深部特厚煤層斷層構造區掘進沖擊地壓發生機制

呂大釗 王書文 史慶穩 孫如達

(1. 陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西省咸陽市，712000；2. 天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013；3. 煤炭科學研究總院開采研究分院，北京市朝陽區，100013；4. 中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

沖擊地壓是礦山深部開采引起的一種動力效應，開采過程中礦井巷道和采場周圍煤巖體在高應力狀態下積聚大量彈性能，彈性能突然釋放的現象具有突發性、瞬時性、復雜性和巨大破壞性等特征。2014年底發生沖擊地壓的礦井已達147座，且隨著開采強度和采深的逐年增加，該數量還在不斷增加。合理利用監測手段，分析監測數據，掌握監測信息的變化規律，能夠更好地開展沖擊地壓理論研究。

沖擊地壓與地質構造密切相關，相當一部分沖擊地壓是由斷裂破壞引起的。華豐煤礦、躍進煤礦、老虎臺煤礦、龍家堡煤礦等地質構造復雜，尤其是斷層分布較多，都發生過強烈的斷層型沖擊地壓，根據工程實際合理劃分沖擊危險區域。2011年11月3日，千秋煤礦21221下巷掘進工作面發生一起沖擊地壓事故，造成10人死亡，60多人受傷。經分析，該事故是在開采活動誘發F16逆斷層活化，使積聚在煤巖體中的大量能量突然釋放而造成的。

彬長礦區是陜西省重要的煤炭基地，隨著開發力度的不斷加大，開采深度已達到600～1000 m。2013年以來，彬長礦區胡家河、高家堡、孟村、亭南等大型礦井先后發生不同程度的沖擊地壓，表現出與斷層、褶曲地質構造相關的特征。本文以孟村礦掘進工作面為研究對象，重點研究深部特厚煤層斷層構造區掘進工作面沖擊地壓的發生機理，以推動彬長礦區沖擊地壓防治水平的提升。

1 工程背景

1.1 礦井概括

孟村煤礦位于陜西省黃隴侏羅紀煤田彬長礦區中西部，設計生產能力6.0 Mt/a，當前處于基建時期。該礦井主要開采煤層為4#煤層，首個開采盤區煤層埋藏深度約720 m，平均厚度24 m，平均抗壓強度24 MPa。經過煤巖沖擊傾向性鑒定，此煤層具有強沖擊傾向性，指標數據見表1。井田以發育寬緩的褶曲為主，含煤地層沿走向、傾向的產狀變化不大，局部斷層發育，無巖漿活動影響。在煤層中部布置主要大巷以及回采巷道，選用綜合機械化掘進，采用錨網錨索聯合支護。

表1 孟村煤礦4#煤試樣沖擊傾向性各項指數測定結果

1.2 沖擊地壓基本情況

圖1 孟村礦井“8·31”沖擊顯現區域

孟村礦井沖擊地壓主要發生在斷層附近，其中DF29大斷層對沖擊地壓的影響最為顯著。2015年8月31日凌晨，中央一號輔運大巷掘進工作面掛網期間，迎頭向后0～30 m發生沖擊顯現，煤柱幫(右幫)最大幫鼓量0.7 m，肩部變形量相對較大，局部開裂，最大裂縫寬度150 mm，2處錨網被撕裂，4處木托盤被壓壞。沖擊顯現位置如圖1所示。

2 斷層構造應力場數值模擬研究

研究斷層構造應力場，特別是正在活動的對采礦活動造成影響的斷層應力場是一項重要課題。斷層附近應力峰值和彈性能分布規律對斷層型沖擊地壓研究十分重要。開展斷層構造帶力學特征和應力場分布特征的研究，對于斷層活化以及斷層沖擊地壓的預測和防治具有重要意義。斷層構造應力場取決于斷層性質(包括斷層面的物理力學性質和斷層的尺寸和方位)和斷層周圍巖體的性質，其中斷層的性質對斷層構造應力場的大小和分布規律起著主導作用。

2.1 斷層模型的建立方法

地質構造帶的力學特征和應力場分布特征的研究方法主要有傳統的定性理論分析方法、物理模擬實驗方法和數值模擬方法。數值模擬實驗研究可以綜合利用其他方法的研究成果，然后建立和模擬各種不受時空限制的地質模型，因此數值模擬成為當前地球科學領域研究的重要手段之一。

FLAC3D數值模擬軟件提供了INTERFACE命令，在該命令的基礎上，模型的一方面可以和模型的另外一方面相互耦合。INTERFACE命令表達了2個接觸平面的相互耦合關系，同時能夠實現接觸面兩側的巖體可以交錯擠壓或相互分離。界面的性能主要表現為法向剛度、切向剛度、粘結力和摩擦力。在平面問題方面，接觸面就是接觸邊，如圖2中的A邊與B邊，點劃線圈定了結點作用范圍。INTERFACE命令被用來模擬斷層、巖層層面等結構面。

圖2 NTERFACE命令示意圖

2.2 斷層構造應力場模擬

孟村礦DF29斷層傾向剖面示意圖如圖3所示。孟村礦井DF29斷層為正斷層，最大落差38 m，傾角55°，埋深720 m。模擬在kn=5×108N·m-1、內摩擦角=15°、粘聚力=1×105N、ks=5×108N·m-1情況下，研究斷層構造應力場的變化特征。煤巖層相關物理學參數參考由實驗室測試數據。斷層影響下垂直應力分布云圖如圖4所示。斷層兩側垂直應力提取曲線如圖5所示。

圖3 DF29斷層傾向剖面示意圖

由圖4和圖5可知，斷層極大地擾亂了垂直應力的分布，但這種擾亂只是發生在斷層附近有限范圍內，超過一定距離后，垂直應力分布恢復正常狀態。斷層兩側垂直應力發生了非常明顯的突變，斷層附近應力顯著降低，形成低應力帶。斷層上盤側地應力受擾亂程度較大，出現應力集中。斷層下盤附近垂直應力顯著降低，然后逐漸升高恢復到正常狀態。斷層上盤影響區范圍約為100 m，斷層下盤影響區范圍約為60 m。

圖4 D29斷層附近垂直應力云圖

斷層端部出現了明顯的應力集中，且上、下盤都是一端高應力集中，一端低應力集中，上端集中程度大于下端，符合斷層附近應力的四象限分布特征。端部的應力集中對斷層附近構造應力場分布產生了很大的影響，上端部應力等值線呈蝶形分布，下端部上盤為高應力區，下盤為低應力區。

圖5 斷層兩側垂直應力分布曲線

3 斷層構造區微震活動監測分析

3.1 微震監測原理

井下煤巖體屬于應力介質，當它受到外力而產生形變并且破壞時，會伴隨著能量的釋放過程，微震在這個能量釋放的過程中成為一種物理效應，也就是煤巖體在它受到外力破壞進程中出現的震動效

應通過變形能以較低頻率(f<100 Hz)震動波的方式呈現。微震監測系統作為一種監測手段，具有區域性和及時性，可以對全礦井范圍所有微震現象實時監測，是當今一種較為先進的動力災害監測技術，在全國范圍內應用廣泛。與其他傳統的監測方法相比，這套系統兼具遠距離、動態、三維、實時監測的特征，煤巖體的破裂尺度和性質能夠被具體震源情況合理確定，全礦井范圍內的沖擊地壓危險性做到有據可查。

3.2 斷層構造區微震活動性的突變特征

不同時期內DF29斷層影響區微震事件平面投影圖如圖6所示。由圖6可知，8月10日至8月20日期間，雖然中央一號膠帶大巷向西掘進約50 m，但絕大多數微震事件被限定在DF29斷層面以東。這表明，該階段內掘進擾動影響受到了斷層的某種阻隔作用，使得掘進影響范圍的擴展受到限制。

分析認為，這可能是因為斷層的存在使得煤巖層不再連續，導致以之為載體的圍巖變形不再連續，即斷層面東側的煤巖變形無法傳遞至斷層面西側，最終使得煤巖變形破裂主要發生在斷層面東側。

隨著中央一號輔運大巷與斷層間距離不斷縮小，上述阻隔作用不斷減弱，微震事件迅速向斷層以西擴展，微震活動性增強，見圖6(c)和(d)。8月31日夜班，中央一號輔運大巷停掘，但微震事件在斷層兩側都均有分布。由此可見，當掘進工作面距離DF29斷層較遠時，斷層附近的掘進擾動強度較低，斷層的阻隔作用可較大程度上中斷掘進擾動向斷層西側的傳遞，使得煤巖層變形破裂主要發生在掘進工作面和斷層之間。隨著巷道繼續掘進，斷層附近擾動強度不斷增強，最終突破該阻隔作用而迅速向西傳遞，微震活動性發生突變，導致斷層西側微震事件在短期內迅速增加，并頻發105J以上的高能事件，該時期內沖擊危險性隨之增大。

3.3 斷層影響區高能震動事件特征

不同時期內DF29斷層影響區各能級微震事件頻次占比如圖7所示。能量大于104J的高能微震事件頻次占比隨時期的變化如圖8所示。

圖7 DF29斷層影響區不同能級微震事件頻次占比

由上述統計結果可知，隨著中央一號輔運大巷與DF29斷層距離的縮小，高能事件頻次占比總體呈增長趨勢。同時發現，雖然9月1日至5日工作面停掘，但該區域高能事件頻次占比仍繼續增加。這是由于斷層面附近煤巖層存在大量不連續界面的，應力分布更為復雜，不連續節界面的錯動滑移及應力集中區的破裂可能同期發生并相互影響，在近距離高強度掘進擾動作用下，易發生更大尺度的破裂，由此引發的微震能量水平更高。不連續界面的存在使得圍巖穩定周期更長，微震活動更為持久。

圖8 DF29斷層影響區104 J及以上能級微震事件頻次占比隨時間的變化

4 孟村礦井斷層構造區沖擊地壓發生機理

沖擊地壓啟動理論認為，沖擊地壓發生屬于一個動力學過程，過程中依次出現沖擊啟動→沖擊能量傳遞→沖擊地壓顯現這三個發展階段；沖擊啟動的內因源于采動圍巖體近場體系內部靜載荷的大量聚集，沖擊啟動的外因源于采動圍巖體遠場體系外部動載荷對靜載荷的疊加、擾動作用；近場圍巖體應力峰值的最大區域就是沖擊地壓啟動區域，沖擊啟動的能量判據為：

E靜+E動-EC>0

(1)

式中：E靜——集中靜載荷；

E動——集中動載荷；

EC——巖體動力破壞所需要的最小載荷。

由沖擊啟動理論可知，孟村礦井掘進工作面沖擊危險性與巷道圍巖靜載荷和動載荷密切相關。

(1)靜載荷分析。由斷層構造應力場模擬結果可知，由于DF29斷層構造的存在，中央一號輔運大巷由上盤向下盤掘進時，將首先經過上盤的應力集中區，掘進工作面圍巖靜載荷大幅增加，成為該區域沖擊危險形成的重要載荷源基礎。

(2)動載荷分析。微震監測表明，由于DF29斷層對掘進擾動存在阻隔作用，向斷層掘進的工作面周圍微震活動性可發生由弱到強的突變，突變點至斷層距離約60 m。突變點以遠掘進時，斷層附近擾動強度較低；掘過突變點后，斷層另一盤活動性急劇增強，高能微震事件頻發，動載荷強度大幅增大，成為沖擊地壓的重要誘發因素。

綜上分析可知，原巖應力狀態下，DF29斷層上盤本身存在靜載荷集中區。同時，在掘進作業擾動下，微震活動在時間和空間上表現出了不均勻性，動載荷在局部區域集中高強度釋放，兩種載荷疊加并超過臨界水平后，將發生沖擊地壓。顯然，無論是動載荷還是靜載荷的異常，均與斷層的存在密切相關，這很好地解釋了孟村礦井斷層附近沖擊地壓較多，而非斷層區很少發生的現象。

5 結論

(1)數值模擬研究了斷層構造應力場的分布規律，原巖應力狀態下，斷層對地應力分布擾動作用顯著，斷層上盤存在大范圍應力集中區，而下盤僅出現應力降低區，上盤應力擾動范圍大于下盤擾動范圍。

(2)由于DF29斷層對掘進擾動存在阻隔作用，由上盤向斷層掘進的工作面周圍微震活動性可發生由弱到強的突變。突變點以遠掘進時，斷層附近擾動強度較低；掘過突變點后，斷層另一盤活動性急劇增強。

(3)斷層可導致掘進工作面圍巖靜載荷和動載荷均發生異常增高，兩者疊加后易超過臨界水平，進而發生沖擊地壓。