基于事故树分析法的林华煤矿煤与瓦斯突出事故分析

基于事故树分析法的林华煤矿煤与瓦斯突出事故分析

0煤与瓦斯突出动力现象特征林华煤矿是保证“能源东送”的主要项目，也是黔北煤矿和金沙煤矿的主要煤炭。但是林华矿井瓦斯涌出量大,煤与瓦斯突出严重。2001-2006年间二采区(原林华一矿)在井下施工过程中,共发生煤与瓦斯突出动力现象24次(其中2001年1次、2002年3次、2003年5次、2004年3次、2005年11次、2006年1次)。其中23次发生在9号煤层掘进施工过程中,1次发生在+1046m石门揭开5号煤层。矿井瓦斯灾害已成为制约矿井安全生产的主要因素。通过具体研究林华煤矿历次的煤与瓦斯突出事故资料,定性、定量分析研究林华煤矿煤与瓦斯突出事故树,得出断层为林华煤矿煤与瓦斯突出事故的主控因素,运用分形理论中盒维法和信息维法分别对林华煤矿突出主控构造特征进行分析,得出了煤与瓦斯突出控制构造的分形特征,为未开采区域的煤与瓦斯突出预测提供了一种新的科学有效的方法。1林华煤矿瓦斯突出事故树的基本事件结合林华煤矿的实际瓦斯地质状况和建矿以来9号煤层已经发生的、有记载的瓦斯突出实际资料,对矿井瓦斯突出事故树进行详细的分析。林华煤矿9号煤层已经发生且具有记载的突出事故23起,将每一起瓦斯突出点及其附近的瓦斯地质资料进行整理、分析,根据煤与瓦斯突出事故树(图1),得出影响和控制该矿井瓦斯突出的基本事件包括:激发因素、断层构造、煤体厚度变化、煤层埋深、煤体倾角变化、煤体破碎性、煤体强度、煤层分叉及合并、断裂破碎带透气性,采用事故树分析方法计算林华煤矿瓦斯突出事故树中各不同基本事件的结构重要度系数,并按从大到小的顺序排列,得出对林华煤矿瓦斯突出影响作用按重要性大小和控制程度依次为激发因素、断层、煤体破碎性、煤体强度、煤层分叉及合并、断裂破碎带透气性、煤层埋深、煤体倾角变化、煤体厚度变化等。这与矿山实际生产过程中积累的经验和目前实际掌握的资料是相符的。由于激发因素为人类矿山开采活动,为不可避免因素,只能降低外力的强度和采取避难措施。综上,可以得出断层构造是林华煤矿煤与瓦斯突出的主控因素。2林华煤矿和砖瓦技术的突出特征2.1地震地质构造对煤与瓦斯突出的控制作用由于矿区内断层形态不规则,分布复杂,用传统的数学方法难以对其进行准确量化的描述。目前,对煤与瓦斯突出的构造控制的研究仍处于定性分析阶段。分形几何学理论为定量描述不规则事物及其变化规律提供了有力的工具。应用分形理论研究井田内断层构造对煤与瓦斯突出的控制作用,可以全面准确地量化表达地质构造与瓦斯突出的关系。通过比较不同尺度上各类地质构造对突出危险性的控制,可以形成较为可靠的突出预测指标。林华煤矿位于金沙—黔西向斜的北西翼,总体呈一向斜构造,并有次一级褶曲(新华向斜)。金沙—黔西向斜位于井田之东侧,轴长约20km,走向NNE20°,向斜宽约20km,其轴线在平面上呈“S”形,北面变为北东东向,南面为北东向,为一开阔不对称向斜。新华向斜位于井田中部,走向NEE70°左右,井田内长约4km,包括区外其清楚段长约11km,为金沙—黔西向斜北西翼的次一级褶曲,为一宽缓的不对称向斜,轴面倾向北西,向斜宽约2-4.5km。内发现断层15条,其中:小于30m的断层6条,隐伏断层9条。2.2线性关系关联检验盒维法以不同边长为r的正方形格子构成网格平面去覆盖断层平面分布图,统计出包含断层的网格数N(r)。根据分维的定义:对N(r)和r分别取对数后推导出:将计算所得的一系列[lnr,lnN(r)]值进行线性回归分析,直线的斜率就是所求的盒维数a1。断层体系的信息维数定义为:式中,fi(r)为断层落入第i个尺度为r的盒子内的概率,令ni为第i个尺度为r的盒子内的断层条数,N为盒子总数,则这一概率为:在实际计算中,令F(r)=-∑fi(r)lnfi(r),用实测的一系列(F(r),r)值,通过最小二乘法拟合得F(r)与lnr之间的线性关系:则可由直线斜率求出信息维数a2。相关系数可以表征线性关系关联的程度,相关系数越趋近于1表明关联性越好。分维数和信息维数的数值大小代表了断裂构造的复杂程度,数值越大表明断裂构造越复杂。盒维仅仅统计是否有断层通过的信息,对于通过的断层的个数没有研究,而信息维既考虑了预测单元内是否有断层穿过,也考虑到预测单元内断层的条数,因此,信息维数比盒维数更能反映断层体系空间分布的复杂程度和结构特征。对林华煤矿煤与瓦斯突出集中区(北京坐标系X:3033400-3034600;Y:35610800-35615400)范围内,以边长为r的正方形格子构成网络平面区覆盖,分别计算r=400m,r=200m,r=100m,r=50m,r=25m,r=12.5m时的lnN(r)值、F(r)值,由lnN(r)、F(r)分别与lnr之间的线性关系,可以得出盒维数a1、信息维数a2,见表1,图2。由表2、图2可以看出分形维数中信息维数a2为0.7937,盒维数a1为0.7594,信息维数的线性相关系数为0.9888,盒维数的线性相关系数为0.9886。相关系数均大于0.9880,良好的线性拟合关系说明林华煤矿二采区煤与瓦斯突出集中区煤层断裂的分布在所采用的标度下具有良好的统计自相似性,从而表明研究区域范围内断层构造具有分形特征。两者对比,信息维数能比盒维数线性相关系数更大,线性拟合关系更好,更能表征研究范围内断层的复杂程度。构造信息维数达到0.7937的区域,地应力较大,煤体结构破坏严重,煤中蕴含大量瓦斯,瓦斯应力较大,容易发生煤与瓦斯突出。3林华煤矿煤与瓦斯突出区域构造的研究思路(1)通过事故树分析,对林华煤矿瓦斯突出影响作用按重要性大小和控制程度依次为构造应力场影响、煤体破碎性、煤体强度、煤层分叉及合并、断裂破碎带透气性、煤层埋深、煤体倾角变化、煤体厚度变化等,得出构造是林华煤矿煤与瓦斯突出的主控因素。(2)运用分形理论对林华煤矿突出区域的构造进行分析,研究发现信息维数能比盒维数线性相关系数更大,线性拟合关系更好,更能表征研究范围内断层的复杂程度。(3)研究发现林华煤矿突出区域内地应力、瓦斯应力集中,煤体结构破坏