深部特厚煤層斷層構(gòu)造區(qū)掘進(jìn)沖擊地壓發(fā)生機(jī)制

呂大釗 王書文 史慶穩(wěn) 孫如達(dá)

(1. 陜西彬長孟村礦業(yè)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(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；3. 煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；4. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

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

沖擊地壓與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，相當(dāng)一部分沖擊地壓是由斷裂破壞引起的。華豐煤礦、躍進(jìn)煤礦、老虎臺煤礦、龍家堡煤礦等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，尤其是斷層分布較多，都發(fā)生過強(qiáng)烈的斷層型沖擊地壓，根據(jù)工程實(shí)際合理劃分沖擊危險區(qū)域。2011年11月3日，千秋煤礦21221下巷掘進(jìn)工作面發(fā)生一起沖擊地壓事故，造成10人死亡，60多人受傷。經(jīng)分析，該事故是在開采活動誘發(fā)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(qū)是陜西省重要的煤炭基地，隨著開發(fā)力度的不斷加大，開采深度已達(dá)到600～1000 m。2013年以來，彬長礦區(qū)胡家河、高家堡、孟村、亭南等大型礦井先后發(fā)生不同程度的沖擊地壓，表現(xiàn)出與斷層、褶曲地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)的特征。本文以孟村礦掘進(jìn)工作面為研究對象，重點(diǎn)研究深部特厚煤層斷層構(gòu)造區(qū)掘進(jìn)工作面沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理，以推動彬長礦區(qū)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(jì)煤田彬長礦區(qū)中西部，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6.0 Mt/a，當(dāng)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(qū)煤層埋藏深度約720 m，平均厚度24 m，平均抗壓強(qiáng)度24 MPa。經(jīng)過煤巖沖擊傾向性鑒定，此煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，指標(biāo)數(shù)據(jù)見表1。井田以發(fā)育寬緩的褶曲為主，含煤地層沿走向、傾向的產(chǎn)狀變化不大，局部斷層發(fā)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(jī)械化掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)。

表1 孟村煤礦4#煤試樣沖擊傾向性各項(xiàng)指數(shù)測定結(jié)果

1.2 沖擊地壓基本情況

圖1 孟村礦井“8·31”沖擊顯現(xiàn)區(qū)域

孟村礦井沖擊地壓主要發(fā)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(yùn)大巷掘進(jìn)工作面掛網(wǎng)期間，迎頭向后0～30 m發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，煤柱幫(右?guī)?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(wǎng)被撕裂，4處木托盤被壓壞。沖擊顯現(xiàn)位置如圖1所示。

2 斷層構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬研究

研究斷層構(gòu)造應(yīng)力場，特別是正在活動的對采礦活動造成影響的斷層應(yīng)力場是一項(xiàng)重要課題。斷層附近應(yīng)力峰值和彈性能分布規(guī)律對斷層型沖擊地壓研究十分重要。開展斷層構(gòu)造帶力學(xué)特征和應(yīng)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(yù)測和防治具有重要意義。斷層構(gòu)造應(yīng)力場取決于斷層性質(zhì)(包括斷層面的物理力學(xué)性質(zhì)和斷層的尺寸和方位)和斷層周圍巖體的性質(zhì)，其中斷層的性質(zhì)對斷層構(gòu)造應(yīng)力場的大小和分布規(guī)律起著主導(dǎo)作用。

2.1 斷層模型的建立方法

地質(zhì)構(gòu)造帶的力學(xué)特征和應(yīng)力場分布特征的研究方法主要有傳統(tǒng)的定性理論分析方法、物理模擬實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)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(zhì)模型，因此數(shù)值模擬成為當(dāng)前地球科學(xué)領(lǐng)域研究的重要手段之一。

FLAC3D數(shù)值模擬軟件提供了INTERFACE命令，在該命令的基礎(chǔ)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(dá)了2個接觸平面的相互耦合關(guān)系，同時能夠?qū)崿F(xiàn)接觸面兩側(cè)的巖體可以交錯擠壓或相互分離。界面的性能主要表現(xiàn)為法向剛度、切向剛度、粘結(jié)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(diǎn)劃線圈定了結(jié)點(diǎn)作用范圍。INTERFACE命令被用來模擬斷層、巖層層面等結(jié)構(gòu)面。

圖2 NTERFACE命令示意圖

2.2 斷層構(gòu)造應(yīng)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(nèi)摩擦角=15°、粘聚力=1×105N、ks=5×108N·m-1情況下，研究斷層構(gòu)造應(yīng)力場的變化特征。煤巖層相關(guān)物理學(xué)參數(shù)參考由實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)。斷層影響下垂直應(yīng)力分布云圖如圖4所示。斷層兩側(cè)垂直應(yīng)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?cái)_亂了垂直應(yīng)力的分布，但這種擾亂只是發(fā)生在斷層附近有限范圍內(nèi)，超過一定距離后，垂直應(yīng)力分布恢復(fù)正常狀態(tài)。斷層兩側(cè)垂直應(yīng)力發(fā)生了非常明顯的突變，斷層附近應(yīng)力顯著降低，形成低應(yīng)力帶。斷層上盤側(cè)地應(yīng)力受擾亂程度較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中。斷層下盤附近垂直應(yīng)力顯著降低，然后逐漸升高恢復(fù)到正常狀態(tài)。斷層上盤影響區(qū)范圍約為100 m，斷層下盤影響區(qū)范圍約為60 m。

圖4 D29斷層附近垂直應(yīng)力云圖

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

圖5 斷層兩側(cè)垂直應(yīng)力分布曲線

3 斷層構(gòu)造區(qū)微震活動監(jiān)測分析

3.1 微震監(jiān)測原理

井下煤巖體屬于應(yīng)力介質(zhì)，當(dāng)它受到外力而產(chǎn)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(yīng)，也就是煤巖體在它受到外力破壞進(jìn)程中出現(xiàn)的震動效

應(yīng)通過變形能以較低頻率(f<100 Hz)震動波的方式呈現(xiàn)。微震監(jiān)測系統(tǒng)作為一種監(jiān)測手段，具有區(qū)域性和及時性，可以對全礦井范圍所有微震現(xiàn)象實(shí)時監(jiān)測，是當(dāng)今一種較為先進(jìn)的動力災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)，在全國范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛。與其他傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比，這套系統(tǒng)兼具遠(yuǎn)距離、動態(tài)、三維、實(shí)時監(jiān)測的特征，煤巖體的破裂尺度和性質(zhì)能夠被具體震源情況合理確定，全礦井范圍內(nèi)的沖擊地壓危險性做到有據(jù)可查。

3.2 斷層構(gòu)造區(qū)微震活動性的突變特征

不同時期內(nèi)DF29斷層影響區(qū)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(jìn)約50 m，但絕大多數(shù)微震事件被限定在DF29斷層面以東。這表明，該階段內(nèi)掘進(jìn)擾動影響受到了斷層的某種阻隔作用，使得掘進(jìn)影響范圍的擴(kuò)展受到限制。

分析認(rèn)為，這可能是因?yàn)閿鄬拥拇嬖谑沟妹簬r層不再連續(xù)，導(dǎo)致以之為載體的圍巖變形不再連續(xù)，即斷層面東側(cè)的煤巖變形無法傳遞至斷層面西側(cè)，最終使得煤巖變形破裂主要發(fā)生在斷層面東側(cè)。

隨著中央一號輔運(yùn)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(kuò)展，微震活動性增強(qiáng)，見圖6(c)和(d)。8月31日夜班，中央一號輔運(yùn)大巷停掘，但微震事件在斷層兩側(cè)都均有分布。由此可見，當(dāng)掘進(jìn)工作面距離DF29斷層較遠(yuǎn)時，斷層附近的掘進(jìn)擾動強(qiáng)度較低，斷層的阻隔作用可較大程度上中斷掘進(jìn)擾動向斷層西側(cè)的傳遞，使得煤巖層變形破裂主要發(fā)生在掘進(jìn)工作面和斷層之間。隨著巷道繼續(xù)掘進(jìn)，斷層附近擾動強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，最終突破該阻隔作用而迅速向西傳遞，微震活動性發(fā)生突變，導(dǎo)致斷層西側(cè)微震事件在短期內(nèi)迅速增加，并頻發(fā)105J以上的高能事件，該時期內(nèi)沖擊危險性隨之增大。

3.3 斷層影響區(qū)高能震動事件特征

不同時期內(nèi)DF29斷層影響區(qū)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(qū)不同能級微震事件頻次占比

由上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，隨著中央一號輔運(yùn)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(fā)現(xiàn)，雖然9月1日至5日工作面停掘，但該區(qū)域高能事件頻次占比仍繼續(xù)增加。這是由于斷層面附近煤巖層存在大量不連續(xù)界面的，應(yīng)力分布更為復(fù)雜，不連續(xù)節(jié)界面的錯動滑移及應(yīng)力集中區(qū)的破裂可能同期發(fā)生并相互影響，在近距離高強(qiáng)度掘進(jìn)擾動作用下，易發(fā)生更大尺度的破裂，由此引發(fā)的微震能量水平更高。不連續(xù)界面的存在使得圍巖穩(wěn)定周期更長，微震活動更為持久。

圖8 DF29斷層影響區(qū)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?dāng)鄬訕?gòu)造區(qū)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

沖擊地壓啟動理論認(rèn)為，沖擊地壓發(fā)生屬于一個動力學(xué)過程，過程中依次出現(xiàn)沖擊啟動→沖擊能量傳遞→沖擊地壓顯現(xiàn)這三個發(fā)展階段；沖擊啟動的內(nèi)因源于采動圍巖體近場體系內(nèi)部靜載荷的大量聚集，沖擊啟動的外因源于采動圍巖體遠(yuǎn)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(yīng)力峰值的最大區(qū)域就是沖擊地壓啟動區(qū)域，沖擊啟動的能量判據(jù)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(jìn)工作面沖擊危險性與巷道圍巖靜載荷和動載荷密切相關(guān)。

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

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

綜上分析可知，原巖應(yīng)力狀態(tài)下，DF29斷層上盤本身存在靜載荷集中區(qū)。同時，在掘進(jìn)作業(yè)擾動下，微震活動在時間和空間上表現(xiàn)出了不均勻性，動載荷在局部區(qū)域集中高強(qiáng)度釋放，兩種載荷疊加并超過臨界水平后，將發(fā)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(guān)，這很好地解釋了孟村礦井?dāng)鄬痈浇鼪_擊地壓較多，而非斷層區(qū)很少發(fā)生的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬研究了斷層構(gòu)造應(yīng)力場的分布規(guī)律，原巖應(yīng)力狀態(tài)下，斷層對地應(yīng)力分布擾動作用顯著，斷層上盤存在大范圍應(yīng)力集中區(qū)，而下盤僅出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，上盤應(yīng)力擾動范圍大于下盤擾動范圍。

(2)由于DF29斷層對掘進(jìn)擾動存在阻隔作用，由上盤向斷層掘進(jìn)的工作面周圍微震活動性可發(fā)生由弱到強(qiáng)的突變。突變點(diǎn)以遠(yuǎn)掘進(jìn)時，斷層附近擾動強(qiáng)度較低；掘過突變點(diǎn)后，斷層另一盤活動性急劇增強(qiáng)。

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