一种矿井断层影响范围的确定方法与流程

本发明涉及矿山安全开采技术领域，具体涉及一种矿井断层影响范围的确定方法。

背景技术：

断层诱发的煤岩动力灾害已成为威胁我国深部煤炭资源开采的主要动力灾害之一；根据国内大量矿井的统计分析来看，临近断层构造区进行采掘作业时，更易发生冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害，发生突然且破坏性强，造成了人员的大量伤亡，给矿井的安全生产带来了严重的威胁。要想有效防治断层诱发的煤岩动力灾害，就要首先预判断层的影响范围。但目前，尚无有效的方法来确定或者预测断层的影响范围，只能采用大范围多手段的实时监测来判断临近断层带巷道的安全稳定状况，难以针对局部危险地带进行重点监测，从而造成了人力、物力与财力的大量消耗。断层影响范围的模糊不清也给断层构造型煤岩动力灾害的预测预警带来了麻烦，即无法确定某区域内的监测信息是否属于断层的活动特征。可见，断层带影响范围的确定方法显得尤其重要，急需解决。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种矿井断层影响范围的确定方法，以达到对断层危险区域的判识以及能够及时有效地采取针对性的防治措施。

一种矿井断层影响范围的确定方法，包括以下步骤：

步骤1、根据地质勘探与井下采掘揭露的地质信息，确定各个断层的空间分布位置、各个断层与煤岩层的空间结构与几何形态；

步骤2、根据煤层与岩层节理化程度、煤层与岩层的构造形态、煤层的厚薄变化、煤岩层顶底板高程的变化、掘进过程中巷道矿压的显现程度、煤体瓦斯含量与掘进过程中瓦斯涌出量的变化，确定断层的前兆影响范围；

步骤3、提取待测煤岩芯加工制作煤岩样的标准试件，并在实验室进行力学测试，获得各个煤岩层的力学特性，确定断层附近的煤岩力学性质，从而确定断层附近的煤岩力学性质弱化带；

步骤4、在开采区域及其断层附近布置地应力测点，获得地应力；

步骤5、根据步骤1的地质信息，构建可描述煤层赋存特征的三维地质模型，再转换成可模拟计算的数值模型；

步骤6、根据步骤3中的各个煤岩层的力学特性，选用摩尔库伦模型，赋予数值模型中煤岩层的力学参数，采用数值模拟方法与步骤4中的实测地应力来联合反演边界应力加载条件，通过确定的边界加载条件对模型进行初始平衡计算，获得模型的初始地应力场；

步骤7、将反演获得的三维地应力云图，沿工作面走向作剖面切片，将切片中的临近断层带最大主应力大于其平均值设定倍数或者小于其平均值设定倍数的区域，作为断层带的应力影响范围；

步骤8、将断层的前兆影响范围、断层附近的煤岩力学性质弱化带与断层的应力影响范围求并集，获得断层带的最终影响范围。

步骤1所述的地质信息，包括：各个地层的岩性、各个地层的厚度、各个地层的顶板高程值、各个地层的底板高程值、各个断层走向、各个断层倾向、各个断层倾向的歼灭点坐标、各个断层走向方向的歼灭点坐标、断层泥夹层厚度、断层倾角、断层落差和断距。

步骤3所述的提取待测煤岩芯加工制作煤岩样的标准试件，并在实验室进行力学测试，获得各个煤岩层的力学特性，确定断层附近的煤岩力学性质，从而确定断层附近的煤岩力学性质弱化带；

具体包括以下步骤：

步骤3-1、通过地勘钻探或井下采掘，获取煤层与岩层岩芯，加工成实验室测试所需的标准试件，测试各个煤层与岩层的煤岩体的力学性质；

所述的煤岩体的力学性质，包括：煤岩体的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、内聚力与内摩擦角；

步骤3-2、采用克里金插值方法，根据已知地点的煤体与岩体的力学强度推估未知地点的煤体与岩体力学强度，若临近断层地点的煤体或岩体的力学强度低于该煤层或岩层力学强度平均值的设定百分比，则该地点为弱化区；通过插值方法加密数据点，获得煤岩层力学强度弱化的临界等值线，等值线所围成的弱化区域为断层带附近的煤岩力学性质弱化带；

所述的力学强度为单轴抗压强度与抗拉强度。

步骤5所述的根据步骤1的地质信息，构建可描述煤层赋存特征的三维地质模型，再转换成可模拟计算的数值模型，具体步骤如下：

步骤5-1、根据步骤1中的地质信息，生成煤岩层顶底板的数据点、断层与褶曲的构造特征线，根据数据点与构造特征线分别建立煤岩层顶、底板的三角网界面模型，将各煤岩层的三角网界面模型按照钻孔综合柱状图的地层空间顺序依次叠放，生成可描述煤层赋存特征的三维地质模型；

步骤5-2、检查三维地质模型各个煤层、岩层和地质构造带是否符合客观实际，若符合则满足要求，则执行步骤5-3，否则，返回执行步骤5-1；

步骤5-3、采用有限元分析法对三维地质模型进行网格单元划分，选取本构模型，不同岩层与煤层赋予不同的物理力学参数，选用自由划分模式对三维地质模型的每个地质体进行网格划分；

步骤5-4、将划分完网格的三维地质模型转化成可模拟计算的数值模型。

步骤6所述的根据步骤3中的各个煤岩层的力学特性，选用摩尔库伦模型，赋予数值模型中煤岩层的力学参数，采用数值模拟方法与步骤4中的实测地应力来联合反演边界应力加载条件，通过确定的边界加载条件对模型进行初始平衡计算，获得模型的初始地应力场；

具体步骤如下：

步骤6-1、根据步骤4获得的地应力，即最大水平主应力、最小水平主应力与铅直应力数据，分别作出三个主应力随深度变化的线性关系，通过线性做线性拟合方程确定3个方向的地应力随深度变化的梯度，即线性方程的斜率；

步骤6-2、确定三维地质模型的边界加载模式，在三维地质模型的X与Y水平方向两侧施加随深度线性变化的边界载荷，其它侧面位移约束，地表为自由端，底面为固定端；

步骤6-3、根据实测地应力特征，确定数值模型中边界加载条件的合理取值范围；

步骤6-4、应用正交试验方法确定数值模拟方案，依据反演因素的数目及每个因素选取的水平数来选定常用正交试验表；

步骤6-5、将正交表所组成的参数样本，通过步骤6-3获得边界加载的量化条件，在数值模型中进行初始平衡计算，获得与实测点相对应的地应力，即最大、最小水平主应力与铅直应力；

步骤6-6、分别将计算得到的应力值样本和边界参数样本作为支持向量机的输入样本与输出样本，构建支持向量机训练模型，再将实测地应力值输入训练好的支持向量机模型，输出获得待反演的参数值；

步骤6-7、基于反演得到的边界条件，再进行数值模拟计算，获得与实测地点相对应的最大、最小水平主应力与铅直应力，构建评价关系式，验证所模拟计算的应力是否满足客观实际的精度；

步骤6-8、将反演计算获得的最优边界加载条件，赋予数值模型，通过模拟计算获得初始地应力场。

本发明优点：

本发明提出一种矿井断层影响范围的确定方法，根据地质勘探信息与巷道掘进揭露情况，确定了断层带的前兆影响范围；根据断层带附近煤岩层的力学性实验，确定了断层上、下两盘的弱化带；依据三维精细化数值模型，反演了地应力的分布特征，从理论上计算了最大主应力影响范围；最终，通过三者的并集，科学地确定了断层带的空间影响范围；这将为断层影响范围提供了一种新的确定方法，也将为断层构造带诱发煤岩动力灾害的危险区域划分提供了新的思路与方法。

附图说明

图1为本发明一种实施例的矿井断层影响范围的确定方法流程图；

图2为本发明一种实施例的断层前兆示意图，其中，1-断层面，2-厚薄变化带，3-断层面一侧煤层，4-断层面一侧牵引褶曲带，5-断层面一侧节理发育带，6-断层面另一侧节理发育带，7-断层面另一侧牵引褶曲带，8-节理，9-断层面另一侧煤层；

图3为本发明一种实施例的断层附近瓦斯赋存分布示意图，其中，A-瓦斯散失，B-瓦斯含量降低区，C-瓦斯含量异常增高区，D-瓦斯含量正常增高区；

图4为本发明一种实施例的步骤5流程图；

图5为本发明一种实施例的三维地质模型的AUTOCAD视图；

图6为本发明一种实施例的三维精细化数值模型的FLAC3D视图；

图7为本发明一种实施例的步骤6流程图；

图8为本发明一种实施例的边界加载模式示意图，其中，10-地表，11-地层，12-水平应力。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，矿井断层影响范围的确定方法，方法流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、根据地质勘探与井下采掘揭露的地质信息，确定各个断层的空间分布位置、各个断层与煤岩层(或称为煤层与岩层或地层)的空间结构与几何形态；

本发明实施例中，所述的地质信息，包括：各个地层的岩性、各个地层的厚度、各个地层的顶板高程值、各个地层的底板高程值、各个断层走向、各个断层倾向、各个断层倾向的歼灭点坐标、各个断层走向方向的歼灭点坐标、断层泥夹层厚度、断层倾角、断层落差和断距；

步骤2、根据煤层与岩层节理化程度、煤层与岩层的构造形态、煤层的厚薄变化、煤岩层顶底板高程的变化、掘进过程中巷道矿压的显现程度、煤体瓦斯含量与掘进过程中瓦斯涌出量的变化，确定断层的前兆影响范围R₀；

本发明实施例中，所述的断层前兆特征，主要包括以下情况：

(1)同一煤层或岩层与断层距离越近，其节理数量与发育程度越高，如图2所示。尤其临近断层时，煤层与岩层的节理充分发育，可通过钻孔勘探煤岩芯单位长度的节理数量或煤岩芯破碎程度，以及每隔10m观测井下巷道断面内的节理数量与发育程度，进而确定断层前兆影响范围R₀₁；

(2)断层附近煤岩层会出现牵引褶曲，如图2所示，通过钻探信息所绘制的地质剖面图与井下掘进的揭露来圈定褶曲初始出现的位置，进而确定断层前兆影响范围R₀₂；

(3)由于断层附近的煤层受到强构造应力的作用，会发生塑性流动，易于出现明显的厚薄变化带，如图2所示；根据钻探信息与井下掘进揭露情况，重点观测煤层厚度的突然变化情况，若煤层在某个位置突然变厚或变薄，由此可确定断层前兆影响范围R₀₃；

(4)由于断层附近会出现煤岩层的牵引褶曲、厚薄变化、断裂错动，同一煤层与岩层的顶底板高程值在断层附近必定会发生明显变化，若煤岩层的顶板或底板高程值在某个位置突然增高或降低，由此判定断层的前兆影响范围R₀₄；

(5)若临近断层的巷道围岩较为破碎，通常会出现片帮、底鼓、顶板下沉与顶板压力的强烈显现，可根据巷道强烈的矿压初始显现的位置来确定断层前兆影响范围R₀₅；

(6)大量实际资料表明，断层构造对煤层瓦斯含量有重要的影响；如图3所示，由于断层受到强烈的构造运动，使得邻近断层面的煤岩体形成大量裂隙，瓦斯顺着断层面逸散，使得线A位置成为瓦斯散失区；由于线B位置的构造应力释放，使之成为低压区，煤层瓦斯大量解吸，同样从断层面逸散，使煤层含气量急剧下降；但在线C位置远离断层面的两侧一般形成构造应力高压区，煤层瓦斯含量相对升高，成为阻止煤层瓦斯进一步向断层运移的天然屏障，使之成为异常增高区域；线D位置为瓦斯含量的正常升高区域。基于上述断层附近瓦斯赋存规律，若断层附近某位置开始出现煤体瓦斯含量与同一采区煤层的瓦斯平均含量相比异常增加或减小，瓦斯涌出量也出现异常增大或减小的现象，可确定断层前兆影响范围R₀₆。

本发明实施例中，最终将上述所获取的前兆影响范围求并集，从而获得最终的前兆影响范围R₀，即R₀＝R₀₁∪R₀₂∪R₀₃∪R₀₄∪R₀₅∪R₀₆。若上述个别前兆特征的显现不够明显，此时，可根据能够确定的前兆影响范围求并即可；

步骤3、提取待测煤岩芯加工制作煤岩样的标准试件，并在实验室进行力学测试，获得各个煤岩层的力学特性，确定断层附近的煤岩力学性质，从而确定断层附近的煤岩力学性质弱化带；

具体包括以下步骤：

步骤3-1、通过地勘钻探或井下采掘，尤其在断层带附近，加大勘探密度，获取煤层与岩层岩芯，按照国家标准GB/T23561《煤和岩石物理力学性质测定方法》，加工成实验室测试所需的标准试件，测试各个煤层与岩层的煤岩体的力学性质；所述的煤岩体的力学性质，包括：煤岩体的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、内聚力与内摩擦角；

步骤3-2、采用地质统计学中的克里金插值方法，根据已知地点的煤体与岩体的力学强度来推估未知地点的煤体与岩体力学强度，若临近断层地点的煤体或岩体的力学强度低于该煤层或岩层力学强度平均值的80％，则认为该地点为弱化区。通过插值方法获加密数据点，借助Suffer软件绘制煤岩层力学强度弱化的临界等值线，该等值线所围成的弱化区域称为弱化带R₁；所述的力学强度为单轴抗压强度与抗拉强度；

步骤4、在开采区域及其断层附近布置地应力测点，获得地应力；

本发明实施例中，布置地应力测点，测试方法可采用空心包体应变计法或水压致裂法，尽可能实测开采区域及其断层附近的地应力，若实测较为困难，可利用所处地域的地质力学资料或井下不同采区或相邻矿井的类比经验，推测地应力场的大致分布特征。地应力的测试方法并不固定，目前行业技术较为成熟，可根据实际需要进行选择；

步骤5、根据步骤1的地质信息，依据点、线、面、体的几何要素，构建可描述煤层赋存特征的三维地质模型；再导入FLAC3D数值模拟软件，转换成可模拟计算的数值模型；

如图4所示，具体步骤如下：

步骤5-1、根据步骤1中的地质信息，生成煤岩层顶底板的数据点、断层与褶曲的构造特征线，根据数据点与构造特征线分别建立煤岩层顶、底板的三角网界面模型，将各煤岩层的三角网界面模型按照钻孔综合柱状图的地层空间顺序依次叠放，最终生成可准确描述断层、褶曲等地质构造特征的三维地质体模型；

本发明实施例中，选择ARCGIS、MAPGIS、3DMINE或AUTOCAD应用软件，图5为在AUTOCAD中生成的义马千秋矿的局部区域三维地质体模型实例。

步骤5-2、检查三维地质模型各个煤层、岩层和地质构造带是否符合客观实际，若符合则满足要求，则执行步骤5-3，否则，返回执行步骤5-1；

步骤5-3、采用有限元分析法对三维地质模型进行网格单元划分，选取本构模型，不同岩层与煤层赋予不同的物理力学参数，选用自由划分模式对三维地质模型的每个地质体进行网格划分；

本发明实施例中，将三维地质体模型输出为.sat格式文件，导入ANSYS14.0软件，目的是对三维地质体模型进行网格单元划分，为此，可随意选取本构模型，这里推荐使用弹性模型，不同岩层与煤层赋予不同的弹性模量和泊松比即可。选择单元体类型为Solid185，选用自由划分Free模式对每个地质体进行网格划分；

步骤5-4、将划分完网格的三维地质模型转化成可模拟计算的数值模型；

本发明实施例中，检查网格单元体划分质量，若重要区域网格单元稀疏，则重新划分；否则，通过编写程序接口，将ANSYS有限元模型生成.Flac3D的数据文件，导入FLAC3D软件，转化成可在该软件下模拟计算的数值模型。如图6所示，为本发明实施例中的义马千秋矿三维精细化数值模型FLAC3D视图；检查FLAC3D中的网格单元是否存在异常，可通过attach face命令检查是否存在sub-grid(独立节点)，若不存在，则模型导入成功，可进行数值模拟计算；若存在，则通过gen merge命令对独立节点进行合并，若合并后仍然存在独立节点或出现了畸形单元体，则执行步骤5-1；

步骤6、根据步骤3中的各个煤岩层的力学特性，选用摩尔库伦模型，赋予数值模型中煤岩层的力学参数，其参数包括：密度、体积模量、剪切模量、泊松比、内聚力、内摩擦角；并根据步骤4中的实测地应力来反演边界应力加载条件，通过确定的边界加载条件对模型进行初始平衡计算，获得模型的初始地应力场；

本发明实施例中，如图7所示，具体步骤如下：

步骤6-1、根据步骤4获得的地应力，即最大水平主应力、最小水平主应力与铅直应力数据，分别作出三个主应力随深度变化的线性关系，通过线性做线性拟合方程确定3个方向的地应力随深度变化的梯度，即线性方程的斜率；

步骤6-2、确定三维地质模型的边界加载模式，本发明实施例中，选用如图8所示的加载模式，在三维地质模型的X与Y水平方向两侧施加随深度线性变化的边界载荷，其它侧面位移约束，地表为自由端，底面为固定端；

步骤6-3、根据实测地应力特征，确定数值模型中边界加载条件的合理取值范围；

本发明实施例中，边界应力加载通过下式计算：

σ_X＝x+C₁H

σ_Y＝y+C₂H

σ_Z＝λ_γH (1)

式中，σ_X为X方向边界加载应力，MPa；σ_Y为Y方向边界加载应力，MPa；σ_Z为铅直应力，MPa；H为采深，m；C₁、C₂为分别为X与Y方向水平应力随采深变化的应力梯度，可通过步骤6-1线性拟合计算获得到；γ为平均容重，kN/m³；x、y参数可参考实际地应力值或者任意选取一定范围，所选范围最好包含实测地应力水平方向主应力的最大、最小值；λ建议取值范围(0.5，2)，视具体情况而定；

步骤6-4、在3个因素x、y与λ的取值范围内选取若干水平，建议选用3因素8水平的正交试验，则相对应的常用正交实验表为L₆₄(8⁹)，即需要做64组数值模拟，每个因素的8组水平试验值为其取值范围内的首、末两端点与等分点的取值；

步骤6-5、将正交表所组成的参数样本，通过步骤6-3计算得到量化的边界加载条件，在FLAC3D精细化模型中进行初始平衡计算，获得与实测点相对应的地应力，即最大、最小水平主应力与铅直应力；

步骤6-6、将计算得到的应力值样本和边界参数样本分别作为支持向量机的输入样本与输出样本，构建支持向量机训练模型，再将实测三向地应力值(最大、最小水平主应力与铅直应力)输入训练好的支持向量机模型，输出即为待反演的参数值x、y与λ；

步骤6-7、依据步骤6-6反演计算的边界条件，进行FLAC3D模拟计算，获得与实测地点相对应的最大、最小水平主应力与铅直应力。若测点的应力满足下式精度要求，则已寻找到最优边界条件，计算结束；否则，重复步骤6-1，直到计算满足精度为止。

max(|σ_H-σ′_H|/σ_H，|σ_h-σ′_h|/σ_h，|σ_v-σ′_v|/σ_v)＜ε (2)

其中，σ_H、σ′_H分别为为实测最大水平主应力与模拟所得的最大水平主应力；σ_h、σ′_h分别为实测最小水平主应力与模拟所得的最小水平主应力；σ_v、σ′_v分别为实测铅直应力与模拟所得的铅直应力；ε为精度，这里可取0.5；

步骤6-8、将反演计算获得的最优边界加载条件，赋予数值模型，通过模拟计算获得初始地应力场；

步骤7、将步骤6反演计算的三维地应力云图，沿工作面走向作剖面切片，将切片中的临近断层带最大主应力大于其平均值的1.05倍或者小于其平均值的0.95倍的区域作为断层带的应力影响范围，记作R₂；

步骤8、对断层带的前兆影响范围R₀、断层带附近的煤岩力学性质弱化带R₁与断层带的应力影响范围R₂求并集，从而得到断层带的最终影响范围R，即R＝R₀∪R₁∪R₂。