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第09卷第12期中国水运V ol.9N o.122009年12月C hi na W at er T r anspor t D ecem ber 2009收稿日期：2009-11-26作者简介：葛红臣（1963-），男，中国地质大学工程学院，河南省地质矿产勘查开发局区域地质调查队高级工程师，工程硕士，主要从事基础地质调查、地球物理勘探、固体矿山勘查、岩土工程勘察、地质环境调查与评价、岩土工程勘查等方面的工作。
河南平顶山矿区地质环境综合评价分区研究葛红臣1，2（1中国地质大学工程学院，湖北武汉430074；2河南省地质矿产勘查开发局区域地质调查队，河南郑州450000）摘要：以河南省平顶山矿区地质环境问题为主，兼顾地质环境背景、矿山开采活动，选取采煤塌陷、矸石山、地裂缝、粉煤灰、地表水污染、地下水污染、汞污染和胀缩土等8种环境地质问题作为评价因子，采用定性分析和单元综合环境地质问题积分值法相结合的评价方法对矿区地质环境问题进行综合评价，并在综合评价的基础上对矿区地质环境进行合理分区。
关键词：矿区地质环境问题；综合评价；分区中图分类号：P623.3文献标识码：A文章编号：1006-7973（2009）12-0145-03长期以来，由于对矿山环境保护工作重视不够，导致矿山环境不断恶化，矿山地质环境问题日趋严重，造成大量人员伤亡，由矿业引发的环境污染和生态破坏问题与日俱增，是我国矿山环境的形势日趋严重，影响了人民生命财产安全和正常的生活秩序。
所以，针对矿区地质环境问题进行综合评价分区研究显得尤为必要。
一、主要矿山地质环境问题河南省平顶山矿区地质环境问题表现为采煤塌陷、山体开裂、地裂缝、矿井充水、矿井疏于排水、岩溶塌陷、煤矸石自燃、矿井瓦斯、井田热害、区域地下水位下降和植被损毁。
平顶山煤田随着大量煤炭资源被采出的同时，地下已形成87.5km 2的采空区，多煤组、多煤层的重复开采，使得地面多次反复沉陷。
平顶山煤田现存的23座矸石山中，有12座发生过不同程度的自燃。
2012年度河南煤矿安全生产科技发展计划河南煤矿安全监察局二〇一二年四月2012年度河南煤矿安全生产科技发展计划编制说明一、编制原则1.符合国家及省科技研究开发政策；2.与煤矿安全生产紧密相关；3.以突出研究开发煤矿瓦斯治理、水害防治、冲击地压防治、采空区冒顶与地表塌陷灾害防治、通风系统优化、安全生产管理技术和信息化应用软件等煤矿安全生产技术装备、生产工艺等为重点方向；4.承担单位能够筹集研究项目所需的经费；5.执行期一般不超过3年的研究项目。
二、项目基本情况列入2012年度河南煤矿安全生产科技发展计划的项目为107项1.以推荐单位划分：中国平煤神马集团、河南煤业化工集团、郑煤集团、义煤集团、河南理工大学、国投煤炭有限公司河南分公司、安阳大众煤业等10家推荐单位作了项目推荐2.按申报单位划分：煤炭企业87项，高校及科研单位19项，其他单位1项。
目录1.中国平煤神马集团煤与瓦斯共采模式及关键技术研究 (1)2.平顶山矿区地面钻孔抽采瓦斯技术研究 (1)3.极薄半煤岩保护层综合开采技术研究与实施 (2)4.复杂开采条件下突出危险性区域评价及综合防治技术研究 (2)5.八矿热害区域治理及地热水综合利用的研究与实施 (2)6.大型固定设备电气控制远程故障诊断系统研究与应用 (3)7.固相颗粒封堵煤岩裂隙提高瓦斯抽采率技术 (3)8.小构造精细探查技术研究 (4)9.防爆电气开关模块化产品研制与故障快速排除技术研究 (4)10.深部矿井动力灾害危险性分级预测与防治技术体系研究 (5)11.平顶山矿区深部低透气性突出煤层抽压交替瓦斯治理新技术体系研究 (5)12.深部矿井煤与瓦斯突出防治关键技术及示范 (6)13.近距离突出危险煤层工作面防突技术研究与应用 (6)14.煤样快速采集装置的研制与应用 (7)15.掘进工作面煤与瓦斯突出光纤传感监测技术研究 (7)16.高瓦斯低透气性松软煤层安全快速钻进技术和可控导喷装置研究与应用 (8)17.复杂网络多风机耦合运行通风稳定性及保障技术研究 (8)18.无煤柱巷道充填技术研究和Y型通风技术 (9)19.水力冲孔技术在突出煤层底板掩护掘进中的研究和应用 (9)20.监控系统数据可靠性和挖掘技术研究及示范 (10)21.气润湿反转方法在提高煤层瓦斯抽采率中的研究与应用 (10)22.复合动力灾害下底位巷穿层钻孔水力增透及网络高效抽采技术研究 (11)23.平顶山矿区深部巷道围岩变形破坏机理及稳定控制关键技术研究 (12)24.深井长距离沿空回采巷道破坏机理及控制技术研究 (13)25.岩巷高效聚能爆破快速掘进新技术研究 (13)26.煤矿复合动力灾害监测、预警与控制成套技术研究 (13)27.煤矿深部围岩结构与应力场探测分析及控制成套技术 (14)28.近距离突出煤层群煤与瓦斯共采配套技术研究 (14)29.大采深多煤层群复杂通风系统改造和可靠性研究 (15)30.中远距离保护层开采区域消突效果评价及防突技术研究 (16)31.复合水源工作面顶板突水防治技术研究 (16)32.焦作矿区地应力分布规律及煤岩体应力状态区域预测研究 (17)33.高压水压割一体化卸压增透区域消突关键技术研究及应用 (17)34.九里山矿煤与瓦斯突出综合在线监测预警技术研究 (17)35.中马村矿地面U型井虚拟储层抽采瓦斯关键技术研究 (18)36.基于物联网的瓦斯抽采高效评价体系关键技术研究 (18)37.岩巷掘进质量保障体系及支护关键技术装备的研究与应用 (19)38.“三下”开采成套技术研究 (20)39.井下瓦斯抽采系列关键技术及装备研究与应用 (20)40.下向涌水钻孔自动排水技术研究 (21)41.定向钻机在新河矿井的应用研究 (21)42.新河矿井高水压煤层底板注浆改造关键技术研究与应用 (21)43.井下钻孔控斜技术研究 (21)44.赵固矿区厚松散层薄基岩条件下底分层开采综合技术研究 (22)45.超高水压区域开拓工程防治水关键技术研究 (22)46.壁后注浆在巷道维修中的应用 (22)47.煤矿井下小构造探测技术研究 (22)48.机电设备专家故障诊断及预警系统研究与应用 (23)49.矸石主材膏体充填顺槽的无煤柱开采技术研究 (23)50.车集煤矿控水构造规律研究及其在防治水工作中的应用 (23)51.基于DTS技术的永煤矿区电网联合反事故演习系统的研究与应用 (24)52.煤矿电网安全评估与电能质量综合治理技术及装备研究 (24)53.高应力软岩协同支护作用机理及控制技术研究 (25)54.岩巷掘进质量保障体系及支护关键技术装备的研究与应用 (25)55.智能化矿井的研究与应用 (25)56.偃龙煤田“三软”低透气性难成孔煤层瓦斯治理技术研究 (26)57.偃龙煤田滑动构造下覆软岩巷道综合支护技术研究 (26)58.禹州矿区云盖山井田煤层赋存规律及其对煤与瓦斯突出控制研究 (26)59.矿井安全监控系统防止瓦斯误报警技术研究 (27)60.永城矿区矿压监测及预警技术研究与应用 (27)61.预抽煤层瓦斯消突效果评价技术研究 (27)62.煤矿井下高压电网自动化与智能运行管理系统关键技术研究 (28)63.耿村煤矿深部开采冲击地压防治方案研究 (29)64.深部开采冲击地压综合预警技术研究 (29)65.实现千亿级企业发展目标的集团管控体系研究 (29)66.矿井电力谐波在线检测及实时抑制装置的研制 (30)67.本质安全矿井建设研究 (30)68.耦合型煤岩瓦斯动力灾害非接触式在线监测及危险性预测系统研制 (30)69.高冲击危险区的微震CT探测评价及解危技术研究 (31)70.基于‘三图～双预测法’和‘脆弱性指数法’的陕渑煤田顶底板水害评价及防治对策研究 (32)71.煤巷掘进工作面钻割一体化技术装备研究与应用 (32)72.矿井瓦斯涌出动态特征突出预警系统建设 (33)73.三软”厚煤层跨风井及上下山开采技术开发及应用研究 (33)74.告成矿深部标准化示范采区各类巷道围岩失稳机理及其控制技术研究 (34)75.矿井采掘工作面评价监控管理体系建设 (34)76.大地电磁测深对矿井瓦斯地质、水文地质探测技术研究 (34)77.超化矿深部水平“三软”煤层底板隔水层强度探查与研究 (34)78.裴沟煤矿32051（上炮）工作面动水条件下注浆封堵高压奥灰突水技术研究 (35)79.多尺度三维可视化数字矿区地质模型研究与构建 (35)80.煤矿井下主动抑爆技术研究与应用 (35)81.冷冻开掘矿井井筒沉陷与排水管道形变监测系统 (36)82.矿用阻燃抗静电聚氯乙烯材料的研究 (36)83.煤矿井下高冒区不燃性充填材料及充填设备研究 (36)84.深部构造应力型冲击地压致灾机制及防控技术研究 (37)85.煤矿井下6KV供电网络选择性联锁保护方案研究 (37)86.基于OFDM电力线矿井巷道应急通信关键技术研究 (38)87.煤矿重大事故灾后恢复及预防一体化应急管理及应用 (39)88.川北高硫煤层硫化氢气体成因及防治技术研究 (40)89.井下瓦斯气氛中煤系粉体与矿用聚合物树脂共热解动力学及其抑烟防爆关键技术研究 (40)90.矿用非电接触小功率感应供电装置研究 (41)91.高性能煤体加固材料的制备与应用研究 (41)92.焦作矿区水力压裂应力效应及防突机制研究 (42)93.“三软”煤层瓦斯灾害预警及应急救援技术研究 (42)94.松软突出煤层钻杆振动及对孔壁稳定性影响关键技术研究 (43)95.瓦斯突出敏感指标和临界值的确定技术研究 (44)96.高瓦斯单一松软煤层卸压增透关键技术研究 (44)97.井下环网系统研究与应用 (44)98.长钻孔注水技术研究及应用 (45)99.悬移支架放顶煤技术在大众三软煤层的应用研究 (45)100.大众煤矿瓦斯综合治理模式及其关键技术研究 (45)101. 大众煤矿三软顶板控制模式及其关键技术研究 (46)102. 新主井井筒临时改绞快速施工技术研究 (46)103. 矿用智能化湿式混凝土喷射系统 (47)104. 3000KN钢丝绳整绳破断卧拉机的研制 (47)105. 液压式钢丝绳弯曲疲劳试验机的研制 (47)106. 3000KN整宽皮带拉伸试验机的研制 (48)107.新型高滴点钢丝绳脂的研制与工业化应用研究 (48)2012年度煤矿安全生产科技发展计划项目汇总表主管单位（盖章）：河南煤矿安全监察局1.2.3.4. 5.6.7.8.9.。
项目名称： 煤炭深部开采中的动力灾害机理与防治基础研究首席科学家： 姜耀东 中国矿业大学（北京） 起止年限： 2010年1月-2014年8月依托部门： 教育部 国家安全生产监督管理总局一、研究内容（一）关键的科学问题随着矿井深度和开采强度的不断增加，与浅部开采相比，深部采区的地质构造、应力场特征、煤岩体的破碎性质与动力响应特征、岩层移动以及能量的积聚释放规律均发生了显著变化，深部矿井动力灾害的致灾机理、触发条件、演化规律以及显现特征不同于浅部煤矿工程。
目前，我国煤炭资源已转入深部开采，但相关的基础研究还不够系统深入，缺乏对深部开采条件下动力灾害的孕育-发生-演化机理、基础科学问题以及预警防治对策的系统研究，亟待在相关的基础理论方面取得突破，建立煤矿深部动力灾害综合防治的理论与技术体系。
针对国家能源的重大需求以及煤炭深部开采中存在的重大问题，本项目拟解决以下四个关键科学问题：1、地质赋存条件对深部煤矿动力灾害的作用机制及量化分析方法在长期的地质演变过程中深部煤岩体内蕴藏着巨大的变形能，其储能程度和原岩应力分布既取决于煤岩体的硬度、致密性和矿物成分，也取决于地质构造、断层、褶曲的程度。
同时深部煤层开采时坚硬顶板(特别是厚层砂岩顶板)的运动失稳也是导致矿柱和采场巷道工作面发生瞬时冲击动力灾害的诱因。
因此深部煤岩动力灾害与煤岩组分、断层、褶曲、原始应力场和构造应力异常密切相关，如何科学定量描述地质赋存条件的作用机制及其与煤矿动力灾害的相关性是一个共性科学问题。
通过研究这一科学问题，揭示煤岩体的冲击倾向性、地质构造和原岩应力条件对煤矿深井动力灾害成灾的作用机制。
2、深部断续煤岩体的变形破坏规律和工程动力响应特征深部煤岩体通常为含有节理裂隙的层状结构。
深部煤炭的集中开采强烈扰动使得采场和巷道周围的煤岩体不可避免地发生变形和破坏从而形成断续结构。
在多次开采扰动和长期的流变过程中，这种断续结构煤岩体会出现新的破裂和强度不断衰减的循环过程，从而导致大变形、强流变和超低摩擦效应，在一定条件下将会引起冲击地压、顶板大面积来压、矿震等煤矿动力灾害。
㊀第44卷第6期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报Vol.44㊀No.6㊀㊀2019年6月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJune㊀2019㊀移动阅读张建国,兰天伟,王满,等.平顶山矿区深部矿井动力灾害预测方法与应用[J].煤炭学报,2019,44(6):1698-1706.doi:10.13225/ki.jccs.2019.6037ZHANG Jianguo,LAN Tianwei,WANG Man,et al.Prediction method of deep mining dynamic disasters and its applica-tion in Pingdingshan mining area[J].Journal of China Coal Society,2019,44(6):1698-1706.doi:10.13225/ki.jccs.2019.6037平顶山矿区深部矿井动力灾害预测方法与应用张建国1,2,兰天伟4,王㊀满1,2,高明忠3,荣㊀海4(1.炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室,河南平顶山㊀467000;2.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司,河南平顶山㊀476000;3.深圳大学深地科学与绿色能源研究院,广东深圳㊀518060;4.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新㊀123000)摘㊀要:煤与瓦斯突出㊁冲击地压等矿井动力灾害严重威胁着我国深部矿井安全高效生产,当前总体缺乏准确的预测理论与方法㊂为了提高平顶山矿区深部开采阶段动力灾害发生的预防与治理水平,在分析矿区自然地质动力条件的前提下,以平顶山东部矿区为研究目标,基于最大主应力㊁应力梯度等因素对矿区动力灾害发生的潜在危险进行了预测分区,发现地形曲率对平顶山东部矿区的煤与瓦斯突出概率产生较大影响㊂平顶山东部矿区的正曲率半径范围内煤与瓦斯突出比率占总突出次数的80．21%㊂同时,基于煤与瓦斯突出系统的能量特征,确定了平顶山东部矿区煤与瓦斯突出的临界能量为106J ㊂在前期利用地质动力区划方法划分Ⅰ~Ⅴ级活动构造的研究基础上,进一步考虑开采活动作用的影响,明确目标煤层㊁目标采区动力灾害发生的模式,进行动力灾害二级预测㊂对八矿㊁十矿和十二矿规划区域划分Ⅵ级和Ⅴ级断裂构造,确定该区域断裂构造的分布特征和相互作用关系,建立相应的空间信息分析系统,分析活动构造的活动规律,发现平顶山东部矿区的煤体瓦斯主要受控于褶曲构造㊁断裂构造和构造之间的复合㊁联合㊁组合等地质构造㊂煤与瓦斯突出事故发生在地质构造带的次数占总次数的69．6%㊂同时,确定了平顶山东部矿区的区域断裂构造的分布方式,Ⅵ级和Ⅴ级活动断裂区煤与瓦斯突出的局部分布特征㊂关键词:矿井动力灾害;一级预测;二级预测;地质动力区划;危险性评价中图分类号:TD324㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2019)06-1698-09收稿日期:2018-12-02㊀㊀修回日期:2019-04-20㊀㊀责任编辑:常㊀琛㊀㊀基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804209)㊀㊀作者简介:张建国(1965 ),男,河南滑县人,教授级高级工程师㊂E -mail:zhangjg_z@126．comPrediction method of deep mining dynamic disasters and its applicationin Pingdingshan mining areaZHANG Jianguo 1,2,LAN Tianwei 4,WANG Man 1,2,GAO Mingzhong 3,RONG Hai 4(1.State Key Laboratory of Coking Coal Exploitation and Comprehensive Utilization ,Pingdingshan ㊀467000,China ;2.China Pingmei Shenma Energy and Chemical Group Corporation Limited ,Pingdingshan ㊀476000,China ;3.Institute of Deep Earth Sciences and Green Energy ,Shenzhen University ,Shenzhen ㊀518060;4.Mining Institute ,Liaoning Technical University ,Fuxin ㊀123000,China )Abstract :The mine dynamic disasters have seriously threatened the safe production of deep mines in China.However,the theory and method for accurately predicting these disasters are limited.In order to prevent and control the dynamic disasters in the deep mining of Pingdingshan mining area,the natural geo-dynamic conditions ofPingdingshan mining area is studied.The potential dynamic disasters in the coal mine are predicted by using the re-gional indexes such as active structure,maximum principal stress,stress gradient and so on.It is found that the curva-第6期张建国等:平顶山矿区深部矿井动力灾害预测方法与应用ture of the terrain has a great influence on the probability of coal and gas outburst in the eastern mining area of Ping-dingshan.The ratio of coal and gas outburst in the positive curvature radius of the eastern mining area of Pingdingshan accounts for80.21%of the total outbursts.At the same time,based on the energy characteristics of the coal and gas outburst system,the critical energy of coal and gas outburst in the eastern mining area of Pingdingshan is determined to be106J.On the basis of the study on the Division I to V active tectonics by using the geological dynamic zoning meth-od in the early stage,the impact of mining activities is further considered.The patterns of dynamic disasters in the tar-get coal seams and target mining areas are clarified,and the second-level prediction of dynamic disasters is carried out.ClassⅥand V fault structures are divided into the No.8,No.10and No.12mines,and the distribution character-istics and interaction relationships of the fault structures are determined.The corresponding spatial information analysis system is established,and the activity law of the active structures is analyzed.It is found that the coal body gas in the eastern mining area of Pingdingshan is mainly controlled by the geological structures such as the compound,joint and combination among folds,faults and other geological structures.Coal and gas outburst accidents occur in the geo-logical tectonic belts,accounting for69.6%of the total outbursts.At the same time,the distribution pattern of regional fault structures and the local distribution characteristics of coal and gas outbursts in the active fault areas of grade VI and V in the eastern mining area of Pingdingshan are determined.Key words:mine dynamic disaster;first level prediction;second level prediction;geo-dynamic division;risk assess-ment㊀㊀煤与瓦斯突出㊁冲击地压矿井动力灾害在我国发生的频次和强度均较高㊂随着国家对煤炭资源的持续需求,更多的矿井将步入深部开采阶段㊂深部开采成为很多煤矿必须面临的问题㊂平顶山矿区八矿㊁十矿㊁十二矿㊁十三矿等矿井相继进入了深部开采阶段,目前部分矿井开采深度已超过1000m,并以每年10~30m的速度向深部延伸,其中平煤十二矿采深达1100m以上㊂进入深部开采阶段的煤岩体,将承受更为复杂的应力和能量的影响,在特定工程的诱发下,矿井动力灾害发生的机理将更为复杂,这也给动力灾害的防治工作带来更大的困难㊂潘一山对冲击地压㊁煤与瓦斯突出复合动力灾害一体化机理进行研究,建立统一失稳判别准则,提出复合动力灾害一体化分类分级预测技术和防治技术[1]㊂于不凡通过对国内外煤和瓦斯突出事例的统计分析,指出煤与瓦斯突出在井田中不是均匀分布的,即区域性分布,从而提出高地应力是发生煤和瓦斯突出的第一个必要条件[2]㊂张宏伟通过地质动力区划方法,对区域构造形式进行了分析,基于断裂活动性和岩体应力状态等因素,提出了新的煤与瓦斯突出预测方法[3]㊂韩军等基于煤与瓦斯突出区域的地貌特征,提出了新的概念 构造凹地 ,构造凹地具有较高的水平构造应力,且水平差应力显著[4]㊂尹光志等在实验室进行了在轴压和围压固定的情况下,突出煤样瓦斯的渗透速度与瓦斯压力的大小呈幂指数正相关㊂随着瓦斯压力的增加,突出煤样两端的瓦斯压力梯度增大率会逐渐减小,最终趋近于0[5]㊂程远平等通过对地应力与瓦斯赋存运移规律的研究,提出地应力在突出灾害中起主导控制作用,是煤体破坏的主要动力,也是高压瓦斯存在的前提[6]㊂姜福兴等对冲击地压各监测参量之间的关系进行研究,运用大数据分析方法和云平台技术,开发了一种多参量联合监测的冲击地压监控预警平台,并应用于多个矿井中[7]㊂齐黎明等认为容易发生煤与瓦斯突出的区域集中在煤层赋存的突变区,断层与褶曲㊁煤厚和倾角突变区是常见的煤层赋存突变区[8]㊂张晓东和张子成采用数学方法,将影响突出的构造因素定量化,并对构造复杂程度系数计算公式作了改进和简化;提出了确定复杂程度突出临界值的原则,并结合井田突出实际,划定了构造复杂程度系数的突出临界值,将其作为一项判断突出的依据[9]㊂王振通过对非典型动力灾害煤层原煤样瓦斯的解吸附和渗流特性的研究,分析了不同开采条件下应力㊁瓦斯和温度对灾害发生的控制作用进行分析[10]㊂王桂峰等对冲击地压的不稳定能量触发机制进行研究,通过理论分析和现场实测微震活动与冲击地压之间的时空内在联系,得出了动力灾变的能量触发条件[11]㊂但以上学者的研究成果均是从高应力㊁高瓦斯压力等角度考虑,没有从大范围㊁多角度综合考虑矿井动力灾害的分类和分级㊂笔者在分析矿区自然地质条件的前提下,以平顶山矿区为研究目标,基于最大主应力㊁应力梯度等因素对矿区动力灾害发生的潜在危险进行了预测划分,以动力灾害一级预测结果为研究基础,补充考虑开采9961煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2019年第44卷活动等作用的影响,进行动力灾害二级预测,明确目标煤层㊁目标采区动力灾害发生的模式㊂在前期利用地质动力区划方法划分Ⅰ~Ⅴ级活动构造的研究基础上,进一步对八矿㊁十矿和十二矿规划区域划分Ⅵ级断裂构造,确定构造的分布特征和相互作用关系,建立相应的空间信息分析系统,评估活动构造的活动规律及分布特点,分析对矿井动力灾害发生的影响㊂1㊀矿井动力灾害一级预测原理1．1㊀矿井动力灾害一级预测的原理与方法矿井动力灾害主要从3个方面开展预测工作:①自然地质动力条件分析;②一级预测;③二级预测㊂矿区自然地质动力条件分析从构造形式㊁构造运动㊁天然地震㊁地应力等自然地质条件对矿区灾害背景进行了宏观分析,实现对矿区构造环境㊁应力环境和能量环境的初步评价㊂据此可以判定矿区是否具备矿井动力灾害发生的动力条件和能量基础㊂矿井动力灾害一级预测基于自然地质条件,划分煤层动力灾害发生危险,为监测预警提供依据,适用于全矿井范围,而二级预测则适用于局部区域㊂开展一级预测前,需要对自然地质条件中的构造特征及应力场演化㊁地形曲率㊁天然地震㊁突出能量特征等煤与瓦斯突出构成影响的地质类因素进行分析㊂1．2㊀平顶山矿区构造特征及应力场演化平顶山矿区动力灾害的发生受到逆冲推覆构造带的控制作用,主要表现为以下2个方面:①构造带具有强烈的挤压作用,在挤压力的作用下,煤层的孔隙率有所降低,封存瓦斯的能力得到了增强;②在挤压力的作用下,局部区域的煤岩体出现了应力集中和能量积聚㊂平顶山矿区位于华北聚煤区南缘逆冲推覆构造带的东北缘,当积聚的能量到达临界条件时,收到采掘工程的扰动,能量在煤岩体的弱面得到释放,进而形成了煤与瓦斯突出㊂通过对矿区的构造特征和应力场的演化进行分析,平顶山矿区地质构造主要以NW向和NE向为主进行展布,在NW向主要受到挤压与剪切作用,在NE 向主要受到拉张与剪切作用㊂平顶山东部矿区的八矿㊁十矿㊁十二矿等位于NW向断裂㊁褶曲控制的构造复杂区,煤与瓦斯突出主要发生在构造附近㊂1．3㊀地形曲率对煤与瓦斯突出的影响曲面上任意一点的形态特征与变形特征可用 地形曲率 进行表示㊂地形下凹所对应的曲率值> 0,地形上凸时所对应的曲率值<0㊂拐点处所对应的曲率值=0㊂区域受构造活动影响的剧烈程度取决于曲率值的绝对值大小,且呈现正向相关㊂当地形地貌表现为凹陷形态时,对应的曲率值>0,此时煤岩体易于产生应力集中与能量积聚,从而容易引起动力灾害的发生[12-13];当地形地貌表现为上凸形态时,对应的曲率值=0或者<0,此时煤岩体不易产生应力集中与能量积聚,不易引起动力灾害的发生㊂研究表明:中间隆起,四周凹陷,整体呈现 N 字形态是平顶山东部矿区的主要地貌特征,板块构造间的相互挤压碰撞导致构造形态特征的差异与地应力场作用大小的不同,从而控制着煤层瓦斯的赋存与变化㊂基于地质动力区划法对构造断裂的划分结果,以及1ʒ50000地形图,计算平顶山矿区的地形曲率值大小㊂由图1中所反映出的计算结果可知,平顶山矿区地形曲率值的绝对值变化大,外围地形曲率值变化值较小,且接近于0;矿区地形曲率值最大值为3．5ˑ10-4,最小值为-4．5ˑ10-4㊂图1㊀平顶山矿区地形曲率变化情况Fig．1㊀Change of topographic curvature in Pingdingshanmining area由图1可知,平顶山矿区一矿㊁四矿㊁六矿㊁八矿㊁十矿和十二矿处于曲率最大值区域内,地形曲率值介于5．98ˑ10-5~12．8ˑ10-5;二矿㊁三矿㊁五矿㊁七矿㊁九矿㊁十一矿和十三矿处于曲率值变化较小的区域内,曲率值介于5．34ˑ10-11~1．08ˑ10-10,但是随着开采范围和开采深度的不断增加,矿区各井田内的其他区域必将受其地形曲率变化的影响,增大煤与瓦斯突出等动力灾害发生的危险㊂基于对地形曲率空间分布特征的相关研究,对平顶山东部矿区的曲率半径进行计算并绘制分布曲线,如图2所示㊂平顶山东部矿区的正曲率半径范围内,煤与瓦斯突出主要分布于此,比例占突出总次数的80．21%,其余突出事故则发生在负曲率半径范围内㊂由此分析得到,平顶山东部矿区的正曲率半径范围内,构造应力场作用显著,易于产生应力集中和能量0071第6期张建国等:平顶山矿区深部矿井动力灾害预测方法与应用积聚,也易于出现煤与瓦斯突出等矿井定力灾害㊂根据地应力实测结果,平顶山东部矿区的应力场特征以水平压应力为主导,最大水平主应力的峰值高于邻区,煤与瓦斯突出等动力灾害的发生危险也高于其他区域㊂图2㊀平顶山矿区地形曲率半径分布特征Fig．2㊀Distribution characteristics of the curvature radius ofthe terrain in Pingdingshan mining area1．4㊀天然地震对煤与瓦斯突出影响矿井动力灾害与天然地震同受区域地壳构造活动和应力场的影响,具有相同的动力源和能量基础,对区域天然地震活动性的研究能够解释地壳稳定性,对动力灾害研究具有指导意义㊂构造运动引起地壳内部应力与能量的重新分布,根据构造运动结果,其能量积聚和释放的基本过程和机制是相同的㊂因此,为了进一步研究矿井动力灾害产生的动力条件和能量基础,对区域内天然地震的形成机制㊁动力条件和能量基础以及天然地震的区域分布特征进行研究,通过分析该地区自然地震的时间特征㊁空间特征和强度特征,划分了构造活动特征和应力场的变化特征㊂评估区域地质动力环境,为矿井动力灾害的预测和防治提供指导㊂图3,4反映了平顶山东部矿区天然地震的震级和发生频次的空间分布关系㊂八矿㊁十矿和十二矿的天然地震历史震级集中在2．0级 2．9级,频次为1,反映出平顶山矿区发生天然地震的震级较大,且集中在高值区附近,但频次较低㊂地震特征反映了平顶山东部矿区的应力场特征:易于产生应力集中和能量积聚,易于引起动力灾害的发生㊂天然地震与矿井动力灾害具有统一的作用机理,在采掘工程活动的影响下,煤岩体内积聚的弹性能量不断释放,天然地震频次较低源于此㊂图3㊀煤与瓦斯突出等矿井动力灾害与天然地震震级对比结果(M S >2．1)Fig．3㊀Comparison between the magnitude of mine dynamicdisasters and the magnitude of natural earthquakes(M S >2．1)图4㊀煤与瓦斯突出等矿井动力灾害和天然地震频次对比结果(M S >2．1)Fig．4㊀Comparison between the frequency of dynamic disastersand the frequency of natural earthquakes(M S >2．1)1．5㊀煤与瓦斯突出系统的能量特征区域内断块上凸,以郏县㊁襄郏和叶鲁正断层为界的四周断块凹陷是平顶山矿区煤与瓦斯突出发生区域的典型地质特征,反映出构造活动强烈,具备发生矿井动力灾害的构造条件㊂南北向边界走滑运动较弱这一状况与其构造环境和应力环境有关㊂平顶山矿区整体呈现 N 字形态,板块构造间的相互挤压碰撞控制着煤层瓦斯的赋存与变化,使区域内煤岩体积聚大量变形能量,具备了动力灾害发生的动力因素㊂平顶山东矿区煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的发生和天然地震(M S >2．1)具有相同的发生机制㊂在空间分布上,平顶山东部矿区处于天然地震震级等值线和频次等值线的高值区周边,揭示了矿区具有易于发生矿井动力灾害的应力条件和能量因素㊂地应力是以水平压应力为主导㊂对于同一深度,在最大主应力值的分布上,平顶山东部矿区明显高于华北亚板块其他地区,而中间主应力和最小主应力则与其他地区的应力值基本相同㊂矿井动力灾害的发生要受动力1071煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2019年第44卷系统制约,确定平顶山东矿区煤与瓦斯突出的临界能量为106J㊂2㊀典型深部矿井动力灾害一级预测2．1㊀八矿戊9-10煤层动力灾害一级预测矿井动力灾害预测包括3个方面:矿区自然地质动力条件分析㊁矿井煤层动力灾害一级预测和矿井工作面动力灾害二级预测㊂矿区自然地质动力条件分析从构造形式㊁构造运动㊁天然地震㊁地应力等自然地质条件对矿区灾害背景进行了宏观分析,实现对矿区构造环境㊁应力环境和能量环境的初步评价㊂据此可以判定矿区是否具备发生矿井动力灾害的动力和能量条件㊂矿井动力灾害一级预测以矿井自然条件为基础实现煤层发生动力灾害的危险评估,实现对全矿井相关煤层危险性的预测和区域划分,为检测和解危工作提供依据㊂一级预测时间范围是全矿井服务期间,区域范围整个井田㊂矿井动力灾害二级预测是在一级预测的基础上,充分考虑到工程活动效应和瓦斯抽采工程活动,实现工作面的预测㊂矿井动力灾害二级预测的时间范围3~5a,区域范围为回采工作面㊂直接指导工作面安全生产㊂矿井自然地质动力条件分析主要研究对象为整个矿区,从宏观上判定矿区是否具备发生矿井动力灾害的动力和能量条件,对矿井动力灾害一级预测起到指导作用;矿井动力灾害一级预测在矿区自然地质动力条件分析的基础上,考虑自然条件实现相关煤层危险性的预测;矿井动力灾害二级预测在一级预测的基础上,考虑人为工程活动的影响,实现工作面预测㊂矿井动力灾害一级预测建立在以下认识的基础之上:①矿井动力灾害的发生必须具备相应的地质动力条件,并受到多因素的影响;②不同矿区㊁不同矿井㊁不同煤层㊁不同构造和应力条件下矿井动力灾害具有不同的模式;③虽然准确地预测事件发生的时间和地点是极其困难的,但是预测这一事件发生的可能性大小(发生概率)是可能的㊂矿井动力灾害一级预测考虑自然因素,运用多因素模式识别方法,将研究区域划分为有限个预测单元,在空间数据管理的基础上,分析影响矿井动力灾害的主要因素,通过相应的研究方法确定各影响因素的量值㊂运用多因素模式识别技术进行综合智能分析,通过对已发生矿井动力灾害区域分析,分析多个影响因素与矿井动力灾害之间的内组合模式与确定的矿井动力灾害预测模式对比分析,应用神经网络和模糊推理方法确定与预测区域的内在联系,即通过开采区域多因素的组合确定预测模式㊂将未开采区域的多因素各单元的危险性(危险性概率),根据各单元危险性,按确定的危险性概率临界值划分井田的矿井动力灾害危险区域,对井田的矿井动力灾害危险性做出评估㊂特点是将研究区域划分为有限个预测单元,应用多因素分析方法确定突出组合模式,用区域数据进行预测㊂多因素模式识别方法的原理是通过对动力灾害的影响因素和发生模式进行分析,划分待预测区域的单元,完成网格化和模块化的危险性概率预测,实现矿井动力灾害危险性由点预测㊁单因素预测和定性预测向区域预测㊁多因素预测和定量预测的过渡和发展[14-16]㊂矿井动力灾害的发生主要取决于地质构造和应力大小,同时也与开采深度㊁顶板岩性㊁煤岩结构特征等因素有关㊂由于不同区域动力灾害发生的差异性,动力灾害在时间和强度等方面也存在差异㊂将已发生的动力灾害事件的影响因素进行详细分析,根据不同模式对影响因素进行分类,并将待预测区域的动力灾害发生模式与已发生区域进行对比,分析主要影响因素,确定预测准则,并建立相应的预测模型,模型建立结果如图5所示㊂图5㊀动力灾害发生危险性的多因素概率预测模型Fig．5㊀Multifactor pattern recognition prediction model forthe risk of dynamic disaster预测模型建立完毕后,对待预测的区域进行网格划分㊂划分后的每个预测单元都包含不同的影响因素㊂影响因素的影响程度用概率值表示,具有模糊性和无量纲性㊂利用危险概率临界值对不同预测区域的危险等级进行分类㊂在矿井动力灾害自然地质动力条件分析的基础上,采用多因素模式识别概率预测方法,实现了平顶山东部矿区动力灾害的一阶预测㊂以八矿戊9-10煤层和十矿戊9-10煤层的分单元概率预测进行举例说明㊂矿井动力灾害危险性是对特定网格单元发生灾害可能性的定量描述㊂动力灾害的区域预测结果可以用数据库表示,在此基础上生成等高线图㊁分层着色图㊁三维图和各种统计图㊂结合2071第6期张建国等:平顶山矿区深部矿井动力灾害预测方法与应用采矿工程平面图生成单元预测图㊂在现场工程应用中,可显示待预测区域的危险概率,同时可确定危险概率与巷道之间的对应关系㊂预测单元的定量描述是工程应用的基础,预测数据可以通过软件系统浏览㊁查询㊁检索和统计,可以通过标准图纸进行导出㊂分别以危险性概率值0．39,0．59,0．78,0．84作为临界值,将平顶山矿区八矿戊9-10煤层划分为5个等级区域,如图6所示㊂图6㊀平顶山八矿戊9-10煤层动力灾害分级预测(5级)Fig．6㊀Classification prediction for dynamic disaster of No．9-10coal seam in Pingdingshan No．8Coal Mine对比单一因素对矿井动力灾害发生的影响,煤层内动力灾害危险区域主要集中在高应力区,构造且对矿井动力灾害的控制作用明显㊂平顶山八矿戊9-10煤层动力灾害发生概率预测最大值和最小概率值分别为0．90和0．15㊂高应力的最大值位于井田北部,最大主应力值是30MPa,最小值位于井田南部,最小主应力值是14MPa㊂2．2㊀十矿戊9-10煤层动力灾害一级预测基于矿井自然地质动力条件分析,应用多因素模式识别概率预测方法,实现了平顶山十矿戊9-10煤层煤层的分单元动力灾害危险性预测㊂通过局部扩大方法,可以较为清楚地反映出矿井动态灾害危险性分布特征与巷道的对应关系㊂矿井动力灾害发生危险是对特定单元网格发生动力灾害可能性的定量描述㊂由于分析的数据量庞大,将图形显示模式设置为缩放显示,即只有达到一定的缩放比例,才能清晰地展示出巷道,从而有效实现图形显示的层次性㊂设定标签显示方式,可以清楚地显示每一网格单元危险性概率值,对特定网格单元危险性进行定量描述㊂分别以危险性概率值0．39,0．59,0．78,0．84作为临界值,将平顶山矿区十矿戊9-10煤层划分为5个等级区域,如图7所示㊂图7㊀平顶山十矿戊9-10煤层动力灾害分级预测(5级)Fig．7㊀Classification prediction for dynamic disaster of No．9-10coal seam in Pingdingshan No．10Coal Mine3㊀典型深部矿井动力灾害二级预测3．1㊀二级预测与一级预测的关系矿井动力灾害二级预测是基于一级预测成果,补充考虑巷道掘进㊁工作面回采㊁保护层开采㊁预抽工作面瓦斯等到工程活动效应的影响,对3~5a 时间内的回采工作面开采区域进行危险性预测,指导工作面的安全高效生产㊂矿井动力灾害二级预测的特点在于:(1)基于一级预测结果,补充考虑采掘工程活动的作用效应,分析预测参数关联度㊁计算关系系数,确定工作面范围内煤岩体动力灾害发生的模式;(2)摆脱了预测参数数量和参数类别的束缚,实现了煤与瓦斯突出㊁冲击地压等矿井动力灾害的统一预测;(3)实现了预测系统和指标参数输入功能的相互独立,使动力灾害预测更具有普遍性㊁易操作性;(4)实现了矿井动力灾害预测的集成管理,可通过相关参数的输入,对矿井动力灾害实现实时预测;(5)基于BP 人工神经网络,使预测结果更为准确可靠㊂二级预测针对特定的工作面范围,对动力灾害发生地点地应力㊁地质构造㊁瓦斯参数㊁煤岩物理力学性质等影响因素分析的基础上,选取地形曲率㊁地应力值㊁顶板岩性㊁瓦斯压力㊁瓦斯含量㊁活动构造等区域性参数和工程效应指标,预测发生矿井动力灾害的危险性㊂3．2㊀矿井动力灾害二级预测影响因素3．2．1㊀预测区域自然地质条件矿井动力灾害二级预测基于一级预测成果,以特3071。
平顶山东部矿区煤与瓦斯突出特征与影响因素摘要：本文讨论了平顶山东部矿区的煤与瓦斯的特征以及影响因素。
通过采空区状况、煤体特征分析、突出瓦斯特征和可拉结构特征等方法来分析矿区煤和瓦斯的特征。
研究表明：矿区的地质构造、岩性特征、煤质特征和煤层结构都是决定煤与瓦斯特征的重要因素。
此外，对于瓦斯特征，最重要的影响因素是瓦斯分布、自然裂缝分布以及地下水位。
有效掌握这些因素，有助于控制和优化煤与瓦斯特性，从而为矿区安全生产提供参考。
关键词：平顶山东部矿区; 煤; 瓦斯; 采空区; 特征; 影响因素正文：一、研究背景平顶山东部矿区是一个典型的煤矿区，其中的煤与瓦斯的特征及其影响因素是影响安全生产的重要因素。
因此，分析其煤与瓦斯的特征及影响因素，既有助于深入理解这个矿区，也有助于掌握煤和瓦斯的有效开采和开发。
二、煤与瓦斯特征分析1.采空区状况：调查表明，平顶山东部矿区的煤矿采空区大多是在垂直或水平的地层上，瓦斯含量介于10%-20%，有效煤厚量为1.12 m。
2.煤体特征分析：研究表明，平顶山东部矿区的煤体特征是硬煤，其有机碳含量介于3%-5%，灰分介于40%-60%，弹性模量(E)、压缩模量(M)和抗弯强度(S)均很高。
3.突出瓦斯特征：该矿区瓦斯含量介于10%-20%，瓦斯压力介于0.2-0.7MPa，主要由CH4和CO2组成，其中CH4含量占80%-90%。
4.可拉结构特征：研究表明，平顶山东部矿区有较多的可拉结构，边坡破坏和顶柱破坏易发生。
三、影响因素1.地质构造：平顶山东部矿区的地质构造弯曲和发育，有利于瓦斯的放射，但也增加了瓦斯采收的难度。
2.岩性特征：岩性软弱的矿区易产生裂缝，从而加剧瓦斯的放射，但同样影响瓦斯的采回率。
3.煤质特征：矿井煤质越软，含水量越大，地质变形越严重，则瓦斯放射量越大。
4.煤层结构：多层次煤层结构易发生突出瓦斯，特别是前置顶柱煤层，其突出瓦斯是影响瓦斯放射和采回率的重要因素。
平顶山煤田地面沉降机理分析及研究苏凯峰【摘要】地面沉降是煤矿区最主要的地质灾害之一,它严重威胁着矿山生产安全,破坏了生态地质环境.为了深入地研究地表沉降形成的机理,从岩体应力场变化、地下水疏排、断层构造影响3个方面对造成煤矿区沉降的原因进行了比较全面地分析.同时,论述了平顶山煤田开采矿区地面沉降的发育现状,并根据丰富的岩移观测资料,确定了普遍适合本煤田各矿区的岩移参数,采用概率积分法对各矿区因采煤引发的地面最终沉降量进行了预测,预测煤田的最终沉降面积约198.07 km2.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(033)001【总页数】5页(P54-58)【关键词】地面沉降;沉陷机理;地质灾害;平顶山煤田【作者】苏凯峰【作者单位】河南省国土资源科学研究院,郑州450053【正文语种】中文【中图分类】P642.260 引言平顶山煤田位于河南省的中西部，是我国主要煤炭能源基地.煤田东西长约40 km，南北长10～20 km，可开采煤层埋深为50～1 500 m，含煤面积650.0 km2.自1955年建井投产以来，历经数十年的开采，平顶山煤田所辖13个矿区总塌陷面积134.86 km2，在为当地社会、经济发展作出了巨大贡献的同时，也造成的地质环境的破环，形成大面积的地面沉降，破坏了土地资源，甚至引发地质灾害.地面沉降不仅对区内建筑物、道路构成直接威胁、破坏，对环境产生负面影响，而且制约当地社会经济的持续发展，更严重的是威胁矿区居民的生命财产安全.以往对区内地面沉降多侧重于研究开采矿区地面沉陷的分布、发育状况及防治、治理措施等，对煤田沉降范围、沉降量等的预测研究较少.因此，从岩石应力场、地下水疏排、断层构造等角度分析其沉降的形成机理，在岩移观测资料的基础上，采用概率积分数学模型预测因采煤引发的地面沉降量，对平顶山煤田地面沉降的控制和预防具有一定的现实指导意义.1 地质特征及沉陷状况平顶山矿区位于华北板块与华北板块南缘构造带的结合部位，基底为太古宇太华群，盖层为盆地稳定沉积.区内以北西向构造为主.区内地下水分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水和碳酸岩岩溶水3种类型.松散岩类孔隙水主要赋存在山前倾斜平原及河流冲积平原地区.二叠纪地层主要出露于煤田的低山丘陵区，地下水赋存于中粗粒砂岩中，砂岩裂隙不发育，含有承压水，其浅部的裂隙水基本被疏干.碳酸岩同样出露于煤田的低山丘陵区，碳酸盐岩类岩溶水含水介质为中上寒武系灰岩和石炭系太原组灰岩.据调查资料可知[1]，煤田比较明显的整体沉陷呈近东西向条带分布（图1和表1），东西长约为22 km，南北宽约5 km.沉陷值在1～2 m的区间段（Ⅰ），沉陷面积约43 km2，它整体上控制着平顶山矿区的沉陷趋势.沉陷值在2～3 m的区间段（Ⅱ），可分为3个亚区域：ⅡA区零星分布，总面积约0～35 km2，属局部塌陷；ⅡB区分布面积最为广泛，面积约21.9 km2，总体上与一区展布趋势相同，呈近东西向条带分布；ⅡC区分布在工作区东南部，面积约0.38 km2.沉陷值在3～4 m的区间（Ⅲ）沉陷面积约为7.4 km2，可分为ⅢA，ⅢB，ⅢC 3个区域，沉陷面积大体相似，而且随着煤炭资源的进一步开采，有逐渐连为一体的趋势.沉陷值在4 m以上的区间（Ⅳ），以落凫山（ⅣA）和平顶山（ⅣB）为沉陷中心，总沉陷面积约为3.0 km2，该区塌陷比较严重，而且有加剧的趋势.表1 煤田各矿区沉陷Tab.1 Subsidence of eacF coalmine矿区名称沉陷最大值/m 水平变形主值/（mm·m－1）水平移动最大主值/（mm·m－1）采空区面积/km2沉陷面积/km2 一矿14.7 －54.5～36.0 4 190 13.20 20.20二矿 9.5 －32.0～38.0 2 338 3.54 5.95三环公司 3.6 －61.5～34.8 1 169 2.37 3.18四矿12.3 －47.1～37.3 2 605 8.59 11.66五矿 8.6 －16.5～24.7 1 285 8.75 12.69六矿 6.1 －14.6～23.9 1 935 9.51 14.89七星公司 6.2 －51.2～11.9 1 381 6.12 9.18八矿 5.2 －38.0～25.6 1 727 12.50 21.46香山公司 2.9 －37.0～21.6 1322 1.49 2.56十矿 8.4 －31.4～27.0 2 061 9.83 14.48十一矿 7.7 －34.6～26.9 3 445 3.95 5.66十二矿 3.4 －32.8～23.4 1 043 4.98 8.30十三矿东翼 2.7 －18.3～13.3 1 238 2.67 4.65十三矿西翼 3.4 －13.9～12.0 1 932合计134.862 沉陷机理分析2.1 采矿应力场的改变形成局部显著沉陷在地下开采前，岩体在地应力作用下处于相对平衡状态.当地下矿层被采出后，在岩体内部形成一个采空区，导致周围岩体应力状态发生变化，从而引起应力重新分布.而采空区直接顶板岩层在自重力及其上覆岩层的作用下，产生向下的移动和弯曲.当其内部拉应力超过岩层的抗拉强度极限时，直接顶板首先断裂、破碎、相继冒落，而老顶岩层则以梁或悬臂梁弯曲的形式沿层理面法线方向移动、弯曲，进而产生断裂、离层，直到达到新的平衡.当开采范围足够大时（0.2 H～0.3 H，H为采深），岩层移动发展到地表，在地表形成一个比采空区范围大得多的沉陷盆地[2].2.2 煤田疏排地下水引发地面较大范围沉降如果说局部明显塌陷的主要原因是岩体应力场的改变，那么，煤田较大范围内的地面沉降是开采过程中大量疏排地下水导致含水层压实的结果.采矿过程中抽排疏干矿层中的地下水打破了原有的水土平稳状态，改变了地下的流场，地下水位急剧下降，最终导致地面沉陷.其成因有两种机理：一是有效应力原理；二是水动力固结理论.前者解释了含水层在疏排过程中的压实引发的地面沉降；后者解释了在疏排之后的残余压实引发的地面沉降.根据有效应力原理[3]，疏排抽取地下水之前，采矿区上覆岩层的总应力p由固体颗粒和水共同承担，水所承受的应力相当于孔隙水压力u.当抽排地下水时可近似地认为总应力p不变，孔隙水压力降低Δu，相应地有效应力pz增加Δpz.意即原先有水承受的应力，由于水头降低，浮托力减少而部分地转由颗粒本身承担，即pz+Δpz=p－（u－Δu）.这样，颗粒骨架所承受压力增加，土层被压缩，微观上表现为颗粒之间空隙度降低，宏观上表现为含水层变薄.疏排水结束，地面沉降过程没有结束.根据水动力固结理论，在抽水过程中透水层的释水速度比弱透水层快，因而水位下降也快.停止抽水后，由于两岩层之间水位存在高度差，表现为弱透水层中的水向透水层渗透，弱透水层压实作用的持续使地面沉降得以继续发展.据统计资料，平顶山煤田各矿井1991—2001年排水总量为50 314.29×104 t，年均排水量为4 547.03×104 t，平均每天排水125 315.8 t.随着地下水位急剧下降，上下含水层的水压差增加，从而使水的下蚀能力增加，地下溶洞的上覆压力加大，地下支撑结构被破坏，沉积碎屑不断沿着溶蚀裂隙渗到地下洞室中引发岩溶塌陷.同时，煤田地下深度在30～50 m处分布有一层厚度一般大于10 m的较稳定黏土层，当其失水时会导致不可恢复性压密，增加了地面沉陷的程度.2.3 区域断层加剧地面沉陷程度采煤沉陷源于采动，但其形成和发展受控于构造环境的内在结构和特性[4].断层可使岩层和地表变形产生明显的异常影响，特别是在断层倾角较大（20°以上），落差大（10 m以上）的情况[5].由于断层的活动地应力相对集中，地壳稳定性大大降低，岩石极易破碎，多易产生地面变形和地裂缝.平顶山煤田断裂构造比较发育，主要有北西向和北东向两组，北西向断裂构造规模较大，北东向断裂构造规模较小（表2）.表2 平顶山煤田主要断裂构造Tab.2 ScFedule of primary faulted structure in PingdingsFan coalfield断层名称位置性质走向倾向区内长度/km 形成时代郏县阎口-郏县张扭正断层25° NW 45° 7 喜山期李庄李庄-东蚩张扭正断层315° NE 10 燕山期九里山九里山压扭逆断层315° NE40° 20 燕山期锅底山五矿-平顶山张扭正断层300° SW 40° 24 燕山期襄－郏襄县-郏县张扭正断层310° NE45° 燕山期鲁-叶鲁山-叶县张扭正断层290° S45° 11 喜山期燕山期区内断裂构造多为隐伏断裂，只有北西向九里山断层部分出露.沉降的发生或多或少激发了断层的活性，导致断层产生了不同程度的相对错动，正是这种引发的错动反过来加剧了地面沉陷.3 沉降量预测方法、参数及结果平顶山煤田从20世纪50年代陆续建立了20多个观测站，积累了大量的实测数据资料，并总结出了普遍适合煤田各矿区的地表移动角量参数和岩移预计参数（表3）.表3 塌陷角和最大变形值的计算Tab.3 Calculation results table of collapse angle and maximum deformation value备注冲积层移动角 45～55° h为土层厚度；H0为平均采深；α为煤层倾角；D为工作面倾向长度名称经验公式走向移动角首次采动σ=（96－21h）/（H0－25 n1 n重复采动δ=（76.5－25h）/H0最大基岩下沉角θ=90°－0.77α最大下沉值2）充分采动W0=0.757M cosα非充分采动W0=0.757M cosα 0.485D/H0－0.06根据煤田各矿区实际观测资料分析，矿区地面沉陷符合概率积分计算方法，可以采用概率积分法进行预测.现选取某单一工作面地表任意点（x，y）的沉陷值为式中M为煤层开采厚度；f（x，y，φ，φ） =1/｛r2 exp[ －π/r2（（x－φ+d）2+（y－φ）2）]｝，r=（H－φ·tan α）tan β，d=（H－φ·tan α）ctan θ，H为下山边界采深，k=（90°－θ）/α；Si为计算开采面积；φ，φ分别为煤层沿走向和上山方向积分变量；y，x分别为地表沿走向和上山方向的坐标；A为煤层倾角；tanβ为主要影响角正切；θ为开采影响传播角.当多个工作面开采时，地表某点（x，y）沉陷值预测值为各工作面影响值的总和，即在综合分析岩移实测资料的基础上，据矿区煤层开采条件，考虑以后大采深的影响，矿区岩移预测参数选见表4.根据平顶山煤田13个矿区的开采现状及其规划，采用概率积分法对各矿井地表最终沉降量进行计算.同时，依据现有的地面沉降资料和地表预测沉陷量，预测开采后各矿井最终地表沉降面积（表 5）.表4 概率积分法预测参数Tab.4 Prediction parameters of probability-integralmetFod参数名称参数选取下沉系数 q=1.7 e－0.479H0/D水平移动系数 b为0.24～0.34主要影响角正切值tanβ=0.654+0.009 3 H0 tanβ为1.5～2.0 tanβ为2.2～2.8主要影响传播角θ=90°－0.5α拐点平移距初次采动重复采动H≤150 150＜H≤400 H＞400 S走 =0.106 H0， S上 =0.14 H0， S下=0.11 H0 S=04 结论（1）从岩石应力场、地下水疏排、断层构造等角度分析，导致平顶山煤田地面沉降的主要原因是多因素共同叠加的结果：采矿引发岩石应力场改变导致局部显著塌陷、地下水疏排引起地面较大范围沉降、断层构造促进塌陷程度.（2）应用预测沉降程度的概率积分法公式模型，预测平顶山煤田地表沉降面积将由目前的134.86 km2发展成为最终的约198.07 km2，对于平顶山煤田的沉陷控制和防治具有重要的指导意义.表5 开采沉降预测结果Tab.5 Prediction results ofmining subsidence现状矿井名称预测矿井计划总产量/（×104 t）地表沉降面积/km2矿井生产及计划总产量/×104 t地表沉降面积/km备注2一矿 17 200 20.2 23 672 31.31 扩建二矿800 5.95 2 152 16.00 生产三环公司 675 3.18 1 740 8.20 生产四矿 4 060 11.66 8 230 33.09 生产五矿 3 480 12.69 6 572 24.53 生产六矿 16 440 14.89 18 640 17.00 扩建七星公司 3 240 9.18 5 908 16.74 生产八矿 20 400 21.46 21 966 23.30 扩建香山公司 2.56 354 1.16十矿 11 340 14.48 15 291 3.12 生产十一矿6 900 5.66 7 407 6.12 扩建十二矿 2 310 8.30 3 606 12.96 扩建十三矿 4.65 2 084 4.54 生产总计86 845 134.86 117 622 198.07参考文献：[1] 仲其涛.煤层厚度反演方法研究与应用[D].徐州：中国矿业大学资源与地球科学学院，2001.[2] 程增庆.用地震反射波定量解释煤层厚度的方法[J].地球物理学报，1991，34（5）：657662.[3] 程增庆.煤层厚度反演方法的研究[C]//煤田地球物理岩性勘探技术文集.北京：煤炭工业出版社，1996：147-151.[4] 戚敬华.由地震剖面直接反演煤层厚度的方法[C]//煤田地球物理岩性勘探技术文集.北京：煤炭工业出版社，1996：135-146.[5] 董守华.煤层厚度与振幅、频率地震属性的正演模拟[J].中国矿业大学学报：自然科学版，2004，33（1）：29-32.[6] 郭彦省，孟召平.地震属性及其在煤层厚度预测中的应用[J].中国矿业大学学报：自然科学版，2004，33（5）：557-562.[7] 靳吉祥.基于地震属性多元回归分析的煤层厚义马预测方法研究[D].山西：太原理工大学，2010.（责任编辑李文清）。
平顶山矿区煤层冲击倾向性指标及关联性分析苏承东;高保彬;袁瑞甫;杨健【摘要】利用RMT-150B伺服试验机对平顶山矿区4组煤进行冲击倾向性试验.试验结果表明:煤的抗压强度、弹性模量越高,峰值前积蓄弹性应变能量越大,冲击能能量指数也明显偏大,动态破坏时间越短,发生冲击危险性越大;煤样的抗压强度与弹性模量呈良好的线性关系,抗压强度与冲击能量指数、弹性能量指数呈正相关,抗压强度与动态破坏时间呈负相关,两者采用幂函数表征;平顶山矿区丁8组煤层属中等偏强冲击类(Ⅱ类),己16-17组煤层属强冲击类(Ⅰ类),己15组和戊9-10组煤层属中等冲击类(Ⅱ类).【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)0z1【总页数】7页(P8-14)【关键词】冲击倾向性;弹性能量;冲击能量;动态破坏时间;岩石力学;冲击地压【作者】苏承东;高保彬;袁瑞甫;杨健【作者单位】河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454003;河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作454003;河南理工大学深部矿井建设重点学科开放实验室,河南焦作454003;河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454003;河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作454003;河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454003【正文语种】中文【中图分类】TD324平顶山矿区位于平顶山煤田东部,东西长约55 km,南北宽10～20 km,含煤面积约650 km2。
矿区现有国营矿井20对,其中9对为突出矿井,主采煤层为丁8、戊8、戊9-10、己15、己15-16、己16-17组,生产能力已超过30 Mt/a。
根据矿区内以往冲击地压资料统计,800～1 000 m是发生冲击地压的初始临界深度,超过1 000 m发生冲击地压的危险性显著升高,目前矿区内超过1 000 m的采掘工作面有9个,随着开采深度的增大,冲击地压动力灾害的危险性越来越大,采矿安全生产状况更加严峻。
