采動(dòng)影響下斷層活化規(guī)律及其誘發(fā)沖擊地壓的防治

毛德兵，陳法兵

(1.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013)

1 問(wèn)題提出

斷層活化是一個(gè)能量的逐漸積累繼而釋放，最終分散的過(guò)程。斷層活化導(dǎo)致斷層面上的膠結(jié)物被剪斷，斷層由粘結(jié)狀態(tài)變?yōu)殚_(kāi)裂狀態(tài)，同時(shí)伴隨巨大的能量釋放，斷層周?chē)橘|(zhì)也會(huì)做適應(yīng)性調(diào)整運(yùn)動(dòng)。對(duì)于采掘工作面，斷層的存在使工作面超前支承壓力產(chǎn)生了顯著的不連續(xù)［1］(圖1)，在斷層附近產(chǎn)生應(yīng)力與能量的積聚，當(dāng)斷層發(fā)生活化時(shí)，大量能量瞬間釋放，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。近年來(lái)，斷層影響下的沖擊地壓災(zāi)害事故明顯增多，斷層活化導(dǎo)致的沖擊地壓由于潛在震源體積較大，釋放能量較大，震級(jí)較高，破壞性極大。國(guó)內(nèi)學(xué)者姜福興［2－3］、竇林名［4－7］、任勇［8］、韓榮軍［9］、閆憲磊［10］等人利用微震監(jiān)測(cè)方法對(duì)斷層沖擊地壓進(jìn)行了研究，得出了斷層活化與微震事件叢集分布具有很好的相關(guān)性的結(jié)論，并對(duì)不同條件下斷層活化導(dǎo)致的微震事件分布規(guī)律進(jìn)行了研究。本文基于微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了采動(dòng)影響下斷層活化規(guī)律，并提出防治斷層構(gòu)造型沖擊地壓的基本原則。

2 基于微震監(jiān)測(cè)的斷層活化規(guī)律研究

圖1 采動(dòng)影響下斷層附近應(yīng)力峰值與工作面至斷層距離的關(guān)系

以華豐煤礦1410工作面和千秋煤礦21141工作面的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)采動(dòng)過(guò)程中斷層附近微震事件的分布規(guī)律進(jìn)行了研究。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，工作面推進(jìn)過(guò)程中斷層附近的微震事件具有以下3個(gè)主要特征:超前顯現(xiàn);范圍集中;能量巨大。但是現(xiàn)場(chǎng)斷層錯(cuò)綜復(fù)雜，微震事件的規(guī)律也要復(fù)雜得多。

2.1 斷層延展長(zhǎng)度對(duì)微震事件分布規(guī)律的影響

地震學(xué)上，斷層的最大位移量 (D)與斷層的延展長(zhǎng)度 (L)具有線性比例關(guān)系:

式中，K為常數(shù)，其大小取決于斷層圍巖的剪切強(qiáng)度;c為普通系數(shù)［11］。

圖2統(tǒng)計(jì)了典型斷層發(fā)生活化的能量大于1×106J的微震事件數(shù)目與斷層延展長(zhǎng)度的關(guān)系。圖2表明斷層延展長(zhǎng)度越長(zhǎng)，發(fā)生活化釋放的能量就越大，能量的最大震級(jí)越大。隨著斷層延展長(zhǎng)度的繼續(xù)增大，斷層活化釋放的能量最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。大斷層的斷層面面積比較大，能夠儲(chǔ)存更多能量，因此活化強(qiáng)度大，釋放能量多。圖3中的華豐煤礦斷層F28和F31為大斷層，其中F31斷層延展長(zhǎng)度超過(guò)590m，其附近微震事件較為密集 (圖中圓點(diǎn)表示微震事件位置，直徑越大，表示事件能量越大)，且大能量事件較多。

圖2 斷層延展長(zhǎng)度與大能量事件數(shù)的關(guān)系

圖3 F28，F(xiàn)31斷層微震事件分布

2.2 斷層落差對(duì)微震事件的影響

圖4統(tǒng)計(jì)了典型斷層發(fā)生活化的能量大于1×106J的微震事件數(shù)目與斷層落差的關(guān)系。由圖4可知斷層落差越大，斷層活化時(shí)釋放能量就越大。斷層落差越大，表明斷層形成時(shí)發(fā)生的錯(cuò)動(dòng)越強(qiáng)烈，因而儲(chǔ)存的構(gòu)造應(yīng)力也越大，因此斷層活化時(shí)釋放能量就越多。

圖4 斷層落差與大能量事件數(shù)的關(guān)系

2.3 斷層走向?qū)ξ⒄鹗录挠绊?/h3>

根據(jù)斷層走向與工作面的相對(duì)位置關(guān)系，可把斷層分為傾向斷層和走向斷層。

2.3.1 傾向斷層活化規(guī)律

圖5為千秋煤礦21141工作面在2010年1月份的微震事件分布圖。圖6所示為工作面過(guò)斷層期間斷層附近每個(gè)月微震頻次和總能量變化直方圖。

圖5 微震事件分布

圖6 微震頻次和總能量變化

由圖5、圖6可以得出以下規(guī)律:

(1)斷層活化是一個(gè)過(guò)程，不是一次完成的。斷層活化具有明顯的周期性，這個(gè)周期性與能量的積累和釋放具有一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖7所示。

圖7 斷層活化過(guò)程的能量統(tǒng)計(jì)

(2)斷層活化過(guò)程可以分為局部預(yù)活化、整體破壞性活化和余活化3種類(lèi)型，這3種類(lèi)型分別對(duì)應(yīng)斷層周期性活化的3個(gè)階段。

圖7為千秋煤礦F3－9斷層活化的能量統(tǒng)計(jì)。可見(jiàn)能量釋放具有明顯的周期性，每個(gè)周期包含4個(gè)階段:

(A)波動(dòng)段:能量劇烈波動(dòng)。最大能量較大，最小能量較小。

(B)低能穩(wěn)定段:總能量較低，波動(dòng)不大，最大能量值較小。

(C)劇烈活化段:大能量活化事件，發(fā)生沖擊地壓。

(D)斷層活化完畢之后，微震事件的能量水平較低，波動(dòng)弱。

(3)整體破壞性活化發(fā)生在工作面距斷層一定距離處，過(guò)了此處，斷層活化減弱。并不是工作面距離斷層越近，斷層活化越嚴(yán)重。

(4)工作面過(guò)斷層后斷層仍然在活化，只是比較微弱。斷層沖擊地壓發(fā)生前，微震事件的頻次逐漸增大。沖擊地壓一般發(fā)生在頻次的峰值或者峰值過(guò)后不久。

(5)微震事件的頻次逐漸增大。沖擊地壓一般發(fā)生在頻次的峰值或者峰值過(guò)后不久。

2.3.2 走向斷層活化規(guī)律

工作面內(nèi)走向斷層兩盤(pán)受力較均勻，活化作用不強(qiáng)。但是對(duì)于落差較大、上下盤(pán)應(yīng)力差較大的斷層則不同，活化非常強(qiáng)烈。

走向斷層活化的微震事件的分布規(guī)律如下:

(1)走向斷層隨著工作面的不斷推進(jìn)，會(huì)受采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)影響，斷層逐段發(fā)生活化。

(2)受力較小的走向斷層，受采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)影響以小能量事件的形式釋放能量，不會(huì)積聚大能量，相對(duì)危險(xiǎn)程度較小。

(3)上下盤(pán)應(yīng)力差較大的走向斷層，受超前支承壓力影響存在局部高應(yīng)力。斷層在高應(yīng)力的作用下極易活化釋放高強(qiáng)度能量，形成較強(qiáng)的巖體震動(dòng)。

(4)斷層活化不是因?yàn)槭艿搅撕芨叩某皯?yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，而是因?yàn)槭艿搅溯^高的上下盤(pán)應(yīng)力差。

2.4 斷層性質(zhì)對(duì)微震事件的影響

斷層是地殼的薄弱帶，在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下，各斷層的活化行為是不同的。這取決于主應(yīng)力的方向與大小、斷層物理力學(xué)性質(zhì)。斷層活化有時(shí)能夠引起強(qiáng)烈的沖擊地壓，造成人員傷亡，巷道和設(shè)備損毀，有時(shí)只是引起斷層兩盤(pán)之間的輕微滑動(dòng)，僅會(huì)造成地層的進(jìn)一步移動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生災(zāi)害。

斷層按物理性質(zhì)可以分為堅(jiān)硬斷層和軟弱斷層，如圖8。

圖8 不同類(lèi)型斷層的活化特點(diǎn)

一般情況下，軟弱斷層 (如圖8(b))為塑性斷層，圍巖較破碎，強(qiáng)度不大。這種斷層常發(fā)生連續(xù)蠕滑，沒(méi)有突然的應(yīng)力降低［12］，常以小能量微震事件居多，一般不會(huì)發(fā)生斷層沖擊地壓。當(dāng)工作面距離斷層較遠(yuǎn)時(shí)，軟弱斷層附近就出現(xiàn)了許多小能量的微震事件，隨著工作面接近斷層，微震事件逐漸增多，但以小能量的微震事件居多。而對(duì)于斷層面較粗糙，咬合力較大的堅(jiān)硬斷層 (如圖8(a))，隨著應(yīng)力逐漸升高，到達(dá)峰值之后就發(fā)生顯著的應(yīng)力降，斷層快速破裂，發(fā)生黏滑式活化［12］，常出現(xiàn)大能量的微震事件，甚至引發(fā)斷層沖擊地壓。當(dāng)工作面離斷層較遠(yuǎn)時(shí)，堅(jiān)硬斷層附近一般微震事件不多，只有工作面接近斷層，才會(huì)發(fā)生微震事件，而且以大能量的微震事件居多?；罨笥诌M(jìn)入了下一循環(huán)的能量積聚階段。往復(fù)循環(huán)，呈脈沖式變化。應(yīng)力的積累和釋放與斷層沖擊地壓有著一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖9為F9斷層和F13斷層活化的微震事件平面投影圖。兩者均為正斷層，且都是從工作面外部進(jìn)入工作面下部很快尖滅，因此具有很好的可比性。A區(qū)域?yàn)镕9斷層活化微震事件，B區(qū)域?yàn)镕13斷層活化微震事件?？芍狥9斷層微震事件頻次少，能量大。F13斷層微震事件頻次多，能量小。而且F13斷層超前工作面很長(zhǎng)距離就開(kāi)始活化，而F9斷層則工作面臨近時(shí)才發(fā)生活化。

可以推斷，F(xiàn)9斷層為堅(jiān)硬斷層，抗剪能力強(qiáng)，最大承壓能力大，能量積聚到相當(dāng)程度后才能活化，但一旦活化必釋放巨大能量，2006年“9.9”事件就是由此斷層所致。F13斷層為軟弱斷層，最大承壓能力小，抗剪能力差，受采動(dòng)影響很容易達(dá)到臨界承壓值，易于活化，這種類(lèi)型的斷層會(huì)隨著工作面的推進(jìn)不斷以小能量事件的形式釋放能量，所以不會(huì)儲(chǔ)存很多能量，不會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的沖擊地壓事故。

圖9 微震事件分布

3 斷層構(gòu)造型沖擊地壓防治原則

3.1 加強(qiáng)沖擊地壓礦井?dāng)鄬訕?gòu)造探測(cè)

在沖擊地壓礦井探測(cè)并掌握斷層構(gòu)造的分布，對(duì)采區(qū)布置、沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的確定、沖擊地壓的監(jiān)測(cè)與防治具有重要的意義。目前大部分礦井通過(guò)地面鉆孔勘探與地面三維地震勘探已基本掌握了落差5m以上斷層的分布。對(duì)于沖擊地壓礦井關(guān)鍵是確定落差5m以下的斷層在采掘工作面的分布情況。采掘工作面小斷層的探測(cè)主要有巷探法、井下鉆探法和礦井物探法。沖擊地壓礦井?dāng)鄬訕?gòu)造區(qū)域一般均屬?zèng)_擊危險(xiǎn)區(qū)，為了避免井下探測(cè)過(guò)程中因近距離施工誘發(fā)沖擊，因此應(yīng)以能夠遠(yuǎn)距離探測(cè)斷層構(gòu)造的物探方法為主，必要時(shí)在采取安全措施的情況下輔助鉆探。對(duì)于采煤工作面內(nèi)部斷層構(gòu)造的探測(cè)可采用槽波地震及震波CT勘探、直流電或無(wú)線電波透視法等，對(duì)于掘進(jìn)工作面可采用瑞雷波、礦井地震 (MSP 法) 等［13］。

3.2 優(yōu)化采掘工作面布置

在采區(qū)劃分和工作面布置時(shí)，盡量避開(kāi)斷層尤其是大型斷層。大型斷層可以作為井田的邊界，留有保護(hù)煤柱。采區(qū)內(nèi)斷層可以留保護(hù)煤柱以保證斷層不會(huì)發(fā)生破壞性活化。當(dāng)斷層走向與工作面走向已知時(shí)，工作面推進(jìn)方向應(yīng)盡可能與斷層傾向一致，以減小斷層活化的危害。盡可能增大斷層面與工作面的夾角，避免斷層面斷層在工作面傾向方向上一次性暴露面積過(guò)大。

確定合理的開(kāi)采順序，工作面遇到斷層時(shí)，工作面最好背向斷層開(kāi)采。避免工作面在停采時(shí)接近斷層。

3.3 提前卸壓

加強(qiáng)斷層宏觀先兆的觀察，提前做好相關(guān)措施。在工作面采動(dòng)影響范圍外對(duì)斷層周邊煤體和斷層面進(jìn)行軟化，如煤層注水，煤體爆破以及大孔徑卸壓等措施。一方面減小了構(gòu)造應(yīng)力集中程度，另一方面誘發(fā)斷層面滑動(dòng)，提前釋放斷層構(gòu)造積累的能量。

3.4 加強(qiáng)斷層活化監(jiān)測(cè)與預(yù)警

2006年9月9日10 :30在華豐煤礦1410上平巷掘進(jìn)頭發(fā)生一次2.0級(jí)沖擊地壓事故，釋放能量2.2×107J，性質(zhì)為斷層活化引發(fā)的沖擊地壓事故。圖10所示為“9.9”事件前后的微震頻次和能量變化?？梢钥闯觯?月1－6日微震事件的能量和頻次逐漸增大，6－8日微震頻次繼續(xù)升高，而微震能量則逐漸下降，小能量事件占據(jù)了主導(dǎo)地位。9日頻次降低，積累的能量突然釋放，形成了強(qiáng)烈的沖擊地壓。斷層活化過(guò)程，微震事件的能量和頻次明顯增大，能量呈間歇性釋放。因此，可以通過(guò)微震來(lái)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)斷層沖擊地壓的發(fā)生。

圖10 2006年9月微震能量和頻次變化

由于工作面前方斷層的存在，導(dǎo)致頂板的不連續(xù)，頂板傳遞上覆巖層壓力的能力減弱，在傾向斷層與工作面之間的區(qū)域?yàn)閿鄬訕?gòu)造應(yīng)力與工作面超前支承壓力的應(yīng)力疊加區(qū)，見(jiàn)圖11。當(dāng)超前支承壓力與斷層附近以遠(yuǎn)的高應(yīng)力發(fā)生疊加，則疊加后的應(yīng)力高峰區(qū)位置會(huì)在采動(dòng)的影響下釋放較大彈性能，誘發(fā)沖擊。因此可通過(guò)監(jiān)測(cè)煤體應(yīng)力評(píng)價(jià)斷層構(gòu)造型沖擊地壓的危險(xiǎn)性。

圖11 應(yīng)力疊加示意

綜上所述，工作面在斷層影響區(qū)應(yīng)加強(qiáng)微震監(jiān)測(cè)和采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，及時(shí)預(yù)警，及時(shí)采取相關(guān)措施。特殊情況下，工作面停產(chǎn)撤人。

4 主要結(jié)論

(1)斷層的存在擾亂了地應(yīng)力場(chǎng)的分布，斷層使工作面超前支承壓力產(chǎn)生了顯著的不連續(xù)。

(2)斷層延展長(zhǎng)度越長(zhǎng)，發(fā)生活化時(shí)釋放的能量就越大，能量的最大震級(jí)越大。斷層落差越大，斷層活化時(shí)釋放能量就越大。

(3)傾向斷層活化具有明顯的周期性，走向斷層活化程度取決于斷層自身性質(zhì)和上下盤(pán)應(yīng)力差。

(4)軟弱斷層強(qiáng)度不大，常發(fā)生連續(xù)蠕滑，一般不會(huì)發(fā)生斷層沖擊地壓;對(duì)于斷層面較粗糙，咬合力較大的堅(jiān)硬斷層，常出現(xiàn)大能量的微震事件，引發(fā)斷層沖擊地壓。

(5)為了防止斷層構(gòu)造型沖擊地壓，首先應(yīng)優(yōu)化采掘工作面布置，其次加強(qiáng)采掘工作面隱伏斷層的探測(cè)及活化監(jiān)測(cè)，提前卸壓。

［1］陳法兵.采動(dòng)影響下斷層活化規(guī)律及其對(duì)沖擊地壓的影響［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，2012.

［2］姜福興，苗小虎，王存文，等.構(gòu)造控制型沖擊地壓的微地震監(jiān)測(cè)預(yù)警研究與實(shí)踐［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，135(6).

［3］姜福興，劉偉建，葉根喜，等.構(gòu)造活化的微震監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬耦合研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010(S2).

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