斷層對(duì)不規(guī)則工作面應(yīng)力分布影響的研究

馬金建

(棗莊礦業(yè)濟(jì)寧七五煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

0 引言

斷層是巖層或巖體順破裂面發(fā)生明顯位移的構(gòu)造，一般分為正斷層、逆斷層。斷層又常是地下水、油氣甚至巖漿入侵的通道。以七五煤業(yè)3上218不規(guī)則工作面為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬、極限理論和現(xiàn)場(chǎng)微震及應(yīng)力綜合分析，對(duì)回采工作面靠近斷層時(shí)應(yīng)力分布進(jìn)行研究。依靠沖擊地壓監(jiān)測(cè)設(shè)備及手段，研究斷層對(duì)不規(guī)則工作面應(yīng)力分布的影響規(guī)律，制定有針對(duì)性的預(yù)防措施，為開采類似工作面提供參考。

1 工作面概況

山東七五煤業(yè)公司3上218工作面位于-624 m水平南二采區(qū)東翼，北側(cè)距北三輔助軌道下山約80 m，西側(cè)距副井約380 m，工作面上表無采掘活動(dòng)，對(duì)應(yīng)地表皆為農(nóng)田，回采對(duì)地面無影響。3上218工作面地面標(biāo)高+41.2 m，井下標(biāo)高-628.8～-650 m，埋深約665～692 m。受F317斷層(H=10～20 m)影響，工作面不規(guī)則。傾向長(zhǎng)度41.2～113.4 m左右，走向長(zhǎng)度514.5～541.8 m。

3上218工作面屬于沿?cái)鄬硬贾玫纳畈块_采工作面。與實(shí)體煤工作面相比，沿?cái)鄬硬贾玫纳畈块_采工作面受斷層、火成巖侵入、煤層相變疊加影響，沖擊地壓危險(xiǎn)性更高。

2 沖擊地壓影響因素

2.1 開采深度

隨著開采深度的增加，上覆巖體給煤巖體加持較高壓力，隨著壓力增大，煤巖體更易達(dá)到彈性能臨界點(diǎn)，造成沖擊地壓發(fā)生。對(duì)于存在構(gòu)造應(yīng)力的原始應(yīng)力場(chǎng)，開采深度一般超過400 m，即有可能出現(xiàn)沖擊破壞的事故。

3上218工作面埋深665～700 m，對(duì)于埋深條件，工作面存在發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)。

2.2 工作面煤體及頂?shù)装鍥_擊傾向性

煤(巖)的沖擊傾向性是煤(巖)體固有的一種內(nèi)在物理屬性，可以評(píng)定煤(巖)體本身具有沖擊傾向性，在相同條件下，沖擊傾向性高的煤(巖)體發(fā)生沖擊的可能性要大于沖擊傾向性低的煤(巖)體。

經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)評(píng)價(jià)，3上煤層動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間Dt=1 713 ms，彈性能量指數(shù)WET=2.92，沖擊能量指數(shù)KE=7.98，單軸抗壓強(qiáng)度Rc=10.8 MPa，具有弱沖擊傾向性。

3上煤層頂板巖層的彎曲能量指數(shù)為113 kJ，3上煤層底板巖層的彎曲能量指數(shù)為67.35 kJ和85.64 kJ。

故得出結(jié)論，3上煤層及頂、底板均為弱沖擊傾向性。

2.3 覆巖運(yùn)動(dòng)的影響

近距離堅(jiān)硬巖層影響：南二采區(qū)東翼3上218工作面基本頂為7.1 m的中砂巖，屬堅(jiān)硬厚頂板，工作面內(nèi)煤層平均厚度為4.1 m，堅(jiān)硬頂板與煤層厚度比值達(dá)1.73。

遠(yuǎn)距離堅(jiān)硬巖層影響：3上煤層頂板上部300 m外存在一層厚度達(dá)230 m左右的巨厚礫巖層，煤層和礫巖層之間存在若干層10～50 m厚度的砂巖層。當(dāng)關(guān)鍵層(特別是巨厚礫巖主關(guān)鍵層)斷裂前后將會(huì)出現(xiàn)能量的集聚和突然釋放，誘發(fā)沖擊地壓的發(fā)生。

通過測(cè)定七五煤業(yè)公司3上煤層頂板巖層的彎曲能量指數(shù)為113 kJ，根據(jù)中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石沖擊傾向性分類及指數(shù)的測(cè)定方法MT/T 866—2000》，故得出結(jié)論，3上煤層頂板為弱沖擊傾向性。

2.4 斷層構(gòu)造區(qū)域沖擊地壓分析

斷層切斷了煤層的整體性，對(duì)正在推進(jìn)的工作面周圍應(yīng)力分布有很大影響。當(dāng)工作面回采接近斷層構(gòu)造時(shí)，工作面與斷層之間形成孤立小煤柱，前方頂板巖層形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，與工作面煤壁形成一定夾角的加持力，造成加壓作用，導(dǎo)致該區(qū)域形成應(yīng)力集中區(qū)。

當(dāng)工作面開采后，在工作面?zhèn)认蛐纬芍С袎毫?，巷道幫部一定范圍?nèi)承受的壓力較大，動(dòng)力顯現(xiàn)發(fā)生的頻率就高。圖1是工作面過正斷層前后的支承壓力分布特征。顯然，在斷層區(qū)域出現(xiàn)易于常態(tài)的高應(yīng)力分布。

圖1 正斷層支承壓力分布

3上218工作面回采過程揭露F317斷層(H=10～20 m)與火成巖，形成兩道巖墻，靠近斷層區(qū)域存在沖擊地壓危險(xiǎn)性。

3 沖擊地壓防治監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 微震法監(jiān)測(cè)

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠接收巖體破裂時(shí)產(chǎn)生的高頻段能量，通過對(duì)能量頻段的分析、微震探頭接收的間隔，計(jì)算事件的能量大小及準(zhǔn)確定位。根據(jù)微震事件的分布規(guī)律及能量大小，判斷頂板運(yùn)動(dòng)情況和支承壓力峰值的位置，進(jìn)而根據(jù)頂板破斷情況和高應(yīng)力區(qū)與煤壁的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)沖擊地壓進(jìn)行區(qū)域性預(yù)警。

3上218工作面回采期間沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)：KJ551微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由微震傳感器、電纜、微震監(jiān)測(cè)主站、地面監(jiān)控系統(tǒng)等組成。正常每巷安裝不低于2個(gè)微震傳感器固定在頂板或者底板錨桿上，第1個(gè)距采煤工作面100～200 m，第2個(gè)距第1個(gè)150～300 m，隨著工作面向外推采，逐漸外移微震傳感器，微震傳感器安裝位置要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)度以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)事件分析擇優(yōu)選擇，對(duì)監(jiān)測(cè)到的微震事件及時(shí)分析預(yù)報(bào)沖擊危險(xiǎn)性。如圖2所示。

圖2 微震監(jiān)測(cè)儀器布置示意

圖3(a)為3上218工作面微震事件監(jiān)測(cè)圖(2019年12月31日—2020年1月6日)。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，3上218工作面進(jìn)行工作面初采時(shí),受到一次見方、斷層等因素影響，微震事件明顯增多，事件總能量明顯增大，微震事件多分布在工作面里第1條斷層處(靠近工作面切眼)，造成斷層附近區(qū)域形成應(yīng)力集中區(qū)。

圖3(b)為3上218工作面微震事件監(jiān)測(cè)圖(2020年2月17日—2020年2月24日)。工作面勻速生產(chǎn)，臨近工作面第1條斷層(靠近工作面切眼)，微震事件較初采時(shí)期事件減少，單個(gè)能量事件較初采時(shí)期較大，微震事件多集中在第1條斷層處。工作面臨近斷層，前方煤壁與斷層之間形成孤立小煤柱，前方頂板巖層形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，對(duì)前方煤壁造成加壓作用，形成應(yīng)力集中區(qū)。

圖3 3上218工作面微震事件監(jiān)測(cè)

圖3(c)為3上218工作面微震事件監(jiān)測(cè)圖(2020年2月24日—2020年3月2日)。微震事件個(gè)數(shù)、能力大小較上一時(shí)期明顯減少，微震時(shí)期分布在兩道巖墻中間。工作面推采至臨近斷層處，頂板垮落基本完全，頂板距離無法形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，無大的巖層活動(dòng)，第1條斷層與采煤工作面之間區(qū)域微震事件明顯減少。工作面應(yīng)力重新分布，斷層與火成巖形成兩道巖墻，阻隔應(yīng)力傳遞，兩道巖墻之間煤柱形成孤立煤柱，形成高應(yīng)力集中區(qū)。

圖3(d)為3上218工作面微震事件監(jiān)測(cè)圖(2020年3月2日—2020年3月9日)。工作面推采至臨近火成巖侵入?yún)^(qū)，微震事件多分布在第2道巖墻處，微震事件及能量較上一時(shí)期明顯增多。兩道巖墻煤體隨回采面積隨之減少，巖墻阻隔能量傳遞，越靠近第2道巖墻，煤體應(yīng)力越集中。

通過KJ551高頻微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，對(duì)3上218回采工作面不同時(shí)間段微震事件分布圖分析，可以得出以下結(jié)果：KJ551高頻微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確有效，對(duì)工作面微震事件發(fā)生時(shí)間、具體位置、微震能量比較精準(zhǔn)；由于采掘活動(dòng)造成工作面動(dòng)載應(yīng)力重新分布，隨著工作面回采，工作面前方形成應(yīng)力集中區(qū)，微震事件也隨著移動(dòng)；斷層切斷了煤(巖)層的整體性，對(duì)微震事件有一定阻擋作用，并且微震事件多分布在斷層周圍。

3.2 應(yīng)力在線法監(jiān)測(cè)

3.2.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)介紹

應(yīng)力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過壓力傳感器記錄煤層應(yīng)力的變化，通過監(jiān)測(cè)線纜，上傳到地面監(jiān)測(cè)儀器上，形成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

應(yīng)力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既可以用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面前方煤體應(yīng)力變化的趨勢(shì)，也可以通過應(yīng)力數(shù)值變化情況，進(jìn)行卸壓效果檢驗(yàn)。

3.2.2 技術(shù)參數(shù)

采用KJ21應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行回采工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域的超前監(jiān)測(cè)。

將鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝在回采工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，觀測(cè)該區(qū)域煤體在靜態(tài)和在動(dòng)壓影響(工作面采動(dòng)影響)下的應(yīng)力變化情況，結(jié)合鉆屑法和頂板離層儀等綜合監(jiān)測(cè)沖擊地壓危險(xiǎn)性。

鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝參數(shù)：淺孔6±1 m和深孔13±1 m，間隔1～2 m；采煤工作面超前巷道監(jiān)測(cè)范圍300 m，鉆孔方向?yàn)樗酱怪毕飵?。由于火成巖或者斷層致使鉆孔布置受到影響，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整應(yīng)力計(jì)間距。

通過對(duì)兩巷斷層附近布置的應(yīng)力計(jì)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 218工作面KJ21應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

經(jīng)過分析，前期應(yīng)力計(jì)壓力穩(wěn)定在4～5 MPa，該處煤體無應(yīng)力積聚現(xiàn)象。隨著工作面推采，越來越靠近斷層，應(yīng)力計(jì)壓力持續(xù)升高，顯示該處煤體出現(xiàn)應(yīng)力積聚現(xiàn)象，而第1條斷層后應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)無明顯情況。故得出結(jié)論：工作面斷層切斷了煤層的整體性，對(duì)正在推進(jìn)的工作面周圍應(yīng)力分布具有很大影響。當(dāng)工作面接近斷層構(gòu)造時(shí)，前方煤體因斷層切割形成小煤柱，受未完全垮落頂板對(duì)工作面和斷層間煤柱加持力的影響，該煤柱區(qū)域形成高應(yīng)力集中區(qū)。

4 結(jié)論

(1)3上218工作面中受斷層、火成巖侵入影響，切斷了工作面煤(巖)層的整體性。因斷層、火成巖侵入，工作面形成兩道巖墻。對(duì)上覆巖層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量傳遞起阻擋作用，斷層對(duì)沖擊地壓能量的傳遞也有一定阻擋作用。

(2)由于斷層的存在，在采動(dòng)影響下，微震能量多集中在斷層附近，導(dǎo)致出現(xiàn)斷層“活化”現(xiàn)象。斷層有積聚能量的性質(zhì)，在工作面回采期間，要加強(qiáng)斷層附近區(qū)域的監(jiān)測(cè)，并對(duì)斷層影響范圍加強(qiáng)支護(hù)，避免形成沖擊地壓。

(3)通過對(duì)七五煤業(yè)3上218工作面過斷層及火成巖等巖墻應(yīng)力分布規(guī)律研究，為礦井安全生產(chǎn)提供了指導(dǎo)，同時(shí)也為開采類似工作面提供借鑒。