斷層對不規則工作面應力分布影響的研究

馬金建

(棗莊礦業濟寧七五煤業有限公司，山東 濟寧 272000)

0 引言

斷層是巖層或巖體順破裂面發生明顯位移的構造，一般分為正斷層、逆斷層。斷層又常是地下水、油氣甚至巖漿入侵的通道。以七五煤業3上218不規則工作面為研究對象，通過數值模擬、極限理論和現場微震及應力綜合分析，對回采工作面靠近斷層時應力分布進行研究。依靠沖擊地壓監測設備及手段，研究斷層對不規則工作面應力分布的影響規律，制定有針對性的預防措施，為開采類似工作面提供參考。

1 工作面概況

山東七五煤業公司3上218工作面位于-624 m水平南二采區東翼，北側距北三輔助軌道下山約80 m，西側距副井約380 m，工作面上表無采掘活動，對應地表皆為農田，回采對地面無影響。3上218工作面地面標高+41.2 m，井下標高-628.8～-650 m，埋深約665～692 m。受F317斷層(H=10～20 m)影響，工作面不規則。傾向長度41.2～113.4 m左右，走向長度514.5～541.8 m。

3上218工作面屬于沿斷層布置的深部開采工作面。與實體煤工作面相比，沿斷層布置的深部開采工作面受斷層、火成巖侵入、煤層相變疊加影響，沖擊地壓危險性更高。

2 沖擊地壓影響因素

2.1 開采深度

隨著開采深度的增加，上覆巖體給煤巖體加持較高壓力，隨著壓力增大，煤巖體更易達到彈性能臨界點，造成沖擊地壓發生。對于存在構造應力的原始應力場，開采深度一般超過400 m，即有可能出現沖擊破壞的事故。

3上218工作面埋深665～700 m，對于埋深條件，工作面存在發生沖擊地壓的危險。

2.2 工作面煤體及頂底板沖擊傾向性

煤(巖)的沖擊傾向性是煤(巖)體固有的一種內在物理屬性，可以評定煤(巖)體本身具有沖擊傾向性，在相同條件下，沖擊傾向性高的煤(巖)體發生沖擊的可能性要大于沖擊傾向性低的煤(巖)體。

經過專業機構評價，3上煤層動態破壞時間Dt=1 713 ms，彈性能量指數WET=2.92，沖擊能量指數KE=7.98，單軸抗壓強度Rc=10.8 MPa，具有弱沖擊傾向性。

3上煤層頂板巖層的彎曲能量指數為113 kJ，3上煤層底板巖層的彎曲能量指數為67.35 kJ和85.64 kJ。

故得出結論，3上煤層及頂、底板均為弱沖擊傾向性。

2.3 覆巖運動的影響

近距離堅硬巖層影響：南二采區東翼3上218工作面基本頂為7.1 m的中砂巖，屬堅硬厚頂板，工作面內煤層平均厚度為4.1 m，堅硬頂板與煤層厚度比值達1.73。

遠距離堅硬巖層影響：3上煤層頂板上部300 m外存在一層厚度達230 m左右的巨厚礫巖層，煤層和礫巖層之間存在若干層10～50 m厚度的砂巖層。當關鍵層(特別是巨厚礫巖主關鍵層)斷裂前后將會出現能量的集聚和突然釋放，誘發沖擊地壓的發生。

通過測定七五煤業公司3上煤層頂板巖層的彎曲能量指數為113 kJ，根據中華人民共和國煤炭行業標準《巖石沖擊傾向性分類及指數的測定方法MT/T 866—2000》，故得出結論，3上煤層頂板為弱沖擊傾向性。

2.4 斷層構造區域沖擊地壓分析

斷層切斷了煤層的整體性，對正在推進的工作面周圍應力分布有很大影響。當工作面回采接近斷層構造時，工作面與斷層之間形成孤立小煤柱，前方頂板巖層形成懸臂梁結構，與工作面煤壁形成一定夾角的加持力，造成加壓作用，導致該區域形成應力集中區。

當工作面開采后，在工作面側向形成支承壓力，巷道幫部一定范圍內承受的壓力較大，動力顯現發生的頻率就高。圖1是工作面過正斷層前后的支承壓力分布特征。顯然，在斷層區域出現易于常態的高應力分布。

圖1 正斷層支承壓力分布

3上218工作面回采過程揭露F317斷層(H=10～20 m)與火成巖，形成兩道巖墻，靠近斷層區域存在沖擊地壓危險性。

3 沖擊地壓防治監測技術

3.1 微震法監測

微震監測系統能夠接收巖體破裂時產生的高頻段能量，通過對能量頻段的分析、微震探頭接收的間隔，計算事件的能量大小及準確定位。根據微震事件的分布規律及能量大小，判斷頂板運動情況和支承壓力峰值的位置，進而根據頂板破斷情況和高應力區與煤壁的相對位置關系對沖擊地壓進行區域性預警。

3上218工作面回采期間沖擊地壓危險區域監測：KJ551微震監測系統，該系統由微震傳感器、電纜、微震監測主站、地面監控系統等組成。正常每巷安裝不低于2個微震傳感器固定在頂板或者底板錨桿上，第1個距采煤工作面100～200 m，第2個距第1個150～300 m，隨著工作面向外推采，逐漸外移微震傳感器，微震傳感器安裝位置要根據現場推進度以及現場監測事件分析擇優選擇，對監測到的微震事件及時分析預報沖擊危險性。如圖2所示。

圖2 微震監測儀器布置示意

圖3(a)為3上218工作面微震事件監測圖(2019年12月31日—2020年1月6日)。在這個時間段內，3上218工作面進行工作面初采時,受到一次見方、斷層等因素影響，微震事件明顯增多，事件總能量明顯增大，微震事件多分布在工作面里第1條斷層處(靠近工作面切眼)，造成斷層附近區域形成應力集中區。

圖3(b)為3上218工作面微震事件監測圖(2020年2月17日—2020年2月24日)。工作面勻速生產，臨近工作面第1條斷層(靠近工作面切眼)，微震事件較初采時期事件減少，單個能量事件較初采時期較大，微震事件多集中在第1條斷層處。工作面臨近斷層，前方煤壁與斷層之間形成孤立小煤柱，前方頂板巖層形成懸臂梁結構，對前方煤壁造成加壓作用，形成應力集中區。

圖3 3上218工作面微震事件監測

圖3(c)為3上218工作面微震事件監測圖(2020年2月24日—2020年3月2日)。微震事件個數、能力大小較上一時期明顯減少，微震時期分布在兩道巖墻中間。工作面推采至臨近斷層處，頂板垮落基本完全，頂板距離無法形成懸臂梁結構，無大的巖層活動，第1條斷層與采煤工作面之間區域微震事件明顯減少。工作面應力重新分布，斷層與火成巖形成兩道巖墻，阻隔應力傳遞，兩道巖墻之間煤柱形成孤立煤柱，形成高應力集中區。

圖3(d)為3上218工作面微震事件監測圖(2020年3月2日—2020年3月9日)。工作面推采至臨近火成巖侵入區，微震事件多分布在第2道巖墻處，微震事件及能量較上一時期明顯增多。兩道巖墻煤體隨回采面積隨之減少，巖墻阻隔能量傳遞，越靠近第2道巖墻，煤體應力越集中。

通過KJ551高頻微震監測系統監測，對3上218回采工作面不同時間段微震事件分布圖分析，可以得出以下結果：KJ551高頻微震監測系統對工作面監測準確有效，對工作面微震事件發生時間、具體位置、微震能量比較精準；由于采掘活動造成工作面動載應力重新分布，隨著工作面回采，工作面前方形成應力集中區，微震事件也隨著移動；斷層切斷了煤(巖)層的整體性，對微震事件有一定阻擋作用，并且微震事件多分布在斷層周圍。

3.2 應力在線法監測

3.2.1 應力監測介紹

應力動態監測系統通過壓力傳感器記錄煤層應力的變化，通過監測線纜，上傳到地面監測儀器上，形成監測數據。

應力動態監測系統既可以用來實時監測工作面前方煤體應力變化的趨勢，也可以通過應力數值變化情況，進行卸壓效果檢驗。

3.2.2 技術參數

采用KJ21應力在線監測系統，進行回采工作面沖擊地壓危險區域的超前監測。

將鉆孔應力計安裝在回采工作面沖擊危險區域，觀測該區域煤體在靜態和在動壓影響(工作面采動影響)下的應力變化情況，結合鉆屑法和頂板離層儀等綜合監測沖擊地壓危險性。

鉆孔應力計安裝參數：淺孔6±1 m和深孔13±1 m，間隔1～2 m；采煤工作面超前巷道監測范圍300 m，鉆孔方向為水平垂直巷幫。由于火成巖或者斷層致使鉆孔布置受到影響，應根據現場情況進行適當調整應力計間距。

通過對兩巷斷層附近布置的應力計，對監測數據進行分析，如圖4所示。

圖4 218工作面KJ21應力監測數據

經過分析，前期應力計壓力穩定在4～5 MPa，該處煤體無應力積聚現象。隨著工作面推采，越來越靠近斷層，應力計壓力持續升高，顯示該處煤體出現應力積聚現象，而第1條斷層后應力計數據無明顯情況。故得出結論：工作面斷層切斷了煤層的整體性，對正在推進的工作面周圍應力分布具有很大影響。當工作面接近斷層構造時，前方煤體因斷層切割形成小煤柱，受未完全垮落頂板對工作面和斷層間煤柱加持力的影響，該煤柱區域形成高應力集中區。

4 結論

(1)3上218工作面中受斷層、火成巖侵入影響，切斷了工作面煤(巖)層的整體性。因斷層、火成巖侵入，工作面形成兩道巖墻。對上覆巖層運動產生的能量傳遞起阻擋作用，斷層對沖擊地壓能量的傳遞也有一定阻擋作用。

(2)由于斷層的存在，在采動影響下，微震能量多集中在斷層附近，導致出現斷層“活化”現象。斷層有積聚能量的性質，在工作面回采期間，要加強斷層附近區域的監測，并對斷層影響范圍加強支護，避免形成沖擊地壓。

(3)通過對七五煤業3上218工作面過斷層及火成巖等巖墻應力分布規律研究，為礦井安全生產提供了指導，同時也為開采類似工作面提供借鑒。