义马煤田冲击危险性地质因素指数评价法

张万鹏，李松营，姚小帅，赵红利

(河南能源化工集团 研究总院有限公司，河南 郑州 450046)

冲击地压危险性评价是在分析冲击地压影响因素的基础上，应用相关理论建立矿井冲击地压危险性评价模型，并利用评价模型对目标区域开展冲击地压危险性评价。冲击危险性评价是进行防冲设计，制定科学的冲击地压防治措施的基础。目前，常用的冲击地压危险性评价方法有冲击地压发生可能性指数诊断法、冲击倾向性评价法、综合指数法、经验类比法、数值模拟分析法、钻屑法等，各种评价方法各有优势，现实中均有应用[1-6]。综合指数法是在对以往发生冲击地压灾害矿井的地质和开采方面研究的经验总结和综合分析的基础上所建立起来，具有很好的适用性，评价内容包括地质条件和开采条件两部分，由于其理论简单、计算方便等优点，应用范围较为广泛[7-9]。义马煤田矿井普遍借用综合指数法作为冲击危险性评价的主要手段之一，评价结果为防治冲击地压工作提供了科学依据。

在冲击危险性地质因素评价过程中，地质因素的选取以及确定相应的指数和权重是冲击危险性评价结果准确与否的关键，直接影响到评价结果能否用来正确指导实际工作。不同煤田，影响冲击地压发生的地质因素不同，每个地质因素所占有的权重大小也不同，由于综合指数法地质因素评价方法来源于长期的、大范围防冲经验的积累，适用性很好，但针对性不够突出，采用统一化的地质因素评价标准难以正确评价不同地质条件矿井的冲击危险性[10]。义马煤田冲击地压是煤层顶板巨厚砾岩、南部边界大型逆冲断层、特厚煤层等多种地质因素以及开采条件共同作用的结果，其中影响冲击地压的地质因素特殊、众多且相互耦合，机理较为复杂。本研究意在建立针对义马煤田特殊地质条件的冲击地压危险性评判方法，并对义马煤田冲击地压危险性进行地质分区，同时也期望本文能够对其他冲击地压矿井建立针对自身地质条件的冲击危险性评价方法提供思路。

1 义马煤田概况

1.1 煤田概况

义马煤田位于河南省三门峡市境内，地跨义马市和渑池县，是河南省唯一的中生代成煤盆地，发育中侏罗统义马组煤系。煤田北起于煤层隐伏露头，南止于F16逆断层(义马逆断层)，东西为沉缺边界。目前，矿井主要开采2-3煤，煤厚0～37.5 m，平均厚8 m。煤岩层倾角多为10°～15°，煤层埋深2～1 200 m。煤层直接顶板一般为泥岩，往上为中侏罗统马凹组泥砂岩、砂砾岩互层，平均厚约160 m，再往上为上侏罗统巨厚砾岩，最厚达700余m，底板以泥岩、砂岩和砾岩为主。义马煤田原有杨村煤矿、耿村煤矿、千秋煤矿、跃进煤矿和常村煤矿5对生产矿井及1个露天煤矿——天新公司(原北露天矿)(图1)，合计生产能力1 000多万t。经过数十年大规模开采，义马煤田各煤矿已累计生产原煤3亿t，剩余资源量约3亿t。由于资源枯竭，政策等原因，北露天矿、杨村煤矿和跃进煤矿已相继关闭，耿村煤矿、千秋煤矿和常村煤矿仍正常生产。

图1 义马煤田井(矿)田分布Fig.1 Distribution of coal mines in Yima Coalfield

1.2 冲击地压概况

义马煤田冲击地压从20世纪80年代开始显现，由于没有影响正常生产，加之当时缺乏对冲击地压的认识，故未做记录。首次有记录的是1998年9月3日在千秋煤矿18152运输巷掘进工作面发生的冲击地压，该冲击地压事故导致掘进正头向外20 m至巷口共计100 m范围内，巷道底鼓变形，损坏大量工字钢支架，冲击煤量500 m3，巷道几近充填，造成2人死亡，1人受伤，工作面停产60 d。之后，义马煤田中部5对矿井陆续出现冲击地压，不同程度地受到冲击地压威胁[10]。近年来，义马煤田5对生产矿井均转入深部开采，最大开采深度已达1 060 m，距离大型义马逆断层越来越近，并开始越过该断层。随着采深的增加和开采强度的加大，义马煤田冲击地压灾害趋于严重。截至2020年底，义马煤田已累计发生有记录的较为明显的冲击地压110余次，累计损毁巷道数千米，死亡30余人，直接、间接经济损失合计达数亿元，成为全国冲击地压危害最严重的矿区之一，冲击地压被义煤公司列为首位矿井灾害进行重点防治。

2 地质因素的冲击地压危险性指数判定

地质因素的冲击地压危险性指数判定法建立在综合指数法的基础上，分析义马煤田冲击地压地质因素，确定主控地质因素，并综合考虑每种地质因素对冲击地压的影响程度，结合以往所发生冲击地压事件区域的地质条件，分因素开展指标分级和赋值。评价模型中评价因素的种类和对应指数采用义马煤田冲击地压主控地质因素和对应指数，并引入通过层次分析法(AHP)计算得到各地质因素的权重，对评价方法加以修正，得出针对义马煤田地质因素的冲击地压危险性评价模型。

(1)

式中,Wt1为冲击地压危险性地质因素综合指数；αi为第i个地质因素的权重；Wimax为第i个地质因素中的最大指数值；Wi为第i个地质因素的实际指数；n为地质因素的数目。

2.1 义马煤田冲击地压主控地质因素

义马煤田特殊的地质条件是其冲击地压多发的重要原因，通过分析义马煤田各地质因素与冲击地压之间的关系，确定影响义马煤田冲击地压的主要地质因素有煤层上覆巨厚砾岩厚度、到F16断层距离、软采比(煤层顶板软岩厚度与煤层厚度之比)、沉降系数(采后地表沉降量与采高的比值)、采深、马凹组地层岩性、煤层厚度和是否受开放型构造影响等8个[11-19]。义马煤田冲击地压的发生是上述单一或多种地质因素综合作用的结果。

2.2 义马煤田冲击地压主控地质因素指标分级

通过研究义马煤田冲击地压发生的地质因素，对各地质因素在冲击地压的发生中所起的作用有了初步的认识。根据各地质因素对义马煤田冲击地压的影响程度，结合煤田内各地质因素属性，对比分析已发生110余次冲击事件区域的各地质因素参数，分别对各地质因素进行指标分级和赋值(表1)。

表1 地质因素的指数分级、赋值Tab.1 Index classification and assignment of geological factors

2.3 基于层次分析法的地质因素权重计算

层次分析法(AHP)是一种定性与定量相结合的多准则决策(评价)方法,是将半定性、半定量问题转化为定量问题的有效途径，在实际应用过程中，具有简便、灵活而实用的特点。通过分析影响冲击地压的主控地质因素，将研究对象划分为3个层次。冲击地压危险性是最终目的，作为模型的目标层(A层次)；顶板属性(B1)、构造属性(B2)、埋深属性(B3)和煤层属性(B4)决定了冲击地压发生的可能性，但其影响方式还需通过与其相关的具体因素来体现，这是解决问题的中间环节，即模型的准则层(B层次)，各个具体的主控因素指标构成了本模型的决策层(C层次)，通过对该层次问题的决策，即可最终达到所要求解的目标[20](图2)。

图2 冲击地压危险性评价层次分析结构模型Fig.2 Analytical model of rock burst riskevaluation by AHP

在对义马煤田冲击地压各主控地质因素充分认识，明确相对重要程度的基础上，分层次构造判断矩阵，并通过层次单排序及一致性检验和层次总排序及一致性检验，计算得到各主控地质因素的权重值,具体如下：砾岩厚度0.246 2；马凹组岩性0.084 1;沉降系数0.094 5；软采比0.157 8；到F16断层距离0.205 4；受开放型构造影响程度0.068 5；采深0.073 2；煤厚0.070 4。

2.4 冲击地压危险性评级指标及地质分区

以义马煤田勘探钻孔资料和采掘工作面揭露的地质资料为基础，选取198个评价点，统计各个评价点的地质因素属性。根据各地质因素属性，对照表1对其进行指数分级和赋值。将各参数代入式(1)进行数学运算，计算出每个评价点的冲击地压危险性综合指数Wt1，共计198个，对于空白区域采用插值法赋值，绘制义马煤田地质因素的冲击地压危险性综合指数等值线图，并与义马煤田冲击地压事件分布平面位置图叠加(图3)。

图3 冲击地压危险性综合指数等值线与冲击地压事件分布Fig.3 Comprehensive index contour of rock burst risk and rock burst events

认真对比分析地质因素的冲击地压危险性综合指数Wt1与以往发生冲击事件破坏程度、频发区域之间的分布关系，最终将义马煤田按冲击危险性按综合指数大小由弱到强依次划分为4个等级，分别为：无冲击危险区、弱冲击危险区、中等冲击危险区和强冲击危险区(图4)。综合指数方面，<0.30无冲击危险区；0.30～0.55弱冲击危险区；0.55～0.80中等冲击危险区；>0.80强冲击危险区。

图4 义马煤田冲击危险性地质分区Fig.4 Zoning of rock burst risk in Yima Coalfield

3 现场验证

为了验证义马煤田冲击地压危险性地质分区的合理性，统计了近年来，义马煤田所发生的4次较为明显的冲击地压事件(表2)，采用地质因素的冲击地压危险性综合指数判定法计算得出4处冲击地压发生区域的冲击地压危险性综合指数分别为0.56、0.71、0.85和0.71，对照义马煤田冲击地压危险性地质分区评级指标，4处区域均属于冲击地压危险性地质分区中的中等及以上冲击危险区(图5)。

表2 义马煤田2014年8月至今发生冲击地压事件统计Tab.2 Main rock burst events in YimaCoalfield from Aug in 2014 year

图5 2014年8月以来所发生的4次冲击事件平面位置Fig.5 Locations of 4 rock burst events occured from Aug in 2014 year

4 结语

(1)借鉴综合指数法，针对义马煤田特殊的地质条件，建立了地质因素的冲击地压危险性综合指数法评价模型，引入层次分析法(AHP)计算各地质因素权重对模型进行了优化，综合分析已发生冲击地压事件数量和严重程度的区域分布特点，确定了义马煤田地质因素的冲击地压危险性分级指标，将义马煤田划分为无冲击危险区、弱冲击危险区、中等冲击危险区和强冲击危险区。

(2)冲击地压的发生是地质因素与采矿因素综合作用的结果。地质因素是形成冲击地压的内在的、本质的、控制性因素，是发生冲击地压的根本原因。不同煤田有不同的地质条件，针对煤田的地质条件建立针对性的冲击地压危险性评价模型，有利于准确评价冲击地压危险性，进行冲击地压危险性地质分区，并为结合采矿因素，进一步开展冲击地压危险性综合性评价奠定基础，为制定防冲措施提供科学依据。