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1、 辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新张宏伟 教授辽宁工程技术大学2010.8辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新1.1 矿井动力灾害的动力机制u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，u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。u因此要研究矿井动力灾害的动力条件，
2、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辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新从力学观点分析，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。辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新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
3、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辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新全球板块划分图(据Le Pichon,1968)1.2 板块构造及其动力学特征辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新全球地震震中分布图1.2 板块构造及其动力学特征辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新据地质考察证实，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
4、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。辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新南极板块运动位移速率图 u太平洋板块向西北方向俯冲(10mm/a)地震活动非常频繁；u菲律宾海洋板块向西北俯冲(46-55mm/a)地震活动频繁；u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辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新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/m
5、3，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辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新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，
6、震级为1.02.5时，矿井动力灾害释放能量为 220106J。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项目数值或宏观调查 情况地震学 方法分 析结果里氏震级(ML)1.02.5测定能里释放(106J)220地震矩(1013Nm)1.915.87应力降(MPa)0.120.35环境剪切应力(MPa)1.122.49能量释放体底板岩体、煤体和断层参与，以底板释放弹性能为主震动优势频 率(Hz)0.61.8震动持续
7、时间 (S)2025辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新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辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新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
8、：(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
9、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辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新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 辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新 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
10、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；h构造凹地最高与最低高程的差值，m； l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。 辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新四川盆地地质动力灾害矿区辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新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
11、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辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新模式识别结构图2.2 模式识别方法辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新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：(
12、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 模式识别功能模块辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新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辽宁工程技术大学地质动力区划研究所 中国 阜新2.5 矿井动力灾害及其影响因素确定 (1) 地质构造 (2) 最大
