復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)煤巖動力災(zāi)害機(jī)制與防控研究

王正義，何 江

（1.常州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213032；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

煤礦深部開采過程中，各種煤巖動力災(zāi)害在采掘過程中頻繁發(fā)生。礦井微震的發(fā)生很有可能引發(fā)動力災(zāi)害，如沖擊地壓、煤與瓦斯突出等[1-2]。近年來，隨著微震監(jiān)測水平的提高，我國涌現(xiàn)了大量關(guān)于煤巖動力災(zāi)害微震監(jiān)測預(yù)警的研究工作。竇林名等[3]揭示了震源震動機(jī)制及微震監(jiān)測實(shí)時、動態(tài)、區(qū)域等特點(diǎn)，并采用微震監(jiān)測技術(shù)研究了煤巖體變形破裂釋放的能量及主震低頻特征；姜福興等[4]基于微震監(jiān)測手段，分析了厚層礫巖活動、斷層活化和關(guān)鍵層破裂是動力災(zāi)害的主要原因，揭示了不同構(gòu)造類型條件下微震事件的分布特征，并將其作為沖擊危險預(yù)警指標(biāo)；夏永學(xué)等[5]分析了采煤工作面超前支承壓力和微震事件分布的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)圍巖震動呈現(xiàn)出高能量和低頻次的特征，提出了適宜的工作面推進(jìn)速度；陳學(xué)華等[6]結(jié)合SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)值模擬，指出區(qū)域內(nèi)日震動釋放總能量和震動次數(shù)隨著回采工作面的臨近起伏增大，強(qiáng)烈微震活動前經(jīng)常有弱震活動。研究表明，微震是采掘工作與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場疊加作用的結(jié)果，微震的發(fā)生與構(gòu)造應(yīng)力密切相關(guān)。姜福興等[7]采用微震監(jiān)測方法，研究了構(gòu)造控制型沖擊地壓的分類和預(yù)警方法，提出了將構(gòu)造控制型沖擊地壓分為增壓和減壓2種類型；王國瑞等[8]指出當(dāng)工作面過褶曲構(gòu)造時，由于破壞褶曲內(nèi)部原來的應(yīng)力狀態(tài)，必然導(dǎo)致礦震的發(fā)生，而微震監(jiān)測技術(shù)可用于預(yù)測預(yù)報動力災(zāi)害。因此，研究礦井復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)工作面采掘過程中的微震活動規(guī)律對于保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。為此，以胡家河礦為工程背景，基于ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)，研究在褶曲、斷層、特厚堅硬煤層、多巷煤柱等多因素影響下的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)條件下，工作面開采期間的微震活動規(guī)律以及煤巖動力災(zāi)害機(jī)制，并據(jù)此提出針對性的防控措施，以期為類似地質(zhì)和開采條件下的礦井災(zāi)害防治提供參考。

1 礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

彬長礦區(qū)主要為單斜構(gòu)造，由4個向斜和2個背斜組成。彬長礦區(qū)胡家河礦的地應(yīng)力測試結(jié)果表明：該礦的最大主應(yīng)力接近水平方向，最大水平主應(yīng)力σH約為垂直主應(yīng)力σv的1.84～2.20倍，表明地應(yīng)力場主要受水平構(gòu)造應(yīng)力的支配。

1.2 采區(qū)動力災(zāi)害與微震監(jiān)測

401采區(qū)為胡家河煤礦首采區(qū)，開采深度平均700 m。401102工作面為401盤區(qū)的第2個工作面，傾向長180 m，走向長1 560 m，平均煤厚23 m，采用分層放頂煤開采，首采上分層。基于沖擊危險性鑒定結(jié)果，4#煤上下分層均具有強(qiáng)沖擊危險，而頂板具有弱沖擊危險。401102工作面上覆4層關(guān)鍵層頂板，其中基本頂為粉砂巖（23.7 m），對工作面采掘期間的動力顯現(xiàn)影響最顯著。詳細(xì)的覆巖關(guān)鍵層參數(shù)見表1。

表1 覆巖關(guān)鍵層參數(shù)Table 1 Parameters of key strata

401102工作面內(nèi)褶曲、斷層發(fā)育，賦存A1和A3向斜，褶曲構(gòu)造參數(shù)見表2。F5斷層為正斷層，斷層傾角35°，落差6～10 m。

表2 褶曲構(gòu)造參數(shù)Table 2 Parameters of folded structures

鄰近的401101工作面已回采完畢，401102工作面布置有運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、灌漿巷和泄水巷，其中401102工作面與401101采空區(qū)之間有3條寬為20 m煤柱，形成多巷煤柱。401102工作面布置示意圖如圖1。

圖1 401102工作面布置示意圖Fig.1 Layout of 401102 working face

401102工作面在采掘期間微震活動頻繁，且動力擾動顯著強(qiáng)于相鄰的401101工作面。現(xiàn)場巷道圍巖變形嚴(yán)重，以動力型底鼓為主。

為了能夠?qū)γ簬r動力災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，該礦從波蘭引進(jìn)了ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)。微震監(jiān)測系統(tǒng)探頭布置如圖2。

圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)探頭布置Fig.2 Probe layout of micro-seismic monitoring system

2 微震時空分布規(guī)律

2.1 微震活動空間分布特征

研究微震空間分布規(guī)律有助于研究煤巖動力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理，同時能夠指導(dǎo)動力災(zāi)害的預(yù)防與控制。401102工作面回采期間大能量微震分布如圖3（>105J）。由圖3可知，大能量微震主要分布在A1和A3向斜附近，表明高構(gòu)造應(yīng)力是微震發(fā)生的主導(dǎo)因素。然而A3向斜附近強(qiáng)微震數(shù)量明顯多于A1向斜，且微震能量大（>106J）。此外，A3向斜臨近401102工作面多巷煤柱附近的微震數(shù)量較其他區(qū)域明顯要多。原因?yàn)椋篈3向斜軸部與F5斷層交錯，褶曲構(gòu)造應(yīng)力與斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加使得該處積聚大量彈性能；由于多巷煤柱中各煤柱寬度均為20 m，使得煤柱中可積聚較大的彈性能。由沖擊危險性多因素耦合理論，A3向斜偏多巷煤柱區(qū)一側(cè)具有強(qiáng)沖擊危險，為強(qiáng)微震多發(fā)區(qū)域。值得注意的是，幾次較大能量的微震發(fā)生于鄰近多巷煤柱側(cè)的401101采空區(qū)內(nèi)，這是受401102工作面的采動影響下，401101采空區(qū)上覆主關(guān)鍵層破斷并誘發(fā)大能量微震。

圖3 401102工作面回采期間大能量微震分布（>105 J）Fig.3 Distribution of large energy micro-seismic events（>105 J）in 401102 working face during mining

401102工作面回采期間微震總能量與總次數(shù)統(tǒng)計如圖4。圖4為以50 m為1個分區(qū)工作面回采鄰近A3向斜時發(fā)生微震總能量與總次數(shù)的統(tǒng)計圖。由圖4可知，微震總能量與總次數(shù)分布規(guī)律一致性較好，絕大多數(shù)微震（83.4%）分布在距A3向斜軸部兩側(cè)200 m范圍內(nèi)。其中，大能量微震多發(fā)生于A3向斜軸部前后50 m（-50～50 m）范圍內(nèi)，表明微震活動與構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域密切相關(guān)，向斜軸部構(gòu)造應(yīng)力最為集中，最易發(fā)生動力災(zāi)害。

圖4 401102工作面回采期間微震總能量與總次數(shù)統(tǒng)計Fig.4 Statistics of total energy and times of microseisms in 401102 working face during mining

此外，401102工作面面回采過程中，在靠近運(yùn)輸巷的實(shí)體煤側(cè)同樣有大量微震事件發(fā)生，401102工作面運(yùn)輸巷實(shí)體煤側(cè)微震分布如圖5。由圖5可知，實(shí)體煤側(cè)微震事件能量均較?。?03～104J），在回風(fēng)巷外側(cè)50 m范圍內(nèi)均勻分布。這體現(xiàn)出受采動影響及側(cè)向支承壓力作用下的煤體破壞情況。而在A1和A3向斜附近的微震事件（少數(shù)能量>105J）基本位于實(shí)體煤深部約100 m處。深部煤體在沒有采掘影響下破裂并伴生小能量微震，這表明煤體已處于極限平衡狀態(tài)，微弱的采掘擾動即可誘發(fā)煤體失穩(wěn)。由于空間所限導(dǎo)致煤體中積聚的彈性能不能全部釋放，煤體仍處于非穩(wěn)定平衡。在接續(xù)工作面采掘過程中很有可能發(fā)生強(qiáng)微震，尤其是鄰近向斜處，將會是接續(xù)工作面動力災(zāi)害防治的關(guān)鍵區(qū)域，須提前采取解危工作。

圖5 401102工作面運(yùn)輸巷實(shí)體煤側(cè)微震分布Fig.5 Distribution of micro-seismic events in coal mass of transport roadway in 401102 working face

2.2 微震時間序列特征與前兆規(guī)律

401102工作面臨近A3向斜的微震活動時序特征分布如圖6。圖6為從2015年2月6日工作面運(yùn)輸巷至向斜軸100 m，工作面回風(fēng)巷距向斜軸180 m，到2015年4月6日401102面剛離開向斜軸部區(qū)域的微震活動性時序分布。由圖6可以看出，當(dāng)工作面距向斜軸180 m時，開采活動開始影響向斜軸部煤巖系統(tǒng)的平衡，煤巖體發(fā)生破裂并釋放彈性能，進(jìn)而誘發(fā)微震。此階段微震活動頻繁，大量能量釋放，強(qiáng)震誘沖的周期比較短。由動力顯現(xiàn)前的微震活動規(guī)律知，在向斜軸部的動力顯現(xiàn)發(fā)生前震動頻次持續(xù)上升，然而微震能量未有相應(yīng)升高，反而還有所降低。小能量微震數(shù)量明顯增加，表明煤巖結(jié)構(gòu)加劇破壞，從而導(dǎo)致煤巖體系的失穩(wěn)。隨著401102工作面回采，強(qiáng)微震周期增大，表明褶曲構(gòu)造的影響逐漸衰弱，微震活動步入穩(wěn)定階段。

圖6 401102工作面臨近A3向斜的微震活動時序特征Fig.6 Time series characteristics of micro-seismic activity near A3 syncline in 401102 working face

3 煤巖動力災(zāi)害主控因素及發(fā)生機(jī)制

由上述分析結(jié)果可知，401102工作面微震活動以及動力災(zāi)害的影響因素以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，同時受到多巷區(qū)段煤柱和采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)的耦合影響，下面針對各主控因素依次進(jìn)行分析。

3.1 褶曲構(gòu)造影響

研究表明[9]，當(dāng)工作面回采至向斜軸部附近時，動力災(zāi)害發(fā)生次數(shù)和危險程度均明顯升高。褶曲區(qū)域動力顯現(xiàn)危險分布如圖7。圖7中，σx和σz分別為煤巖體的水平應(yīng)力和鉛直應(yīng)力，Pa；R為褶曲的軸面距離，m；I區(qū)為褶皺向斜區(qū)域，其應(yīng)力狀態(tài)為鉛直壓力、水平拉力，最易發(fā)生冒頂；II區(qū)為褶皺翼部，其鉛直和水平應(yīng)力均為壓力，最易發(fā)生沖擊地壓；Ⅲ區(qū)為褶皺背斜區(qū)域，其應(yīng)力狀態(tài)為鉛直拉力、水平壓力，是最大礦山壓力區(qū)域。

圖7 褶曲附近動力災(zāi)害危險分布Fig.7 Risk distribution of dynamic disasters near folds

401102工作面A1和A3均為向斜構(gòu)造，由于水平方向擠壓而積聚大量彈性能，在工作面開挖卸荷影響下易導(dǎo)致彈性能突然釋放誘發(fā)強(qiáng)微震。

3.2 斷層構(gòu)造影響

斷裂構(gòu)造破壞頂板連續(xù)性，使其失去傳遞載荷的作用。工作面回采期間接近斷層區(qū)域時，超前支承壓力的數(shù)值模擬結(jié)果[10]如圖8。當(dāng)工作面接近斷層時，超前支承壓力的正常前移受阻，從而采場覆巖壓力主要集中在工作面與斷層面之間的煤體，該處煤體支承壓力顯著增加。

圖8 向斷層區(qū)域推進(jìn)時工作面超前支承壓力變化Fig.8 Advance abutment pressure of working face when excavating towards fault area

401102工作面處于高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)，在較高支承壓力和高構(gòu)造應(yīng)力的耦合影響下，F(xiàn)5斷層附近煤巖積聚大量彈性能，在采掘擾動下，極易導(dǎo)致斷層活化而產(chǎn)生強(qiáng)微震。

3.3 多巷煤柱影響

對于多巷煤柱而言，其所承受垂直應(yīng)力呈馬鞍形分布，多巷承載煤柱受力狀態(tài)如圖9。圖9中，ρ為上覆巖層的平均密度，t/m3；H為采深，m；K為應(yīng)力集中系數(shù)；I區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)分別為煤柱松動區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，其中彈性區(qū)（Ⅲ區(qū)）是主要承載部分，可形成積聚彈性能的“彈性核”[11]。401102工作面多巷煤柱寬度為20 m，煤柱彈性區(qū)較大且存在“彈性核”，采動影響下很難被完全“壓酥”，煤柱所積聚彈性能將成為誘發(fā)動力災(zāi)害的基本靜力條件。

圖9 多巷承載煤柱受力狀態(tài)Fig.9 Stress state of bearing coal pillar with multiple roadways

3.4 采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)影響

401102工作面與相鄰401101采空區(qū)間的多巷煤柱寬度為70 m。隨著401102工作面推進(jìn)，多巷煤柱區(qū)域類似于孤島面，其覆巖結(jié)構(gòu)破斷形式與“T”型破斷結(jié)構(gòu)[12]相似，由于其兩側(cè)工作面長度一致，當(dāng)工作面回采接近多巷煤柱時，主關(guān)鍵層發(fā)生破斷，短臂對稱“T”型結(jié)構(gòu)形成，從而誘發(fā)大能量震動，極易導(dǎo)致動力顯現(xiàn)，采空區(qū)覆巖短臂對稱“T”型結(jié)構(gòu)如圖10。

圖10 采空區(qū)覆巖短臂對稱“T”型結(jié)構(gòu)Fig.10 Symmetrical“T”structure of short arm of overburden in goaf

3.5 動力災(zāi)害發(fā)生機(jī)制

當(dāng)采掘空間附加的煤巖體中的靜載荷與采掘活動引起的動載荷疊加，超過了煤巖體發(fā)生動力災(zāi)害臨界載荷時，就會誘發(fā)動力災(zāi)害，可表示為[13]：

式中：σs為煤巖體中的靜載荷；σd為工作面采掘引起的動載荷；σbmin為煤巖動力災(zāi)害發(fā)生的最小載荷。

胡家河礦實(shí)測地應(yīng)力中水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力，因此，水平應(yīng)力對采掘影響最為顯著。由于巷道均為煤巷，在頂?shù)装甯咚綉?yīng)力影響下將以頂、底板動力顯現(xiàn)為主，而頂板和煤層分別為弱和強(qiáng)沖擊傾向性，且煤巷底板厚度達(dá)10 m，容易積聚大量彈性能。高靜載下底煤雖未超過但已接近沖擊臨界載荷，在動載擾動作用下極易達(dá)到動力災(zāi)害判據(jù)（式（1））而發(fā)生動力顯現(xiàn)。因此，胡家河礦復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)特厚堅硬煤層底板沖擊屬于靜載主導(dǎo)型，動靜載疊加誘發(fā)動力災(zāi)害原理如圖11。圖11中，σx和σz分別為煤巖體的水平應(yīng)力和鉛直應(yīng)力，Pa；σd為工作面采掘引起的動載荷，Pa；此時覆巖結(jié)構(gòu)破斷失穩(wěn)引起的采動動載在煤巖動力災(zāi)害中起到誘發(fā)作用。

圖11 動靜載疊加誘發(fā)動力災(zāi)害原理Fig.11 Principle of dynamic disaster induced by superposition of dynamic and static loads

4 災(zāi)害防控技術(shù)

4.1 工作面推進(jìn)速度控制

復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)微震活動是以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)并由采掘活動誘發(fā)產(chǎn)生，與工作面生產(chǎn)息息相關(guān)，尤其是推進(jìn)速度。2015年1月1日至2015年1月31日401102工作面推進(jìn)速度與微震頻次分布如圖12。

圖12 401102工作面推進(jìn)速度與微震頻次分布Fig.12 Distribution of advancing speed and microseismic frequency in 401102 working face

由圖12可知，推進(jìn)速度與微震頻次的時序特征較為一致，即震動頻次與推進(jìn)速度呈現(xiàn)正相關(guān)。而圖6表明在強(qiáng)微震發(fā)生前，震動次數(shù)有持續(xù)上升的趨勢，可通過控制工作面推進(jìn)速度降低強(qiáng)微震的發(fā)生概率。因此建議工作面勻速平穩(wěn)推進(jìn)，在401102工作面距A3向斜軸部200 m起保持2.4 m/d（日進(jìn)3刀）的進(jìn)尺。

4.2 超前卸壓措施

基于強(qiáng)度弱化減沖原理[14]，采取鉆孔卸壓和超前爆破聯(lián)合解危技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對煤巖體的弱化解危，進(jìn)而降低動力災(zāi)害風(fēng)險。

回采期間在超前401102工作面300 m以外，對強(qiáng)危險區(qū)域?qū)嵤筒亢偷装宕笾睆姐@孔，401102工作面大直徑卸壓鉆孔布置如圖13（掘進(jìn)期間已打卸壓孔用黑色實(shí)心孔表示）。

圖13 401102工作面大直徑卸壓鉆孔布置Fig.13 Layout of large diameter pressure relief boreholes in 401102 working face

此外，針對多巷煤柱與A3向斜疊加作用的強(qiáng)危險區(qū)域，除了在煤體中實(shí)施大直徑卸壓鉆孔外，還需配合頂板深孔爆破，即通過深孔爆破實(shí)現(xiàn)弱化頂板強(qiáng)度、破壞厚硬頂板整體結(jié)構(gòu)、減小頂板懸露長度、增加震動波衰減系數(shù)。401102工作面頂板深孔爆破布置如圖14。

圖14 401102工作面頂板深孔爆破布置Fig.14 Layout of deep hole blasting in roof of 401102 working face

頂板爆破需基于現(xiàn)場微震活動，即當(dāng)頻次持續(xù)升高而能量較為穩(wěn)定或略有下降時，及時采取爆破卸壓人為誘發(fā)震動，從而降低動力災(zāi)害危險程度。

5 結(jié) 論

1）微震事件主要發(fā)生在A3向斜軸部前后200 m范圍內(nèi)，強(qiáng)微震發(fā)生前，微震頻次持續(xù)上升但能量表現(xiàn)為“平靜”或下降趨勢，可作為預(yù)測復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)煤巖動力災(zāi)害的前兆信息。

2）復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)微震活動的主控因素以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，同時受到回采擾動、多巷煤柱和采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)的耦合影響。胡家河礦特厚堅硬煤層賦存條件易發(fā)生靜載主導(dǎo)型底板沖擊，其中采動動載起到誘發(fā)動力災(zāi)害的作用。

3）推進(jìn)速度與震動頻次具有明顯的一致性，工作面低速平穩(wěn)推進(jìn)配合超前卸壓可有效防控復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的煤巖動力災(zāi)害，其中超前卸壓措施包括大直徑鉆孔卸壓和頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)。