式、構造運動、天然地震、地應力等自然地質條件對礦區災害背景進行了宏觀分析，實現對礦區構造環境、應力環境和能量環境的初步評價。據此可以判定礦區是否具備礦井動力災害發生的動力條件和能量基礎。

礦井動力災害一級預測基于自然地質條件，劃分煤層動力災害發生危險，為監測預警提供依據，適用于全礦井范圍，而二級預測則適用于局部區域。開展一級預測前，需要對自然地質條件中的構造特征及應力場演化、地形曲率、天然地震、突出能量特征等煤與瓦斯突出構成影響的地質類因素進行分析。

1.2 平頂山礦區構造特征及應力場演化

平頂山礦區動力災害的發生受到逆沖推覆構造帶的控制作用，主要表現為以下2個方面:① 構造帶具有強烈的擠壓作用，在擠壓力的作用下，煤層的孔隙率有所降低，封存瓦斯的能力得到了增強;② 在擠壓力的作用下，局部區域的煤巖體出現了應力集中和能量積聚。平頂山礦區位于華北聚煤區南緣逆沖推覆構造帶的東北緣，當積聚的能量到達臨界條件時，收到采掘工程的擾動，能量在煤巖體的弱面得到釋放，進而形成了煤與瓦斯突出。

通過對礦區的構造特征和應力場的演化進行分析，平頂山礦區地質構造主要以NW向和NE向為主進行展布，在NW向主要受到擠壓與剪切作用，在NE向主要受到拉張與剪切作用。平頂山東部礦區的八礦、十礦、十二礦等位于NW向斷裂、褶曲控制的構造復雜區，煤與瓦斯突出主要發生在構造附近。

1.3 地形曲率對煤與瓦斯突出的影響

曲面上任意一點的形態特征與變形特征可用“地形曲率”進行表示。地形下凹所對應的曲率值>0，地形上凸時所對應的曲率值<0。拐點處所對應的曲率值=0。區域受構造活動影響的劇烈程度取決于曲率值的絕對值大小，且呈現正向相關。當地形地貌表現為凹陷形態時，對應的曲率值>0，此時煤巖體易于產生應力集中與能量積聚，從而容易引起動力災害的發生[12-13];當地形地貌表現為上凸形態時，對應的曲率值=0或者<0，此時煤巖體不易產生應力集中與能量積聚，不易引起動力災害的發生。研究表明:中間隆起，四周凹陷，整體呈現“N”字形態是平頂山東部礦區的主要地貌特征，板塊構造間的相互擠壓碰撞導致構造形態特征的差異與地應力場作用大小的不同，從而控制著煤層瓦斯的賦存與變化。

基于地質動力區劃法對構造斷裂的劃分結果，以及1∶50 000地形圖，計算平頂山礦區的地形曲率值大小。由圖1中所反映出的計算結果可知，平頂山礦區地形曲率值的絕對值變化大，外圍地形曲率值變化值較小，且接近于0;礦區地形曲率值最大值為3.5×10-4，最小值為-4.5×10-4。

圖1 平頂山礦區地形曲率變化情況Fig.1 Change of topographic curvature in Pingdingshan mining area

由圖1可知，平頂山礦區一礦、四礦、六礦、八礦、十礦和十二礦處于曲率最大值區域內，地形曲率值介于5.98×10-5～12.8×10-5;二礦、三礦、五礦、七礦、九礦、十一礦和十三礦處于曲率值變化較小的區域內，曲率值介于5.34×10-11～1.08×10-10，但是隨著開采范圍和開采深度的不斷增加，礦區各井田內的其他區域必將受其地形曲率變化的影響，增大煤與瓦斯突出等動力災害發生的危險。

基于對地形曲率空間分布特征的相關研究，對平頂山東部礦區的曲率半徑進行計算并繪制分布曲線，如圖2所示。平頂山東部礦區的正曲率半徑范圍內，煤與瓦斯突出主要分布于此，比例占突出總次數的80.21%，其余突出事故則發生在負曲率半徑范圍內。由此分析得到，平頂山東部礦區的正曲率半徑范圍內，構造應力場作用顯著，易于產生應力集中和能量積聚，也易于出現煤與瓦斯突出等礦井定力災害。根據地應力實測結果，平頂山東部礦區的應力場特征以水平壓應力為主導，最大水平主應力的峰值高于鄰區，煤與瓦斯突出等動力災害的發生危險也高于其他區域。

圖2 平頂山礦區地形曲率半徑分布特征Fig.2 Distribution characteristics of the curvature radius of the terrain in Pingdingshan mining area

1.4 天然地震對煤與瓦斯突出影響

礦井動力災害與天然地震同受區域地殼構造活動和應力場的影響，具有相同的動力源和能量基礎，對區域天然地震活動性的研究能夠解釋地殼穩定性，對動力災害研究具有指導意義。構造運動引起地殼內部應力與能量的重新分布，根據構造運動結果，其能量積聚和釋放的基本過程和機制是相同的。因此，為了進一步研究礦井動力災害產生的動力條件和能量基礎，對區域內天然地震的形成機制、動力條件和能量基礎以及天然地震的區域分布特征進行研究，通過分析該地區自然地震的時間特征、空間特征和強度特征，劃分了構造活動特征和應力場的變化特征。評估區域地質動力環境，為礦井動力災害的預測和防治提供指導。

圖3,4反映了平頂山東部礦區天然地震的震級和發生頻次的空間分布關系。八礦、十礦和十二礦的天然地震歷史震級集中在2.0級—2.9級，頻次為1，反映出平頂山礦區發生天然地震的震級較大，且集中在高值區附近，但頻次較低。地震特征反映了平頂山東部礦區的應力場特征:易于產生應力集中和能量積聚，易于引起動力災害的發生。天然地震與礦井動力災害具有統一的作用機理，在采掘工程活動的影響下，煤巖體內積聚的彈性能量不斷釋放，天然地震頻次較低源于此。

圖3 煤與瓦斯突出等礦井動力災害與天然地震震級對比結果(MS>2.1)Fig.3 Comparison between the magnitude of mine dynamic disasters and the magnitude of natural earthquakes(MS>2.1)

圖4 煤與瓦斯突出等礦井動力災害和天然地震頻次對比結果(MS>2.1)Fig.4 Comparison between the frequency of dynamic disasters and the frequency of natural earthquakes(MS>2.1)

1.5 煤與瓦斯突出系統的能量特征

區域內斷塊上凸，以郟縣、襄郟和葉魯正斷層為界的四周斷塊凹陷是平頂山礦區煤與瓦斯突出發生區域的典型地質特征，反映出構造活動強烈，具備發生礦井動力災害的構造條件。南北向邊界走滑運動較弱這一狀況與其構造環境和應力環境有關。平頂山礦區整體呈現“N”字形態，板塊構造間的相互擠壓碰撞控制著煤層瓦斯的賦存與變化，使區域內煤巖體積聚大量變形能量，具備了動力災害發生的動力因素。

平頂山東礦區煤與瓦斯突出等礦井動力災害的發生和天然地震(MS>2.1)具有相同的發生機制。在空間分布上，平頂山東部礦區處于天然地震震級等值線和頻次等值線的高值區周邊，揭示了礦區具有易于發生礦井動力災害的應力條件和能量因素。地應力是以水平壓應力為主導。對于同一深度，在最大主應力值的分布上，平頂山東部礦區明顯高于華北亞板塊其他地區，而中間主應力和最小主應力則與其他地區的應力值基本相同。礦井動力災害的發生要受動力系統制約，確定平頂山東礦區煤與瓦斯突出的臨界能量為106J。

2 典型深部礦井動力災害一級預測

2.1 八礦戊9-10煤層動力災害一級預測

礦井動力災害預測包括3個方面:礦區自然地質動力條件分析、礦井煤層動力災害一級預測和礦井工作面動力災害二級預測。

礦區自然地質動力條件分析從構造形式、構造運動、天然地震、地應力等自然地質條件對礦區災害背景進行了宏觀分析，實現對礦區構造環境、應力環境和能量環境的初步評價。據此可以判定礦區是否具備發生礦井動力災害的動力和能量條件。

礦井動力災害一級預測以礦井自然條件為基礎實現煤層發生動力災害的危險評估，實現對全礦井相關煤層危險性的預測和區域劃分，為檢測和解危工作提供依據。一級預測時間范圍是全礦井服務期間，區域范圍整個井田。

礦井動力災害二級預測是在一級預測的基礎上，充分考慮到工程活動效應和瓦斯抽采工程活動，實現工作面的預測。礦井動力災害二級預測的時間范圍3～5 a，區域范圍為回采工作面。直接指導工作面安全生產。

礦井自然地質動力條件分析主要研究對象為整個礦區，從宏觀上判定礦區是否具備發生礦井動力災害的動力和能量條件，對礦井動力災害一級預測起到指導作用;礦井動力災害一級預測在礦區自然地質動力條件分析的基礎上，考慮自然條件實現相關煤層危險性的預測;礦井動力災害二級預測在一級預測的基礎上，考慮人為工程活動的影響，實現工作面預測。

礦井動力災害一級預測建立在以下認識的基礎之上:① 礦井動力災害的發生必須具備相應的地質動力條件，并受到多因素的影響;② 不同礦區、不同礦井、不同煤層、不同構造和應力條件下礦井動力災害具有不同的模式;③ 雖然準確地預測事件發生的時間和地點是極其困難的，但是預測這一事件發生的可能性大小(發生概率)是可能的。

礦井動力災害一級預測考慮自然因素，運用多因素模式識別方法，將研究區域劃分為有限個預測單元，在空間數據管理的基礎上，分析影響礦井動力災害的主要因素，通過相應的研究方法確定各影響因素的量值。運用多因素模式識別技術進行綜合智能分析，通過對已發生礦井動力災害區域分析，分析多個影響因素與礦井動力災害之間的內組合模式與確定的礦井動力災害預測模式對比分析，應用神經網絡和模糊推理方法確定與預測區域的內在聯系，即通過開采區域多因素的組合確定預測模式。將未開采區域的多因素各單元的危險性(危險性概率)，根據各單元危險性，按確定的危險性概率臨界值劃分井田的礦井動力災害危險區域，對井田的礦井動力災害危險性做出評估。特點是將研究區域劃分為有限個預測單元，應用多因素分析方法確定突出組合模式，用區域數據進行預測。

多因素模式識別方法的原理是通過對動力災害的影響因素和發生模式進行分析，劃分待預測區域的單元，完成網格化和模塊化的危險性概率預測，實現礦井動力災害危險性由點預測、單因素預測和定性預測向區域預測、多因素預測和定量預測的過渡和發展[14-16]。

礦井動力災害的發生主要取決于地質構造和應力大小，同時也與開采深度、頂板巖性、煤巖結構特征等因素有關。由于不同區域動力災害發生的差異性，動力災害在時間和強度等方面也存在差異。將已發生的動力災害事件的影響因素進行詳細分析，根據不同模式對影響因素進行分類，并將待預測區域的動力災害發生模式與已發生區域進行對比，分析主要影響因素，確定預測準則，并建立相應的預測模型，模型建立結果如圖5所示。

圖5 動力災害發生危險性的多因素概率預測模型Fig.5 Multifactor pattern recognition prediction model for the risk of dynamic disaster

預測模型建立完畢后，對待預測的區域進行網格劃分。劃分后的每個預測單元都包含不同的影響因素。影響因素的影響程度用概率值表示，具有模糊性和無量綱性。利用危險概率臨界值對不同預測區域的危險等級進行分類。在礦井動力災害自然地質動力條件分析的基礎上，采用多因素模式識別概率預測方法，實現了平頂山東部礦區動力災害的一階預測。

以八礦戊9-10煤層和十礦戊9-10煤層的分單元概率預測進行舉例說明。礦井動力災害危險性是對特定網格單元發生災害可能性的定量描述。動力災害的區域預測結果可以用數據庫表示，在此基礎上生成等高線圖、分層著色圖、三維圖和各種統計圖。結合采礦工程平面圖生成單元預測圖。在現場工程應用中，可顯示待預測區域的危險概率，同時可確定危險概率與巷道之間的對應關系。預測單元的定量描述是工程應用的基礎，預測數據可以通過軟件系統瀏覽、查詢、檢索和統計，可以通過標準圖紙進行導出。

分別以危險性概率值0.39,0.59,0.78,0.84作為臨界值，將平頂山礦區八礦戊9-10煤層劃分為5個等級區域，如圖6所示。

圖6 平頂山八礦戊9-10煤層動力災害分級預測(5級)Fig.6 Classification prediction for dynamic disaster of No.9-10 coal seam in Pingdingshan No.8 Coal Mine

對比單一因素對礦井動力災害發生的影響，煤層內動力災害危險區域主要集中在高應力區，構造且對礦井動力災害的控制作用明顯。平頂山八礦戊9-10煤層動力災害發生概率預測最大值和最小概率值分別為0.90和0.15。高應力的最大值位于井田北部，最大主應力值是30 MPa，最小值位于井田南部，最小主應力值是14 MPa。

2.2 十礦戊9-10煤層動力災害一級預測

基于礦井自然地質動力條件分析，應用多因素模式識別概率預測方法，實現了平頂山十礦戊9-10煤層煤層的分單元動力災害危險性預測。通過局部擴大方法，可以較為清楚地反映出礦井動態災害危險性分布特征與巷道的對應關系。礦井動力災害發生危險是對特定單元網格發生動力災害可能性的定量描述。由于分析的數據量龐大，將圖形顯示模式設置為縮放顯示，即只有達到一定的縮放比例，才能清晰地展示出巷道，從而有效實現圖形顯示的層次性。設定標簽顯示方式，可以清楚地顯示每一網格單元危險性概率值，對特定網格單元危險性進行定量描述。

分別以危險性概率值0.39,0.59,0.78,0.84作為臨界值，將平頂山礦區十礦戊9-10煤層劃分為5個等級區域，如圖7所示。

圖7 平頂山十礦戊9-10煤層動力災害分級預測(5級)Fig.7 Classification prediction for dynamic disaster of No.9-10 coal seam in Pingdingshan No.10 Coal Mine

3 典型深部礦井動力災害二級預測

3.1 二級預測與一級預測的關系

礦井動力災害二級預測是基于一級預測成果，補充考慮巷道掘進、工作面回采、保護層開采、預抽工作面瓦斯等到工程活動效應的影響，對3～5 a時間內的回采工作面開采區域進行危險性預測，指導工作面的安全高效生產。

礦井動力災害二級預測的特點在于:

(1)基于一級預測結果，補充考慮采掘工程活動的作用效應，分析預測參數關聯度、計算關系系數，確定工作面范圍內煤巖體動力災害發生的模式;

(2)擺脫了預測參數數量和參數類別的束縛，實現了煤與瓦斯突出、沖擊地壓等礦井動力災害的統一預測;

(3)實現了預測系統和指標參數輸入功能的相互獨立，使動力災害預測更具有普遍性、易操作性;

(4)實現了礦井動力災害預測的集成管理，可通過相關參數的輸入，對礦井動力災害實現實時預測;

(5)基于BP人工神經網絡，使預測結果更為準確可靠。

二級預測針對特定的工作面范圍，對動力災害發生地點地應力、地質構造、瓦斯參數、煤巖物理力學性質等影響因素分析的基礎上，選取地形曲率、地應力值、頂板巖性、瓦斯壓力、瓦斯含量、活動構造等區域性參數和工程效應指標，預測發生礦井動力災害的危險性。

3.2 礦井動力災害二級預測影響因素

3.2.1預測區域自然地質條件

礦井動力災害二級預測基于一級預測成果，以特定工作面所在區域為研究目標，在原有預測精度進行進一步優化。在研究中，進一步劃分了構造形式、構造特征及其對工作面動力災害發生的影響，為二級預測工作的開展提供基礎。八礦的戊9-10煤層和己15煤層相同點在于全部位于李口向斜軸的南翼，區別在于構造的分布深度，所以，在構造演化過程中，瓦斯賦存狀態與煤層的形成過程等均有所區別。由于八礦的煤體瓦斯受到地質構造的控制，所以煤與瓦斯突出大多發生在斷層、褶曲、煤層傾角變化、急煤層厚度變化等地質構造帶。根據統計數據，發生在斷層處的煤與瓦斯突出事故占總次數的27.8%;發生在構造煤由薄變厚區域的突出事故占總次數的30.6%;發生在煤厚變化區域的突出事故占總次數的5.6%;發生在煤傾角急劇變化區域的突出事故占總次數的5.6%。

發生在十礦的煤與瓦斯突出事故全部集中在郭莊背斜東北翼，由此表明，從宏觀角度受控于主干構造，從局部角度受控于順煤層斷層。發生在十礦的46次煤與瓦斯突出事故，受到斷層影響的事故數占總事故數的65.2%，表明十礦內煤與瓦斯突出事故的發生受煤層順層斷層的控制作用明顯。

十二礦井田內的構造相對簡單，主要賦存有北部的李口向斜和南部的牛莊向斜。根據統計資料，十二礦煤與瓦斯突出的發生受控于井田范圍內的斷層、褶曲、煤厚變化等小型地質構造帶，發生在小型地質構造帶附近的動力災害事故約占總事故數的44%。

平頂山東部的十礦和十二礦井田，受控于北西方向展布的郭莊背斜、牛莊向斜、十礦向斜、牛莊逆斷層，以及原十一礦逆斷層，是一個北西向展布的逆沖推覆斷裂褶皺擠壓構造帶，構造復雜，煤層破壞強烈，構造煤極為發育，厚度一般1.5 m以上。十礦丁、戊、己組煤層巳發生突出45次，最大突出強度326 t/次。十二礦已發生突出22次，最大突出強度290 t/次。八礦井田，西鄰十礦、十二礦井田，位于李口向斜軸的南東轉折仰起端。該井田位于北西向構造與北東向構造交匯復合、聯合，既有北西向展布的任莊斷裂、張灣斷裂，又有北東向展布的辛店斷裂，既有北東向展布的前聶背斜，又有北西向與北東向構造聯合控制的焦贊背斜，且又有北西向構造與北東向構造聯合作用控制的盆形構造——任莊向斜。井田內構造極為復雜，煤層破壞強裂，構造煤極其發育，厚度一般在1 m以上。八礦戊組、己組煤層已發生突出34次，最大突出強度478 t/次。

通過以上分析，八礦、十礦和十二礦的煤體瓦斯主要受控于褶曲構造、斷裂構造、構造復合、聯合、組合等地質構造，煤與瓦斯突出等動力災害的發生大多集中在地質構造帶。因此應進一步進行礦井工作面構造形式、構造特征的研究。

3.2.2礦井人為工程

礦井人為工程因素大的方面分為2類:一類為掘進、回采等工程活動，在其影響下，上覆巖層發生移動，圍巖力學性質發生根本性改變，原始的應力和能量平衡狀態被打破。因此，礦井發生動力災害的前提是具備相應的地質動力條件，在工程活動的影響下，應力升高、能量積聚，當達到或超過動力災害發生的臨界條件時，動力災害發生的危險性積聚增加。另一類是區域和局部解危措施的采取，如保護層開采、煤層注水、鉆孔卸壓等，達到降低或消除煤層危險性。例如保護層開采后，被保護層得到卸壓，應力集中程度降低，煤層透氣性增加、煤層瓦斯壓力降低，進而煤層的突出危險性得到削弱，從而實現了被保護層的安全高效開采。

3.3 十礦活動斷裂對煤與瓦斯突出的影響

十礦活動斷裂和煤與瓦斯突出的空間分布如圖8所示。十礦戊9-10煤層瓦斯突出集中分布在Ⅲ-12斷裂北側附近，并受到Ⅴ-12,Ⅴ-13,Ⅴ-24和Ⅵ-9等活動斷裂的影響。戊9-10煤層發生的25次煤與瓦斯突出中，Ⅴ-12活動斷裂附近發生14次，Ⅴ-13活動斷裂附近發生2次、4次位于Ⅴ-13斷裂帶附近，3次沿Ⅵ-9斷裂分布。該區域總體受活動斷裂Ⅲ-12的影響。該區域內，由于Ⅲ級活動斷裂具有較強的活動性，并且Ⅴ級活動斷裂的分布密度大，從而導致巖體破碎程度較高，構造應力集中程度較強，從而導致煤與瓦斯突出發生的頻次和強度都較大。

圖8 平頂山十礦Ⅵ級斷裂Fig.8 Grade VI fracture of Pingdingshan No.10 Coal Mine

十礦己15煤層發生的8次煤與瓦斯突出有1次位于Ⅴ-28附近，有4次位于Ⅲ-1,Ⅲ-9,Ⅲ-12,Ⅳ-3,Ⅳ-4的交匯處附近，并受到Ⅴ-12斷裂的影響。另外3次突出中1次發生在Ⅴ-12附近，2次發生在Ⅴ-13附近。Ⅲ-1,Ⅲ-9,Ⅲ-12活動斷裂是基于地質動力區劃方法，在1:100 000的地形圖上確定的穿過十礦井田的活動斷裂，如Ⅳ-3斷裂和Ⅳ-4斷裂。Ⅲ級和Ⅳ級活動斷裂比Ⅴ級活動斷裂具有更強的活動性，尤以Ⅲ級活動斷裂的活動性最強，受活動斷裂的影響，在其附近區域導致煤與瓦斯突出的發生。

十礦的活動斷裂與煤與瓦斯突出對比分析表明，Ⅲ級斷裂和Ⅳ級斷裂控制了煤與瓦斯突出的區域性分布，Ⅴ級斷裂和Ⅵ級斷裂則控制了煤與瓦斯突出的局部性分布特征。

3.4 八礦活動斷裂對煤與瓦斯突出的影響

八礦活動斷裂和煤與瓦斯突出的空間分布如圖9所示。八礦井田西部區域煤與瓦斯突出主要受活動斷裂Ⅲ-6,Ⅲ-12,Ⅴ-1,Ⅴ-2,Ⅴ-11和Ⅴ-12的控制。戊9-10煤層的24次煤與瓦斯突出有19次位于活動斷裂Ⅲ-12和Ⅴ-1之間，并且有活動斷裂Ⅴ-2從中間穿過;有2次位于Ⅴ-3斷裂和Ⅵ-15斷裂的交匯處;有3次位于活動斷裂Ⅲ-12和Ⅴ-12之間，其中2次沿Ⅵ-7斷裂分布。己15煤層發生的18次煤與瓦斯突出有3次位于Ⅲ-6,Ⅲ-12和Ⅴ-11的交匯處附近，有1次突出位于Ⅲ-12斷裂與Ⅵ-27斷裂交匯點，主要受活動斷裂Ⅲ-12的影響。總體上，井田西部區域由于受到Ⅲ-12大型活動斷裂的影響，同時在活動斷裂Ⅴ-1,Ⅴ-2,Ⅴ-12的影響下，斷裂帶附近及相交區域導致了煤與瓦斯突出的頻繁發生。

圖9 平頂山八礦Ⅵ級斷裂Fig.9 Grade VI fracture map of Pingdingshan No.8 Coal Mine

4 結 論

(1)礦井動力災害一級預測以礦井自然地質動力條件為依據，評價了不同區域動力災害發生的危險性大小，對平頂山礦區動力災害的發生進行了預測，為危險性檢測和解危措施提供依據，奠定了礦井動力災害二級預測的基礎。

(2)礦井動力災害二級預測是在一級預測的基礎上，首先對礦井動力災害一級預測的影響因素及指標進行分析和提取，繼續細化構造形式和特征等自然地質動力條件;補充考慮采掘工程活動和各種解危措施的采取對動力災害的影響，對其進行系統深入的研究，實現工作面范圍的動力災害的危險性評估。

(3)在Ⅰ～Ⅴ級斷裂構造劃分的基礎上，劃分了八礦、十礦和十二礦的Ⅵ級斷裂構造，確定了研究區域斷裂構造的分布形式，Ⅴ級和Ⅵ級活動斷裂控制了煤與瓦斯突出的局部分布特征。為礦井動力災害的二級預測提供了斷裂構造信息。

(4)應用模式識別方法，實現了礦井動力災害二級預測，將采煤工作面進行單元劃分，預測動力災害發生危險性并與一級預測結果進行對比，通過采動應力計算、殘余瓦斯計算和保護層開采計算，分析不同解危措施的采區對動力災害發生危險性大小的影響，評估治理措施的有效性，確定動力災害危險區域。