復(fù)合構(gòu)造區(qū)域煤巖體應(yīng)力分布及沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

高家明， 夏永學(xué)， 楊光宇， 陳學(xué)慧

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院， 北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

我國煤炭資源賦存情況相對復(fù)雜，井田構(gòu)造較發(fā)育，工作面構(gòu)造區(qū)域沖擊地壓事件頻發(fā)[1-2]。研究表明，構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力異常集中與沖擊地壓關(guān)系密切，研究工作面構(gòu)造區(qū)域煤巖體應(yīng)力分布特征是評(píng)價(jià)和防治沖擊地壓危險(xiǎn)性的有效手段[3-4]。

基于煤巖體波速與應(yīng)力的良好相關(guān)性，近年來地震波CT探測技術(shù)廣泛用于煤礦井下沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與預(yù)警，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括波速異常系數(shù)和波速梯度變化系數(shù)[5-7]。王書文等[8]提出了一種基于地震波波速異常率分布的采煤工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，并采用地震波CT探測技術(shù)進(jìn)行工作面內(nèi)斷層探測和超前支承壓力分布劃定。曹安業(yè)等[9]分析了孤島工作面臨近斷層時(shí)煤柱受力狀態(tài)，并利用地震波CT探測技術(shù)對采掘現(xiàn)場進(jìn)行沖擊地壓危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)警。孫劉偉等[10]采用地震波CT探測技術(shù)評(píng)價(jià)區(qū)段煤柱沖擊危險(xiǎn)性，并提出綜合防控技術(shù)方案。上述研究僅針對簡單條件或單一構(gòu)造區(qū)域，未對斷層、褶曲、相變等復(fù)合構(gòu)造區(qū)域進(jìn)行探討。

山東某礦2305綜放工作面(以下簡稱2305工作面)內(nèi)微震事件在復(fù)合構(gòu)造區(qū)域集中，且集中區(qū)域所在巷道區(qū)段發(fā)生了沖擊地壓。目前工作面前方存在多個(gè)與沖擊地壓發(fā)生區(qū)段條件相似的微震事件集中區(qū)域，是否再次發(fā)生沖擊地壓難以評(píng)估。針對該問題，本文對2305工作面復(fù)合構(gòu)造影響下的微震事件集中區(qū)域進(jìn)行分類，并采用地震波CT探測技術(shù)獲取工作面內(nèi)復(fù)合構(gòu)造區(qū)域的靜態(tài)應(yīng)力分布情況，引入特征指數(shù)c[6]分析復(fù)合構(gòu)造區(qū)域的應(yīng)力分布特征及沖擊地壓危險(xiǎn)性，為現(xiàn)場沖擊地壓評(píng)價(jià)與防治提供參考。

1 工程背景

1.1 工作面概況

山東某礦2305工作面埋深超1 000 m，其主采3號(hào)煤層平均厚度為9.2 m，煤層基本頂和底板均為砂巖，煤巖均具有弱沖擊傾向性。工作面西側(cè)為2304工作面采空區(qū)，東側(cè)為未回采的2306工作面。工作面回采巷道均布置在煤層中，其中2305上平巷為沿空巷道，區(qū)段煤柱寬度為5 m。

2305工作面平面布置如圖1所示。該工作面區(qū)域構(gòu)造發(fā)育，回采受到斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造及煤層分叉、煤種變化影響。工作面區(qū)域內(nèi)賦存FD8和FD11這2條落差較大的斷層(賦存情況見表1)。FD8斷層斜交切割2304，2305工作面，目前位于2個(gè)工作面采空區(qū)內(nèi)的斷層長度約占總長度的2/3，受采動(dòng)影響強(qiáng)烈；FD11斷層大部分位于2305工作面內(nèi)，在2305二聯(lián)巷揭露落差約為15 m，在2304工作面揭露落差小于10 m，其小部分位于2304工作面采空區(qū)內(nèi)，受采動(dòng)影響較弱。2305工作面大部分位于劉海向斜的西翼影響區(qū)域，劉海向斜軸部區(qū)域位于2305二聯(lián)巷以南。

圖1 2305工作面平面布置

表1 2305工作面斷層賦存情況

鉆孔勘測和實(shí)際揭露情況表明：2305工作面煤層賦存條件復(fù)雜，其主采3煤層在工作面東南部出現(xiàn)分叉，在3煤層分叉線以南分為3上煤層和3下煤層；2305三聯(lián)巷附近大面積受煤種(肥煤、1/3焦煤)變化帶影響，煤種分界線西南側(cè)和東北側(cè)分別為肥煤和焦煤，同采區(qū)2302下平巷掘進(jìn)期間曾發(fā)生以煤體相變?yōu)橹饕T因的動(dòng)力現(xiàn)象。

1.2 構(gòu)造區(qū)域微震事件分布特征

受地質(zhì)構(gòu)造和側(cè)向采空區(qū)影響，2305上平巷附近區(qū)域圍巖在掘進(jìn)期間微震事件活躍且分布密集，自北向南集中分布在6個(gè)區(qū)域，如圖2所示。微震事件集中區(qū)域①為FD8斷層與煤種分界線交匯區(qū)域；②為受2304工作面采空區(qū)內(nèi)FD8斷層影響的2305上平巷區(qū)域；③為受2304工作面采空區(qū)內(nèi)FD11斷層影響的2305上平巷區(qū)域；④為FD11斷層與2305上平巷交匯區(qū)域；⑤為FD11斷層與2305上巷補(bǔ)巷交匯區(qū)域；⑥為FD11斷層、劉海向斜和3煤層分叉線交匯區(qū)域。以上微震事件集中區(qū)域附近均存在單一或復(fù)合構(gòu)造，表明構(gòu)造影響區(qū)域圍巖動(dòng)載荷釋放強(qiáng)烈，與圍巖內(nèi)部靜載荷疊加后導(dǎo)致沖擊地壓危險(xiǎn)性大大增強(qiáng)[11]。

圖2 2305上平巷區(qū)域微震事件分布

為充分評(píng)估各微震事件集中區(qū)域的構(gòu)造特征及其對微震事件分布的影響，按照區(qū)域附近存在的構(gòu)造數(shù)量，將構(gòu)造類型分為單一構(gòu)造(構(gòu)造數(shù)量為1)和復(fù)合構(gòu)造(構(gòu)造數(shù)量不少于2)，同時(shí)將主要構(gòu)造位于采空區(qū)的微震事件集中區(qū)域受擾動(dòng)程度定義為強(qiáng)，其余區(qū)域受擾動(dòng)程度定義為弱，得到微震事件集中區(qū)域①—⑥的構(gòu)造賦存特征，見表2。

表2 微震事件集中區(qū)域構(gòu)造賦存特征

在2305工作面推進(jìn)至距開切眼約250 m時(shí)，微震事件集中區(qū)域①附近的2305上平巷區(qū)段發(fā)生沖擊地壓，導(dǎo)致區(qū)域巷道嚴(yán)重破壞。為進(jìn)一步評(píng)估2305工作面前方構(gòu)造區(qū)域的潛在沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)，采用地震波CT探測技術(shù)獲取煤巖體靜態(tài)應(yīng)力分布。

2 復(fù)合構(gòu)造區(qū)域地震波CT探測方案

2.1 理論基礎(chǔ)

研究表明，實(shí)驗(yàn)室條件下煤巖體波速與應(yīng)力存在顯著的正相關(guān)性，礦震及地震發(fā)生規(guī)律驗(yàn)證了高應(yīng)力梯度區(qū)域與高波速梯度區(qū)域的對應(yīng)性。基于該結(jié)論，建立包含地震波波速和波速梯度的特征指數(shù)[6,12-15]：

(1)

2.2 探測方案

采用PASAT-M型便攜式微震探測系統(tǒng)采集地震波數(shù)據(jù)，設(shè)定系統(tǒng)采樣頻率為2 kHz，檢波器工作頻段為5～10 000 Hz，增益為20 dB，采樣長度為0.512 s。采用炸藥作為激發(fā)震源，炮間距為6 m。震源激發(fā)方式為單炮順序激發(fā)，多道同時(shí)接收。檢波器安裝在支護(hù)錨桿端部，以保證與圍巖的耦合效果。

根據(jù)探測區(qū)域內(nèi)構(gòu)造影響類型，將微震事件集中區(qū)域②—⑥所在的約1 320 m范圍近似均分為A，B，C，D 4個(gè)獨(dú)立探測區(qū)域(圖2)，激發(fā)震源和探測系統(tǒng)分別布置在2305下平巷和2305上平巷，各區(qū)域探測方案見表3。探測期間工作面處于停產(chǎn)狀態(tài)，且附近無采掘作業(yè)，可認(rèn)為工作面煤巖體應(yīng)力分布無大幅改變。

表3 各區(qū)域探測方案

3 復(fù)合構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力分布特征

3.1 數(shù)據(jù)處理

采用探測系統(tǒng)配套的PASAT-RHA軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，流程如圖3所示。① 數(shù)據(jù)導(dǎo)入：將采集的地震波數(shù)據(jù)導(dǎo)入PASAT-RHA軟件，根據(jù)現(xiàn)場情況和可視化波形圖像剔除無效及初至模糊的地震波數(shù)據(jù)，按時(shí)間順序?qū)⒂行?shù)據(jù)依次拼接。② 探測系統(tǒng)導(dǎo)入：錄入有效數(shù)據(jù)對應(yīng)的探測系統(tǒng)坐標(biāo)，進(jìn)行震源激發(fā)點(diǎn)射線模擬。③ 初至拾?。航Y(jié)合頻譜分析和數(shù)字濾波自動(dòng)拾取初至，人工修正后確定每道數(shù)據(jù)的初至?xí)r間。④ 反演成像：設(shè)定離散像元尺寸、背景速度、邊界條件等反演參數(shù)，按照算法反演成像。

部分實(shí)測地震波波形及頻譜如圖4所示?？煽闯龅卣鸩úㄐ瓮噍S連續(xù)性較好，初至波起跳明顯，滿足初至到時(shí)拾取要求；頻譜分辨率高，雜波及背景噪聲影響較小?？傮w來看，實(shí)測地震波數(shù)據(jù)良好，滿足數(shù)據(jù)處理需要。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

(a) 波形

3.2 應(yīng)力分布特征分析

采用特征指數(shù)c對A，B，C，D 4個(gè)區(qū)域的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行分析，c越大表明該處受采動(dòng)影響的應(yīng)力增高程度越強(qiáng)[6]。為方便表述，以綠色、黃色、紅色和深紅色漸變代表探測區(qū)域內(nèi)c在[0，1]內(nèi)依次增大，相對應(yīng)的應(yīng)力增高區(qū)以Ⅳ、Ⅲ類、Ⅱ類和Ⅰ類表示。

A區(qū)域應(yīng)力分布受FD8斷層和煤種分界線復(fù)合構(gòu)造影響，其中FD8斷層受擾動(dòng)程度較強(qiáng)，斷層周圍巖體穩(wěn)定性較差。A區(qū)域特征指數(shù)c分布如圖5所示。該區(qū)域整體應(yīng)力增高程度在整個(gè)探測區(qū)域內(nèi)最大，Ⅱ類及以上應(yīng)力增高區(qū)占比過半，僅存在2處小范圍Ⅳ類應(yīng)力增高區(qū)。靠近FD8斷層的高水平應(yīng)力集中區(qū)與斷層走向近似平行，且分布范圍較廣；煤種分界線兩側(cè)應(yīng)力分布變化較大，但附近應(yīng)力增高區(qū)面積較小，表明A區(qū)域內(nèi)處于強(qiáng)擾動(dòng)條件下的FD8斷層為導(dǎo)致煤巖體高水平應(yīng)力集中的主要因素。

圖5 A區(qū)域特征指數(shù)c分布

B區(qū)域應(yīng)力分布僅受FD11斷層單一構(gòu)造影響，局部斷層受擾動(dòng)程度較強(qiáng)，但低于FD8斷層。B區(qū)域特征指數(shù)c分布如圖6所示。Ⅱ類及以上應(yīng)力增高區(qū)主要位于工作面內(nèi)部和下平巷區(qū)域。上平巷區(qū)域以Ⅲ類應(yīng)力增高區(qū)為主，分布較均勻，僅存在小面積的Ⅱ類及以上應(yīng)力增高區(qū)。

圖6 B區(qū)域特征指數(shù)c分布

C區(qū)域?qū)儆趩我粯?gòu)造和弱擾動(dòng)影響區(qū)域，區(qū)域內(nèi)部分FD11斷層切割上平巷，減弱了側(cè)向采空區(qū)懸頂?shù)挠绊?，對周圍煤巖體產(chǎn)生一定卸壓作用。C區(qū)域特征指數(shù)c分布如圖7所示。該區(qū)域高水平應(yīng)力集中程度在整個(gè)探測區(qū)域內(nèi)最弱，僅存在1處小面積Ⅱ類應(yīng)力增高區(qū)，位于二聯(lián)巷與上平巷交叉處。

圖7 C區(qū)域特征指數(shù)c分布

D區(qū)域內(nèi)復(fù)合構(gòu)造情況最復(fù)雜，F(xiàn)D11斷層、劉海向斜與3煤層分叉線于區(qū)域內(nèi)部交匯，但各構(gòu)造受擾動(dòng)影響程度較弱。D區(qū)域特征指數(shù)c分布如圖8所示。Ⅱ類及以上應(yīng)力增高區(qū)主要集中在復(fù)合構(gòu)造交匯區(qū)，在低擾動(dòng)條件下，向斜構(gòu)造和3煤層分叉線區(qū)域的應(yīng)力集中程度更高，且應(yīng)力分布在向斜軸部具有一定的對稱性；上平巷區(qū)域存在2處面積較小的Ⅱ類及以上應(yīng)力增高區(qū)，局部應(yīng)力變化不明顯。

圖8 D區(qū)域特征指數(shù)c分布

通過分析得出以下結(jié)論：① 強(qiáng)擾動(dòng)條件下復(fù)合構(gòu)造區(qū)域高水平應(yīng)力集中程度最強(qiáng)，弱擾動(dòng)條件下單一構(gòu)造區(qū)域高水平應(yīng)力集中程度最弱。② 單一構(gòu)造條件下，斷層構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力增高程度隨斷層受擾動(dòng)程度增加而增強(qiáng)。③ 在受擾動(dòng)程度較弱的條件下，向斜構(gòu)造相對于斷層構(gòu)造的應(yīng)力增高程度更強(qiáng)。

3.3 構(gòu)造區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性綜合評(píng)判

通過對比地震波CT探測結(jié)果與微震事件集中分布情況，驗(yàn)證CT探測結(jié)果的可靠性[7]。除微震事件集中區(qū)域④外，其余微震事件集中區(qū)域均與地震波CT探測結(jié)果中的高水平應(yīng)力集中區(qū)相對應(yīng)。而微震事件集中區(qū)域④應(yīng)力增高不明顯的原因是FD11斷層切割上平巷頂板產(chǎn)生了卸壓作用?？梢姷卣鸩–T探測結(jié)果可靠性較高。

探測結(jié)果表明，構(gòu)造區(qū)域高水平應(yīng)力集中是圍巖受擾動(dòng)時(shí)活動(dòng)劇烈的原因，同時(shí)圍巖活動(dòng)為沖擊地壓發(fā)生提供了動(dòng)載荷，造成區(qū)域沖擊地壓危險(xiǎn)性增大。對構(gòu)造區(qū)域的沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)判：① 存在強(qiáng)擾動(dòng)復(fù)合構(gòu)造的A區(qū)域煤巖靜態(tài)應(yīng)力集中程度較高，上下平巷附近均存在大面積高水平應(yīng)力集中區(qū)，沖擊地壓發(fā)生門檻最低。② B區(qū)域受強(qiáng)擾動(dòng)單一構(gòu)造影響，上平巷西南角應(yīng)力集中程度較高，且回采過程將對該處的FD11斷層進(jìn)一步擾動(dòng)，導(dǎo)致該處沖擊地壓發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較高。③ C區(qū)域受弱擾動(dòng)單一斷層構(gòu)造影響，整體應(yīng)力集中程度較弱，上平巷和二聯(lián)巷交叉處靜載荷水平較高，在巷道開挖過程中該區(qū)域未出現(xiàn)微震事件集中，此處沖擊地壓危險(xiǎn)性以靜載荷為主要因素。④ 類比上平巷微震事件集中區(qū)域①發(fā)生的沖擊地壓案例，可推測同屬于弱擾動(dòng)復(fù)合構(gòu)造條件下的D區(qū)域在受到采動(dòng)影響時(shí)微震事件集中，動(dòng)載荷增量明顯，此時(shí)局部高水平應(yīng)力集中區(qū)的沖擊地壓危險(xiǎn)性顯著增大。綜上得出微震事件集中區(qū)域②，③，⑤，⑥的潛在沖擊地壓危險(xiǎn)性較大，應(yīng)作為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域并采取有針對性的防治措施。

4 結(jié)論

(1) 微震事件呈區(qū)域性集中現(xiàn)象與鄰近構(gòu)造關(guān)系密切，按照區(qū)域構(gòu)造數(shù)量可分為單一或復(fù)合構(gòu)造區(qū)域，根據(jù)受擾動(dòng)程度可劃分為強(qiáng)擾動(dòng)或弱擾動(dòng)構(gòu)造區(qū)域。

(2) 構(gòu)造區(qū)域地震波CT探測結(jié)果表明：① 強(qiáng)擾動(dòng)復(fù)合構(gòu)造區(qū)域靜態(tài)應(yīng)力集中程度最高，而弱擾動(dòng)單一構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力集中程度最低。② 斷層單一構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力增高水平與其受擾動(dòng)程度呈正相關(guān)關(guān)系。③ 低擾動(dòng)復(fù)合構(gòu)造區(qū)域內(nèi)向斜構(gòu)造較斷層構(gòu)造的應(yīng)力增高更明顯。

(3) 地震波CT探測和微震監(jiān)測結(jié)果表明，構(gòu)造區(qū)域圍巖靜態(tài)應(yīng)力集中是造成圍巖劇烈活動(dòng)的原因，使得圍巖動(dòng)靜載荷整體水平較高。綜合考慮圍巖靜載荷與采動(dòng)影響下潛在動(dòng)載荷增量情況，得出微震事件集中區(qū)域②，③，⑤，⑥的沖擊地壓危險(xiǎn)性較大，是沖擊地壓防治重點(diǎn)區(qū)域。