煤与瓦斯突出区域预测的地质动力区划

２００６年８月　矿业安全与环保　第３３卷第４期　

煤与瓦斯突出区域预测的地质动力区划　

宋卫华，张宏伟　

（辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新１２３０００）　

摘要：以板块理论为基础，从区域地质构造研究入手，进行了活动断裂划分与评估，并结合地应力　

测量方法、数值模拟方法、实验室试验、ＧＩＳ技术和计算机技术，研究和建立了突出危险区域预测方法。　

开发了煤与瓦斯突出区域预测决策分析系统，实现了煤与瓦斯突出区域预测的可视化管理，进而划分煤　

与瓦斯突出危险区、突出威胁区和无突出危险区，对煤与瓦斯突出危险性作出评估和预测，拓宽了煤与　

瓦斯突出预测途径，提高了瓦斯灾害预测的准确性。　

关键词：煤与瓦斯突出；地质动力区划；地质构造；区域预测　

中图分类号：ＴＤ７１３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—４４９５（２００６Ｉｏ４—０００７—０３　

煤与瓦斯突出是矿井中一种非常复杂的动力现　

象。随着煤炭生产的发展，瓦斯灾害易发区的超前　

探测和预测、瓦斯动力灾害的超前预警等成为迫切　

需要解决的难题。对国内外突出事例的统计分析表　

明，煤与瓦斯突出在井田中的分布是不均匀的，比较　集中地分布在某些地质构造带，称为区域性分布ｎ　Ｊ。　

笔者在论述淮南矿区区域地质构造概况和构造运动　基本特点的基础上，把矿区构造体系、采矿工艺过程　

和发生煤与瓦斯突出看作是一个动态体系，以断裂　

的构造形式和活动性、岩体的应力状态、瓦斯赋存和　流动规律等综合因素作为预测煤与瓦斯突出的主要　

判据，建立区域预测决策分析系统，并对淮南谢一矿　

Ｂｌｌｂ煤层进行了区域预测。　

１地质动力区划　

地质动力区划是地质动力学的一个新分支，它　

基于板块构造学说，根据地形地貌的基本形态和主　

要特征决定于地质构造形式的原理，通过对地形地　

貌的分析，查明区域断裂的形成与发展；综合应用地　

应力测量、数值分析、“３Ｓ”、人工神经网络和模糊推　理等技术手段，查明影响煤与瓦斯突出发生的各种　

因素；以断裂的构造形式和活动性、地应力、瓦斯压　

力和瓦斯含量等综合因素作为预测煤与瓦斯突出的　

收稿日期：２００５—１０—２４￣２００６—０２—２０修回　基金项目：国家“十五”科技攻关项目（２００１ＢＡ８０３１３０４０４）　作者简介：宋卫华（１９８ｏ＿－），男，河南商水人，博士研究　生，主要从事瓦斯灾害预测、防治和地质动力区划方面的研究　工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｒｕｂｙ７２７＠ｓｏｈｕ．ｔｏｍ。　主要判据，应用多因素模式识别概率预测方法完成　

煤与瓦斯突出区域预测工作，为人类的工程活动提　

供地质环境信息和预测工程活动可能产生的地质动　力效应Ｌ２　］。主要包括以下方面研究：　

１）区域地质构造研究；　

２）地应力测量及岩体应力状态研究：　

３）煤体变形与瓦斯流动的固流耦合效应分析；　

４）煤与瓦斯突出多因素模式识别方法研究；　

５）煤与瓦斯突出区域预测决策分析系统和信息　管理系统。　

２淮南矿区地质构造形式划分　

２．１区域地质构造　

淮南煤田是典型的棋盘型构造形式，处在经度、　

纬度凹地之间的相交点上（见图１）。经度凹地的宽　

度大约３００　ｋｍ，纬度凹地的宽度大约３００　ｋｍ，纬度凹　

地具有台阶式的结构，台阶穿过凹地的中心，从淮南　

矿区的附近通过。淮南矿区处在断裂带的影响区，　

是一个很长的基础很深的变形断裂带。　

从图１中得知，淮南矿区处在台阶式的断块中，　

瓦斯含量可能较高。断块边界是沿着河流、丘陵地　以及根据海岸线的切碎程度划分的。可以证明这些　

构造是很深的（根据黄汲清院士的观点，其深度达　７　ｋｍ），不排除这些结构是变形的断裂带。众所周　

知，太平洋板块向中国大陆地下做相对运动，这种运　

动过程不是整体的，而是个别的断块沿着变形的断　

裂带活动，在地形地貌上能够观察到不大的落差。　

根据安徽省内一级构造单元的划分，可知淮南矿区　位于皖中断块中的河淮凹地内。　

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０　５０　１００　１５０　２００　２５０　３００　３５０　４００　新　汝张　阜颖　寿淮　定老　安　南里　南上　县南　远公　店　埠　司　距离／ｋｉｎ　（ａ）纬向　

０　５０　１００　１５０　２００　２５０　３００　３５０　桐　舒将　大淮常　方宿　大　城城军　顺南坟店州　庄　

距离／ｋｉｎ　（ｂ）经向　图１淮南凹地剖面图　

２．２断块构造划分　区域地质构造划分采用综合分析方法，使用的　

方法越多、资料越全面，得出的结果就越详实可靠。　在淮南矿区断裂划分工作中，以绘图法为主，结合　

航、卫片判读，地面和井下考查，地震及区域构造活　动调查等方法，最终划分出Ｉ　Ｖ级活动断裂。在　

淮南矿区谢一矿用地质动力区划查明：Ｉ级活动断　

裂９条、Ⅱ级活动断裂７条、Ⅲ级活动断裂９０条、Ⅳ　

级活动断裂１０条、Ｖ级活动断裂４０条。特别是Ｉ、　

Ⅱ级活动断裂与我国地质界、地震界所确定的活动　

构造有明显的联系。如根据郯庐、颍上一定远断裂、　

临泉一刘府断裂确定的Ｉ、Ⅱ级断裂走向多为北东　向和东西向，这与淮南矿区已查明的断层走向基本　

一致。图２为Ｖ级活动断裂图，构成了谢一井田的　

地质构造格架。在地质构造模型基础上，进行了岩　

体应力状态分析和煤体变形与瓦斯流动的固流耦合　

效应分析等研究，对影响煤与瓦斯突出的单项因素　进行了分析预测。　

３煤与瓦斯突出区域预测　

３．１煤与瓦斯突出多因素模式识别　影响煤与瓦斯突出的因素很多，突出机理十分　

复杂。除地应力、构造、瓦斯性质、煤体结构外，还与　重力异常、航磁　ｔ极化等因素有关。如果取ｎ个因　

素研究，把每一个因素看作一个向量的元素，那么，ｎ　

・　８　・　图２谢一矿Ｖ级断裂图　

个因素就组成一个ｎ维向量。ｎ个因素的每一种组　

合就是一种模式识别，都在ｎ维特征空间唯一对应　

一个位置。一个合理的假设是同类模式在特征空间　

相距很近，不同类的模式相距较远；也就是说相距很　

近的模式它们的特征相差不大。如果用某种方法分　

割空间，使同一类模式大体在特征空间的同一个区　

域中。对于待分类的模式，就可根据它的特征向量在　

特征空间的某个区域而判定它属于哪一类模式。模　

式识别的任务就是用某种方法划分特征空间，使同　

类的模式位于同一个区域。对特征空间进行划分是　

一套严密的数学计算方法，习惯上称之为分类器，或　

学习机　，　。　

３．２煤与瓦斯突出因素提取　

研究中选用８个影响因素：活动构造、最大主应　

力、应力梯度、顶板岩性、煤坚固性系数、瓦斯放散初　

速度、瓦斯压力和瓦斯含量。分析各单一因素并进　

行数据处理，提取特征，将单一因素分别与井田内已　

经发生突出的数据复合。　

煤与瓦斯突出危险性划分的概率预测指标：危　险区概率预测指标大于０．６、威胁区概率预测指标为　

０．６—０．３、安全区概率预测指标小于０．３。　

对井田区域进行网格划分，将谢一矿Ｂ１１ｂ划分　

为１００　ｍ×１００　ｍ的网格共计６２９个，研究中为避免　边界效应，研究区域略大于井田范围。　

３．３谢一矿Ｂｌｌｂ煤层煤与瓦斯突出模式识别　

煤与瓦斯突出多因素模式识别概率预测结果，　

以突出危险陛概率值大小生成分层着色预测图（见　

图３），预测结果与工程图结合可生成单元预测图（见　

图４）。对单元突出危险性概率值分析统计结果表　

明，谢一矿Ｂｌｌ

ｂ煤层突出危险性概率值最大值为　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年８月　矿业安全与环保　第３３卷第４期　

０．７６７　５，最小值为０．１５５　３。系统对谢一矿Ｂｌｌｂ煤　层突出危险性区域预测的结果表明该煤层存在严重　

的突出危险。　

图３煤与瓦斯突出模式识别预测结果　

图４突出危险性单元概率预测图　

３．４模式识别概率预测突出危险性效果检验　

谢一矿对Ｂｌ１ｂ煤层的煤与瓦斯突出预测结果　

与实际情况进行了比较，对预测结果进行检验。将　

预测结果与谢一矿已开采区域发生的煤与瓦斯突出　

现象对比，预测结果的总体趋势与现场有较好的一　致性。　谢一矿４２７１Ｂ１ｌｂ为回采工作面，其中一６００　ｍ　

１　回风石门向南１００　ｍ　Ｂ１ｌｂ风巷在原掘进过程中，　

掘进突出危险性较小［ＫＩ＝０．２８　ｍＬ／（ｇ・ｍｉｎ　），钻屑　

量为４．５　ｋｇ／ｍ］，掘进速度快（８０　ｍ／月），预测结果：突　

出危险性概率为０．５９６（突出威胁区）。而在进入切　

眼区域突出危险性增大［Ｋｌ＝０．５　ｍＬ／（ｇ・ｍｉｎ　），钻　

屑量为６　ｋｇ／ｍ］，且在开切眼掘进过程中发生一次突　

出（１３期：２００２—０１—３１，突出瓦斯量１　８００　，煤　４９　ｔ），预测结果：突出危险性概率为０．７４（突出危险　

区）。一６６０　ｍ　Ｂ１ｌｂ机巷在掘进过程中突出危险极　大［Ｋ１＝０．９２　ｍｉｄ（ｇ・ｍｉｎ　），钻屑量为７　ｋｇ／ｍ］，采取　

打钻消突多次发生喷孔现象停止掘进，后采取开采　

下保护层消突方可掘进完工，预测结果：突出危险性　

概率为０．６３（突出危险区）。　

４结论　

１）地质动力区划运用了现代采矿理论、信息　

论、概率论和地理信息系统等理论，建立煤与瓦斯突　

出预测的多因素模式识别概率预测方法，开发了煤　与瓦斯突出区域预测决策分析系统，实现了煤与瓦　

斯突出区域预测的可视化管理。　２）基于地质动力区划的煤与瓦斯突出多因素　

模式识别概率预测方法，以活动构造、最大主应力、　

瓦斯压力和瓦斯含量等作为煤与瓦斯突出发生的主　

要影响因素，用模式识别方法实现了煤层突出危险　

性的分单元概率预测，可方便地划分煤与瓦斯突出　

的危险区、威胁区和安全区，拓宽了煤与瓦斯突出预　

测途径，提高了瓦斯灾害预测的准确性。　

３）将煤与瓦斯突出区域预测与危险区划分结　

果与谢一矿已开采区域发生的煤与瓦斯突出现象对　比，预测结果的总体趋势与现场有较好的一致性，局　

部区域的预测结果与现场实际完全符合。预测结果　

表明煤与瓦斯突出危险性与确定的各单项影响因素　

没有明显的对应关系，说明煤与瓦斯突出是多种因　素综合作用的结果。　

４）煤与瓦斯突出多因素模式识别概率预测结　

果可用数据库方式表示，可以生成等值线图、分层着　

色图、三维图、各类统计图，与工程图结合生成单元　预测图，在ＧＩＳ系统下实现了预测结果的可视化。　该方法工程投人少，简便易行。　

参考文献：　

［１］于不凡．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［Ｍ］．北京：　煤炭工业出版社，２０００　［２］张宏伟．地质动力区划在煤与瓦斯突出区域预测中的应　用［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００３，２２（４）：６２１—６２４　［３］Ｌｉ　Ｓｈｅｎｇ，　Ｈｏｎｇｗｅｉ．Ｃｏａｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｏｕｔｂｕｒｓｔ　ｍｏｄｅｌ　ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｉｎ　Ｍｉｎｉｎｇ［ＪＪ．　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２：３３１—３３４　［４］边肇祺，张学工．模式识别［Ｍ］．北京：清华大学出版社，　２０００　［５］周骏，曲云尧．煤与瓦斯突出模式识别预测软件的设计　原理［Ｊ］．山东矿业学院学报，１９９６，１５（１）：６１～６６　（责任编辑：卫蓉）　

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