矿井动力灾害的地质动力条件和危险性预测.ppt

张宏伟教授辽宁工程技术大学,矿井动力灾害的地质动力条件与危险性预测,1.1矿井动力灾害的动力机制矿井动力灾害以其突然、急剧、猛烈的破坏特征对煤矿的安全构成严重威胁。矿井动力灾害发生的时间和地点分布是不均衡的，具有明显的构造带控制性、分段变化性、区域分布不均匀性，产生矿井动力灾害的主要动力条件外因。第一，岩石（煤）材料应达到负载的极限状态。第二，工程区域的力学状态是不稳定的。第三，系统应具有足够水平的被释放的能量，使系统达到失稳状态并伴随煤层（岩层）的急剧动力破坏。此外还有内因和诱因。因此要研究矿井动力灾害的动力条件，首先要回答能量是怎么产生的来源在哪里,1矿井动力灾害的地质动力基础,从力学观点分析，能量的产生是由于材料的变形所引起。大地构造运动可以用板块构造学阐明其运动规律，可以进行应力和能量分析。矿井动力灾害多发生在井工矿井的采掘活动中，井下工程区域是处于大地构造环境和现代应力场中，所以要分析工程范围内煤岩体能量的积聚，首先要从板块驱动机制和能量积聚分析入手。,板块构造观点把地球作为一个整体来进行研究。认为个别大陆、区域的地质演化是与邻区演化发展密切相关的，也是与全球的演化发展相关的。煤矿生产的工程区域必然位于板块中，发生的矿井动力灾害等动力现象受到板块活动的影响和制约，研究矿井动力灾害首先从板块运动入手。,1.2板块构造及其动力学特征,全球板块划分图据LePichon,1968,1.2板块构造及其动力学特征,全球地震震中分布图,1.2板块构造及其动力学特征,据地质考察证实，大约距今6亿年,喜马拉雅山脉这里是一片古老广阔的“特提斯”海,是古地中海的一部分。到早第三纪末期约240万年前，地壳发生了一次强烈的造山运动，在地质上称为“喜马拉雅运动”，使这一地区逐渐隆起，形成了世界上最雄伟的山脉。经地质考察证明，喜马拉雅的构造运动至今尚未结束，仅在第四纪冰期之后，它又升高了13001500米。现在还在缓缓地上升之中。,南极板块运动位移速率图,太平洋板块向西北方向俯冲≥10mm/a地震活动非常频繁；菲律宾海洋板块向西北俯冲46-55mm/a地震活动频繁；印度板块向北运动150-200mm/a地震活动频繁、青藏高原隆升。,1.2板块构造及其动力学特征,根据板块运动可以分析其能量，假设印度板块平均厚度30km，面积为3000万km2，地壳密度为2.7t/m3，印度板块的运动速度按照板块运动的最低速度算，为10mm/a。计算得到印度板块每年的运动能量至少为2.41019J。如按150-200mm/a的速度计算，则至少还要增加一个数量级。相比之下，太平洋板块的运动能量则会更大。板块运动产生的巨大能量通过地壳岩体介质传递到各次级亚板块和构造块体内，也必然传递到煤矿开采的工程区域，将会引起岩体内的应力和能量重新分布，形成应力升高和降低区域、能量的积聚和释放区域。这是矿井动力灾害发生的动力条件。,1.3矿井动力灾害的动力基础,矿井动力灾害的产生需要较大的能量。根据地震学方法对鹤岗矿区矿井动力灾害的研究表明，震级为1.0～2.5时，矿井动力灾害释放能量为2～20106J。说明板块运动引发的区域构造块体的能量积聚是足够支持矿井动力灾害的发生。这是矿井动力灾害发生的能量条件。也就是说，导致矿井动力灾害发生的能量是由板块运动所引起的。,矿井动力灾害的震级、能量及相关特征,1.3矿井动力灾害的动力基础,既然在板块运动的影响下，引起构造活动和板内构造变形，使得地壳内构造块体中应力和能量的重新分布，所以研究矿井动力灾害的前提是必须从研究板块运动和构造应力场入手。可以说，没有板块运动，就没有构造应力场产生，就没有地壳上的各种地质动力灾害，也就没有矿井动力灾害的发生。能量的存在是各种地质动力灾害和矿井动力现象发生的必要条件，也是产生各种地质动力灾害和矿井动力灾害等矿井动力现象的动力基础。,1.3矿井动力灾害的动力基础,板块运动引起地壳内构造块体煤岩体中应力和能量的重新分布可分为以下几种1应力降低和能量释放区域；2应力和能量的简单增加区域；3应力增高和能量积聚最大处于临界状态区域；4能量超过地壳岩体材料破坏极限区域。第一种情况下进行煤矿开采活动等工程活动，不会对人类采矿工程活动造成动力影响，是安全的；第二种情况下进行煤矿开采活动等工程活动，需要采取一定的防治和解危措施，才能保证安全生产；第三种情况下进行煤矿开采活动等工程活动，必需采取有效的防治和解危措施才能保证安全生产；第四种情况与人类工程活动没有任何联系，地壳中积聚的能量以火山喷发、地震、海啸等形式释放出来。如何确定和划分这几类工程区域，特别在第三种情况下，进一步划分工程的危险区是矿井动力灾害防治工作的重要研究内容。,1.4地质动力作用对矿井动力灾害研究的意义,1.5矿井动力灾害矿区的宏观构造分析,对具有矿井动力灾害现向的矿区的地形地貌分析表明，尽管不同矿区位于不同的高程水平，但是这些矿区都位于地形的低处，矿区的周围则表现为相对明显的隆起。以矿井动力灾害矿区地形的特征为依据，统一将具有这一地形特征的区域称为“构造凹地”。,矿井动力灾害矿区的宏观构造形态,1.5矿井动力灾害矿区宏观构造分析,构造凹地的地质动力学状态可以根据其反差强度进行计算。这里的反差强度包括构造反差强度和地貌反差强度，因二者具有密切的关系，统一以反差强度来进行说明。,C构造凹地的反差强度；,Δh构造凹地最高与最低高程的差值，m；,Δl构造凹地的宽度，km。,构造凹地反差强度与矿井动力灾害等矿井动力灾害的强度呈正相关。,四川盆地地质动力灾害矿区,2.1模式识别方法的提出国内外开采实践表明，矿井动力灾害等矿井动力现向的发生呈区域性分布，而灾害发生区域只占整个开采区域的15～20。矿井动力灾害是复杂的矿井动力现象，影响矿井动力灾害的因素很多，各影响因素与矿井动力灾害之间的相关规律具有不确定性和模糊性。矿井动力灾害预测的模式识别方法的提出基于以下的认识1矿井动力灾害的发生要具有相应的地质动力条件，是受多因素影响的；2不同矿区、不同矿井、不同煤层、不同构造条件下矿井动力灾害具有不同的模式；3虽然准确地预测矿井动力灾害事件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。,2矿井动力灾害危险性预测,模式识别结构图,,2.2模式识别方法,模式识别研究工作主要是开发矿井动力灾害预测模式识别分析系统软件程序。总共开发了一级子模块5个1数据管理子模块；2特征提取子模块；3模式分类子模块；4区域预测子模块；5数据可视化子模块。,2.3模式识别功能模块,1划分预测单元将预测区域划分为有限个预测单元。2模糊推理a知识库；b推理机制c模糊化输入接口；d与反模糊化输出接口3模糊判别规则条件确定a咨询专家意见；b计算机学习4概率预测a输入变量模糊化b模糊算子的应用与模糊蕴含c模糊合成d反模糊化e概率预测及结果后处理,2.4模式识别过程及步骤,2.5矿井动力灾害及其影响因素确定1地质构造2最大主应力3应力梯度4顶底板岩层的结构5煤岩体力学特性6开采深度7区域地震特点8煤层倾角9煤层厚度10煤层变异系数,模式识别方法应用了多种方法综合分析，考虑了多个影响因素之间的联系。分单元概率预测提高了精度和预测的准确性和科学性，建立了预测管理系统。特点是工作量较大，专业性强，周期长。与传统预测方法相比，实现了由单因素预测向多因素预测，由点预测向区域预测，由定性预测向定量预测的发展。,2.6模式识别方法的特点,,,在经度方向处在构造凹地区域，凹地的宽度大约为80km，在纬度方向处于平原和河南西部山区的交界处，在纬向形成了三级阶地，一级阶地是太行山脉1876m，二级阶地是鸡冠山区857m，三级阶地华北平原126m。,,,3.1煤与瓦斯突出的地质动力条件与构造条件分析,3鹤壁矿区应用实例,,,,鹤壁矿区卫片活动构造对煤与瓦斯突出的影响,,3.1煤与瓦斯突出的地质动力条件与构造条件分析,,3.2煤与瓦斯突出预测多因素模式识别结果,鹤壁六矿二1煤层突出危险性区域预测,单元突出危险性与巷道对应关系,鹤壁六矿二1煤层突出危险性概率直方图,网络单元突出危险性概率值,2006年3月6号0点班3402工作面下顺槽;突出地点位于模式识别方法确定的突出危险区。,2006年3月17日3105下顺槽-431.4m标高。突出地点位于模式识别方法确定的突出危险区。,2008年10月13日，21431综采工作面;突出地点位于模式识别方法确定的突出危险区。,4结束语,1工程区域发生矿井动力灾害需要具备相应的地质动力条件，在能量积聚区通过开采活动的诱发，才会发生矿井动力灾害。这一地质动力条件的产生与板块构造运动有密切关系。这是产生矿井动力灾害的应力条件和能量基础。2构造凹地的存在反映了矿区或井田具有产生矿井动力灾害的地质动力条件。可用反差强度来评价构造凹地的地质动力状态和能量积聚等级；可用构造凹地对矿井是否具有动力灾害地质动力条件进行初步判定。3“不同矿区、不同矿井、不同煤层、不同构造和应力条件下，矿井动力现象具有不同的模式”。基于地质动力区划的模式识别预测理论和方法为矿井动力灾害预测提供了科学依据和可行的方法。4在对煤与瓦斯突出、冲击地压和矿震等矿井动力灾害进行深入研究的基础上，建立矿井动力灾害统一预测理论，提出矿井地质动力状态的评价指标体系，确定矿井发生动力灾害的统一判据。,谢谢,