煤矿井下小断层延伸长度定量化预测研究.pdf

2020 年 5 月2020 年第 5 期 综采是矿井煤炭开采的主流生产工艺，有效提高 了矿井煤炭产量，同时也对矿井地质构造探测及预测 工作开展提出了更高的要求。断层作为井下常见的地 质构造，其复杂程度直接影响矿井地质构造的复杂程 度[1]。由于前期对小断层构造探明或者预测性差，会给 矿井采掘工作的正常开展带来不利影响，甚至有些矿 井出现采掘工作停止、搬家的情况[2-3]。为了实现对小 断层延伸长度的有效预测，更好地服务于矿井生产， 通常依据采掘揭露的小断层统计数据，采用一定的技 术方法来分析断层赋存规律[4-5]。 1矿井概况 山西 A 矿设计产能 5.0伊106t/a，采用综采方式。井 田总体位于一西南向向斜上，产状平缓，总体倾向为 220毅耀250毅，倾角在 5毅内。矿井批准开采 2 号、3 号、4 号、 6 号、11 号煤层，煤层埋藏深度介于 180耀650 m。现阶 段，矿井采掘活动集中在 2 号、3 号煤层内，在前期地 质勘探、井下掘进中揭露的断层均为正断层，落差在 5 m 以内的断层占所探测出断层总数的 95以上，井 下采掘工作中揭露的未能提前发现的复杂小断层在一 定程度上影响矿井生产。 2小断层延伸长度影响因素分析 2.1采掘揭露断层分布规律 依据采掘活动揭露的断层分布规律，落差大的断层 一般处于断层中部，在向两端延展的过程中落差逐渐降 低。井下采掘活动揭露的断层位置具有随机性，若直接 依据揭露位置处断层落差来预测断层空间展布，则会因断 层揭露不全面而导致小断层延伸长度预测结果不准确。 为了更为准确地预测小断层延展长度，采用断层落 差变化梯度来对井下揭露断层延展进行预测。根据井下 采掘过程中揭露断层参数，通过制作断层落差变化梯度 计算图 （ 见图 1 ） ，来对断层延伸方向及长度进行预测。 图 1断层落差变化梯度计算示意图 计算公式为 q h1-h2 L1 ，1 Lh2 q ，2 具体得 L h2L1 h1-h2 ，3 式1～3中，q 为断层落差变化梯度，无量纲；h1、h2 分别为巷道两帮揭露断层落差，m；L1为揭露断层走向 垂直距离，m；L 为预测的断层延伸长度，m。 在井下采掘中若直接揭露最大落差断层，现场通过 测量 3 个落差值 （ 最大落差 hmax、两侧一段距离断层落 差 h1和 h2） 即可推断出断层延伸长度；若揭露断层位 于最大落差一端位置，现场通过测量 2 个落差值即可预 收稿日期2020-04-03 作者简介张帅帅，1990年生，男，河北沙河人，2015年毕业于河 北工程大学地质测量专业，助理工程师。 煤矿井下小断层延伸长度定量化预测研究 张帅帅 （ 山西三元煤业股份有限公司，山西 长治 046000 ） 摘要 以山西 A 矿开采的 3 号煤层采掘活动已揭露的小断层资料为基础，选取断层落差、倾角、延伸长度 3 个参数， 通过多线性回归方法构建 NW、NE 2 个方向的断层延伸长度预本构模型，并进行现场应用。结果表明，构建的小断层预 测模型预测的小断层延伸长度的准确率在 90以上，可以为后续揭露小断层延伸长度的确定提供可靠的参数指导。 关键词 煤矿开采；地质构造；小断层；延伸长度；线性回归 中图分类号 TD163.1文献标识码 A文章编号 2095-0802-202005-0101-02 Research on Quantitative Prediction of Small Fault Extension Length in Underground Coal Mine ZHANG Shuaishuai Shanxi Sanyuan Coal Industry Co., Ltd., Changzhi 046000, Shanxi, China Abstract Based on the data of small faults exposed by the mining activities of No.3 coal seam in Shanxi A Coal Mine, this paper selected three parameters of fault throw, dip angle and extension length, constructed a pre-constitutive model of fault extension length in NW and NE directions through multi-linear regression , and applied it in the field. The results show that the accuracy of the prediction model of the small fault is more than 90, which can provide reliable parameter guidance for the determination of the extension length of the subsequent exposed small faults. Key words coal mining; geological structure; small faults; extension length; linear regression （总第 176 期） 技术研究 巷道位置 L1 L 101 2020 年第 5 期2020 年 5 月 测该侧断层延伸长度。3605 运输巷两帮揭露断层的素 描图见图 2。 2.2小断层延伸长度预测影响参数选择 对该矿 3 号煤层采掘活动中已经揭露的断层分布 情况进行分析，选取断层落差、倾角、延伸长度等因 素，并引入到线性回归方程中，以便构建合理的小断 层延伸长度预测模型。依据 3 号煤层采掘揭露断层情 况，按照断层力学性质差异，具体可以分为 NW 向、 NE 向断层，简化断层延伸长度与其他因素间的关系。 设定断层延伸长度为 y1，断层落差、倾角为 x1、x2，具 体揭露的 NE 向、NW 向小断层参数见表 1、表 2。 表 1NE 向小断层参数表 表 2NW 向小断层参数表 对表 1、表 2 的数据进行线性回归分析，具体如 下a 通过多元回归分析，得出复相关系数 R0.946， 表明自变量断层延伸长度 （ y1） 与因变量断层落差 （ x1） 、 倾角 （ x2） 呈正相关；决定系数 R20.895，表明自变量 y1的变异中有 89.5可以通过 x1、x2控制。b 根据方差分 析结果，Significance F（ 即 P值，弃真概率） 1.88伊10-6约 5，表明采用的线性方程统计效果显著。c 根据回归 参数可知，统计量 t 的 P 值分别为 0.685、6.18伊10-5， 表明 x2与 y1间关联性不大。由此得出，x1是断层延伸长 度的主控因素。 3预测模型构建与校核 3.1预测模型构建 剔除回归方程中不显著的变量，即剔除断层倾角 x2，将回归方程简化成一元线性方程，即可得到 NW 方 向小断层延伸长度回归计算方程 y56.596x-2.870 7，4 同理，即可得到 NE 方向小断层延伸长度回归计算方程 y46.975x3.412 8，5 式4耀5中，x 为断层落差，m；y 为断层延伸长度，m。 3.2预测模型校核 采用得到的小断层延伸长度预测回归方程在矿井巷 道掘进中揭露的断层处进行校验，具体在 3607 运输巷揭 露 3 条 NE 方向断层、3502 回风巷掘揭露 3 条 NW 方向 断层。实际揭露的小断层延伸长度、预测长度等见表 3。 表 3小断层延伸长度和预测长度等对比表 由对比结果可知，采用线性回归预测模型得到的 小断层延伸长度预测结果准确度可以达到 90以上， 预测结果可以满足煤矿井下预测需要。随着矿井采掘 活动的增加，在生产过程中揭露的断层数量逐渐增多， 通过不断地对断层预测模型进行修正，从而使得预测 结果与实际情况更为接近，更好地服务于矿井生产。 4结语 a 以山西 A 矿开采的 3 号煤层小断层延伸长度预 测为研究对象，对采掘活动中揭露的断层资料进行整 理分析，并选取断层落差、倾角作为小断层延伸长度 的主要影响因素，构建了小断层在 NW、NE 2 个主控 方向上的延伸长度预测本构模型。 b 分析结果证明，该矿开采的井田范围内断层倾 角对小断层延伸长度影响不显著，断层落差是制约小 断层延伸长度的主要因素，并具体构建了断层落差与 小断层延伸长度的一元线性归回方程。 0.5 0.4 1.95 0.50.6 0.3 a 左帮 单位m 单位m 0.5 0.4 0.30.5 b 右帮 图 23605 运输巷两帮揭露断层的素描图 编号性质方向落差 x1/m倾角 x2/毅延伸长度/m 1正断层NE1.53678 2正断层NE1.850129 3正断层NE1.06679 4正断层NE1.34745 5正断层NE1.84578 6正断层NE1.54554 7正断层NE1.53595 8正断层NE3.243197 9正断层NE4.355230 10正断层NE1.24282 11正断层NE1.05039 编号性质方向落差 x1/m倾角 x2/毅延伸长度/m 1正断层NW2.5043108 2正断层NW1.204053 3正断层NW1.002537 4正断层NW0.806048 5正断层NW0.503528 6正断层NW1.603573 7正断层NW2.5075134 8正断层NW1.504583 9正断层NW1.205568 编号性质方向 揭露 巷道 倾角/ 毅 落差/ m 实际延伸 长度/m 预测延伸 长度/m 准确 率/ 1正断层NE 3607 运输巷421.685.2087.6897.17 2正断层NE 3607 运输巷381.369.3070.7098.01 3正断层NE 3607 运输巷552.2116.60121.6495.86 4正断层 NW 3502 回风巷752.8127.24131.5396.74 5正断层 NW 3502 回风巷603.4155.63159.7297.44 6正断层 NW 3502 回风巷603.1131.61145.6290.38 （下转 108 页） 102 2020 年第 5 期2020 年 5 月 （上接 102 页） c 将现场井下采掘活动中揭露的 6 条断层与预测 模型计算结果进行对比，结果表明，采用预测模型计 算得出的小断层延伸长度的准确率在 90以上，表明 所构建的小断层预测模型在矿井 3 号煤层小断层预测 中具有较强的适用性。 参考文献 ［1］ 刘燕.矿井断层构造特征分析及展布预测研究 ［J］ .当代化工 研究， 20198 68-69. ［2］ 施龙青， 黄纪云， 高卫富， 等.多元线性回归在矿井断层延展长 度预测中的应用 ［J］ .煤炭技术， 2019， 386 71-73. ［3］ 朱有彬， 李绍海.小断层延伸长度定量化预测在王家塔井田的 应用 ［J］ .能源与环保， 2018， 4012 89-92. ［4］ 何沿平， 郁钟铭， 向永靖.断层延伸长度的数学分析研究 ［J］ . 六盘水师范学院学报， 2017， 293 40-42. ［5］ 亚东菊.处理技术对小断层识别与预测的影响研究 ［J］ .煤炭 与化工， 2019， 429 73-75. （ 责任编辑刘晓芳 ） O2量，使得该区域不具备自然发火的必要条件。 基于上述分析可知，实现采空区有效堵漏和防灭火 应当具备的两个条件为a 构成尽可能小的火区封闭边 界；b 构成的火区封闭边界应具备较高的稳定性[4]。 根据通风阻力定律 （ 如式1所示 ） DhRQn，1 式1中，Dh为漏风通道两侧风压差值，Pa；R 为漏风 通道风阻，N S2/m8；Q 为漏风量，m3/s；n 为漏风流态 指数，常数，取 1耀2。 分析式1可知，为最大程度降低采空区漏风量， 应当尽可能使漏风量 Q 趋于 0 m3/s，其有效途径主要 有两种a 增大采空区漏风阻力；b 缩小采空区密闭 区域内外压差[5]。前一种情况为密闭防火，后一种情况 为均压防火。在实际应用中，矿井压力、煤柱受损情 况、漏风量、防火墙密闭性等诸多因素均可对防灭火 的最终成效造成影响。鉴于此，只要采空区进风侧与 回风侧之间存在漏风压差，单一的堵漏作业便无法实 现对采空区的有效防护。应用均压通风防灭火技术， 将进风侧与回风侧风压差保持在相对均衡的水平，便 能够从根本上遏止漏风进入采空区，从而有效规避自 燃现象。 一般来说，根据煤矿井下所施工区域是否有效封 闭，均压可分为闭区均压和开区均压两种。前者是指 对于存在自燃风险的密闭区，通过均压调节的方式有 效预防煤炭自燃；后者是指对正在回采的作业面进行 风压调控，从而减少采空区漏风，在抑制遗煤自燃的 同时防止采空区有害气体涌出，提升回采安全性。 4均压通风防灭火技术实践应用分析 A 矿 2398 作业面回采期间，因调风作业需求，在 与封闭区相连的巷道内配设有调节风门 F。在作业面完 成回采作业后，于两侧巷道各布设一个密闭墙，如图 1 所示。作业面回采完成后 2 个月，在密闭墙 2 内发现 CO 且其浓度在短时间内快速升高。分析其原因主要有 两点a 密闭墙 2 所处的巷道为煤巷，构建密闭墙时 与顶板接触不密实，导致密闭墙上部与采空区间有了 连接通道；b 密闭区进风侧与回风侧之间布设有调节 风门 F，导致密闭墙 1 与密闭墙 2 之间压差较大，出现 向采空区漏风的现象，引发遗煤自燃，进而使得 CO 自 密闭墙 2 上部溢出[6]。 针对上述问题，采用均压调节治理方式，具体操作 流程为在采空区并联封路的风流汇合处布设调节风 门 F1，同时拆除原有的调节风门 F。采用这一方式，密 闭墙 1 与密闭墙 2 之间的风压差得到有效控制，密闭墙 2 处 CO 浓度明显降低，安全风险得到有效消除。这表 明均压通风实现了对采空区遗煤自燃的有效治理。 图 1作业面均压通风防灭火布设示意图 5结语 煤矿井下采空区遗煤自燃是矿井生产中威胁生产 安全的主要因素之一，采取有针对性的措施进行防治， 对于提升矿井生产安全性和综合效益意义重大。均压 通风防灭火技术是一种有效的采空区遗煤自燃防治技 术。矿井管理者应当加强对防灭火技术的探究，结合 生产实际，实现对相关技术的有效应用，从而为矿井 长久发展提供坚实保障。 参考文献 ［1］ 李红月.云岗矿均压通风防灭火技术实践 ［J］ .山东煤炭科技， 201911 78-80. ［2］ 张九零， 朱壮， 范酒源， 等.均压通风技术防治综放工作面 CO 浓度超限研究 ［J］ .中国矿业， 2019， 282 117-120. ［3］ 岳峻峰.均压防灭火技术在煤矿安全生产管理中的研究 ［J］ . 西部探矿工程， 2019， 315 180-182. ［4］ 孙勤盛， 毕俊刚， 郝晋伟， 等.均压技术在西铭矿 49409 工作面 的应用 ［J］ .煤炭工程， 2017， 4912 80-82. ［5］ 王元元， 师旭.上覆采空区下工作面均压通风技术应用研究 ［J］ . 能源技术与管理， 2018， 433 40-41. ［6］ 郭世钢.闭区均压防灭火在瓦斯矿井中的应用 ［J］ .山西能源 学院学报， 2018， 313 44-46. （ 责任编辑刘晓芳 ） 2398作业面 密闭墙2 密闭墙1 F F1 108