地質構造對超前支承壓力的影響研究

韓定鋒，張懷忠，張寶鋒

（陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西 咸陽 713602）

煤巖體中的應力條件是影響沖擊地壓的最主要因素， 而煤巖體中的應力狀態不僅與煤巖物理力學性質有關，而且直接受煤巖體中的地質構造影響。地層的多次運動形成了各種各樣的地質構造，如斷層、褶曲，在這些地質構造區附近，由于存在著地質構造應力場，通常使煤巖體的構造應力尤其是水平構造應力增加，在開采擾動情況下，可能直接導致沖擊地壓的發生。為了進一步確定地質構造區應力集中范圍， 進而科學合理地設置超前安全距離，以402102 回采工作面為背景進行分時段分區域監測分析。

1 工程背景

402102 工作面東側為402103 采空區， 南側為5條大巷保護煤柱，西側為402101 設計工作面，北側為4 煤0 點邊界線。 該工作面設計長度1 943 m，可采長度1 693 m，傾向長180 m。 設計4 條巷道，分別為運輸巷、回風巷、高抽巷和泄水巷。 該工作面為4#煤層，煤層結構簡單，賦存穩定，厚度11～28 m，平均厚度20 m，上分層平均可采厚度14.1 m。 煤層底板埋深570～670 m。煤層底板標高+310～+380 m，總體趨勢從工作面中部向南北兩側逐步升高。 402102 工作面回采區域發育有1條A4 背斜和1 條A5 向斜， 同時存在DF14、F7、F13三條斷層。 根據開采深度、頂板堅硬巖層厚度、煤的抗壓強度、 煤的沖擊能量指數與開采應力集中程度等方面，分析各類因素影響，確定402102 工作面屬強沖擊危險工作面。

2 沖擊危險監測預警

根據402102 回采工作面沖擊危險性評價結果，采用ARAMIS M/E 微震監測系統對402102 工作面沖擊地壓的危險性進行分時段分區域監測預警。對于有沖擊危險的局部區域，采用ARES-5/E 地音監測系統、KJ470礦山地震波監測系統、KJ24 支架工作阻力監測系統進行局部監測預警，綜合確定沖擊地壓的危險等級。

3 402102 工作面整體性分析

對402102 工作面在回采期間所有的微震數據以月為單位進行處理統計計算，具體見表1。

表1 402102 工作面微震數據統計表 m

為得到具體的總能量及總頻次曲線圖，將402102工作面在回采期間的所有微震事件以50 m 距離為單位進行統計計算，得到總頻次-距離曲線圖（ 圖1）、總能量-距離曲線圖（ 圖2）。

圖1 402102 工作面總頻次-距離曲線圖

圖2 402102 工作面總能量-距離曲線圖

由總頻次-距離曲線圖可知，總頻次峰值在工作面前方100 m 左右，工作面30～250 m 范圍總頻次較高。

由總能量-距離曲線圖可知， 總能量峰值在工作面前方100 m 左右，工作面-50～200 m 范圍總能量較高。

綜上所述，402102 工作面-50～250 m 范圍應力較高，煤巖體活動比較劇烈，其范圍內微震事件的能量、頻次都較高，如果大巷、永久硐室等在此范圍內將會受到威脅，易發生沖擊地壓顯現。

4 斷層影響區域分析

2019 年6 月18 日—7 月28 日工作面回采至F7、F13 斷層影響影響范圍。 對F7、F13 斷層影響區域所有微震數據處理后進行統計分析可知， 微震事件主要發生在距工作面0～500 m 范圍內， 大能量事件主要發生在工作面前方250 m（ 圖3、圖4）。

圖3 F7、F13 斷層影響范圍能量-距離散點分布圖

圖4 F7、F13 斷層影響范圍微震事件定位圖

5 褶曲影響區域分析

5.1 A4 背斜

2020 年2 月2 日—3 月5 日工作面回采至A4 背斜影響區域， 對A4 背斜影響區域所有微震數據處理后進行統計分析可知， 微震事件主要發生在距工作面-200～200 m 范圍內， 大能量事件主要發生在工作面-100～150 m 范圍（ 圖5）。 震源集中分布在A4 背斜軸部及兩翼150 m 范圍內（ 圖6）。

圖5 A4 褶曲影響范圍能量-距離散點分布圖

圖6 A4 褶曲影響范圍微震事件定位圖

5.2 A5 向斜

根據402102 工作面煤層底板等高線可知，等高線以A5 褶曲為中心發生圈閉， 由此可知A5 向斜軸部為中心的小型盆地，盆地北側發育有DF14 斷層，且盆地與水倉距離較近，影響范圍疊加，因此本次將A5 向斜、DF14 斷層，以及水倉的影響進行綜合分析（ 圖7、圖8）。

圖7 402102 工作面過DF14 斷層、A5 褶曲、水倉能量-距離散點分布圖

圖8 DF14 斷層、A5 褶曲、水倉影響范圍微震事件定位圖

對上述構造及水倉影響區域所有微震數據處理后進行統計計算，微震事件主要發生在滯后工作面300 m至超前工作面300 m 范圍內。

6 地質條件較好區域

本節選取無斷層、褶曲及水倉影響區域（ 工作面回采里程1 133～1 333 m）微震事件進行統計分析可知，地質條件較好區域微震事件主要發生在工作面-150～300 m范圍內，大能量事件主要發生在超前工作面200 m 范圍內（ 圖9）。 震源集中分布在兩順槽及其兩側（ 圖10）。

圖9 地質條件較好區域能量-距離散點分布圖

圖10 地質條件較好區域微震事件定位圖

7 結論

1） 通過對402102 工作面整體及劃分后的不同區域分別分析，得到工作面超前支承壓力分布的特點，即在工作面前方形成微震頻次與能量的高峰， 同沖擊地壓理論中工作面前方形成單峰值結構的應力分布相吻合。 402102 工作面整體及不同區域頻次、能量峰值和頻次、能量較高值區間統計見表2。

表2 402102 工作面微震頻次與能量統計表 m

由表2 中數據可得，在不同區域微震事件頻次、能量的峰值和較大值區間距工作面的距離有所不同，相比于地質條件較好的區域， 褶曲構造和斷層構造對超前支承壓力的影響十分明顯。

2）402102 工作面回采期間微震事件發生于滯后工作面300 m 至超前工作面300 m 范圍， 同時超前應力區域基本集中于超前工作面250 m 范圍，預留50 m安全距離，即超前工作面300 m 范圍為相對安全范圍。