地質(zhì)構(gòu)造對(duì)超前支承壓力的影響研究

韓定鋒，張懷忠，張寶鋒

（陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713602）

煤巖體中的應(yīng)力條件是影響沖擊地壓的最主要因素， 而煤巖體中的應(yīng)力狀態(tài)不僅與煤巖物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且直接受煤巖體中的地質(zhì)構(gòu)造影響。地層的多次運(yùn)動(dòng)形成了各種各樣的地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶曲，在這些地質(zhì)構(gòu)造區(qū)附近，由于存在著地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場，通常使煤巖體的構(gòu)造應(yīng)力尤其是水平構(gòu)造應(yīng)力增加，在開采擾動(dòng)情況下，可能直接導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。為了進(jìn)一步確定地質(zhì)構(gòu)造區(qū)應(yīng)力集中范圍， 進(jìn)而科學(xué)合理地設(shè)置超前安全距離，以402102 回采工作面為背景進(jìn)行分時(shí)段分區(qū)域監(jiān)測分析。

1 工程背景

402102 工作面東側(cè)為402103 采空區(qū)， 南側(cè)為5條大巷保護(hù)煤柱，西側(cè)為402101 設(shè)計(jì)工作面，北側(cè)為4 煤0 點(diǎn)邊界線。 該工作面設(shè)計(jì)長度1 943 m，可采長度1 693 m，傾向長180 m。 設(shè)計(jì)4 條巷道，分別為運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、高抽巷和泄水巷。 該工作面為4#煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，厚度11～28 m，平均厚度20 m，上分層平均可采厚度14.1 m。 煤層底板埋深570～670 m。煤層底板標(biāo)高+310～+380 m，總體趨勢從工作面中部向南北兩側(cè)逐步升高。 402102 工作面回采區(qū)域發(fā)育有1條A4 背斜和1 條A5 向斜， 同時(shí)存在DF14、F7、F13三條斷層。 根據(jù)開采深度、頂板堅(jiān)硬巖層厚度、煤的抗壓強(qiáng)度、 煤的沖擊能量指數(shù)與開采應(yīng)力集中程度等方面，分析各類因素影響，確定402102 工作面屬強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)工作面。

2 沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警

根據(jù)402102 回采工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果，采用ARAMIS M/E 微震監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)402102 工作面沖擊地壓的危險(xiǎn)性進(jìn)行分時(shí)段分區(qū)域監(jiān)測預(yù)警。對(duì)于有沖擊危險(xiǎn)的局部區(qū)域，采用ARES-5/E 地音監(jiān)測系統(tǒng)、KJ470礦山地震波監(jiān)測系統(tǒng)、KJ24 支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行局部監(jiān)測預(yù)警，綜合確定沖擊地壓的危險(xiǎn)等級(jí)。

3 402102 工作面整體性分析

對(duì)402102 工作面在回采期間所有的微震數(shù)據(jù)以月為單位進(jìn)行處理統(tǒng)計(jì)計(jì)算，具體見表1。

表1 402102 工作面微震數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 m

為得到具體的總能量及總頻次曲線圖，將402102工作面在回采期間的所有微震事件以50 m 距離為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到總頻次-距離曲線圖（ 圖1）、總能量-距離曲線圖（ 圖2）。

圖1 402102 工作面總頻次-距離曲線圖

圖2 402102 工作面總能量-距離曲線圖

由總頻次-距離曲線圖可知，總頻次峰值在工作面前方100 m 左右，工作面30～250 m 范圍總頻次較高。

由總能量-距離曲線圖可知， 總能量峰值在工作面前方100 m 左右，工作面-50～200 m 范圍總能量較高。

綜上所述，402102 工作面-50～250 m 范圍應(yīng)力較高，煤巖體活動(dòng)比較劇烈，其范圍內(nèi)微震事件的能量、頻次都較高，如果大巷、永久硐室等在此范圍內(nèi)將會(huì)受到威脅，易發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)。

4 斷層影響區(qū)域分析

2019 年6 月18 日—7 月28 日工作面回采至F7、F13 斷層影響影響范圍。 對(duì)F7、F13 斷層影響區(qū)域所有微震數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知， 微震事件主要發(fā)生在距工作面0～500 m 范圍內(nèi)， 大能量事件主要發(fā)生在工作面前方250 m（ 圖3、圖4）。

圖3 F7、F13 斷層影響范圍能量-距離散點(diǎn)分布圖

圖4 F7、F13 斷層影響范圍微震事件定位圖

5 褶曲影響區(qū)域分析

5.1 A4 背斜

2020 年2 月2 日—3 月5 日工作面回采至A4 背斜影響區(qū)域， 對(duì)A4 背斜影響區(qū)域所有微震數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知， 微震事件主要發(fā)生在距工作面-200～200 m 范圍內(nèi)， 大能量事件主要發(fā)生在工作面-100～150 m 范圍（ 圖5）。 震源集中分布在A4 背斜軸部及兩翼150 m 范圍內(nèi)（ 圖6）。

圖5 A4 褶曲影響范圍能量-距離散點(diǎn)分布圖

圖6 A4 褶曲影響范圍微震事件定位圖

5.2 A5 向斜

根據(jù)402102 工作面煤層底板等高線可知，等高線以A5 褶曲為中心發(fā)生圈閉， 由此可知A5 向斜軸部為中心的小型盆地，盆地北側(cè)發(fā)育有DF14 斷層，且盆地與水倉距離較近，影響范圍疊加，因此本次將A5 向斜、DF14 斷層，以及水倉的影響進(jìn)行綜合分析（ 圖7、圖8）。

圖7 402102 工作面過DF14 斷層、A5 褶曲、水倉能量-距離散點(diǎn)分布圖

圖8 DF14 斷層、A5 褶曲、水倉影響范圍微震事件定位圖

對(duì)上述構(gòu)造及水倉影響區(qū)域所有微震數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，微震事件主要發(fā)生在滯后工作面300 m至超前工作面300 m 范圍內(nèi)。

6 地質(zhì)條件較好區(qū)域

本節(jié)選取無斷層、褶曲及水倉影響區(qū)域（ 工作面回采里程1 133～1 333 m）微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，地質(zhì)條件較好區(qū)域微震事件主要發(fā)生在工作面-150～300 m范圍內(nèi)，大能量事件主要發(fā)生在超前工作面200 m 范圍內(nèi)（ 圖9）。 震源集中分布在兩順槽及其兩側(cè)（ 圖10）。

圖9 地質(zhì)條件較好區(qū)域能量-距離散點(diǎn)分布圖

圖10 地質(zhì)條件較好區(qū)域微震事件定位圖

7 結(jié)論

1） 通過對(duì)402102 工作面整體及劃分后的不同區(qū)域分別分析，得到工作面超前支承壓力分布的特點(diǎn)，即在工作面前方形成微震頻次與能量的高峰， 同沖擊地壓理論中工作面前方形成單峰值結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布相吻合。 402102 工作面整體及不同區(qū)域頻次、能量峰值和頻次、能量較高值區(qū)間統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 402102 工作面微震頻次與能量統(tǒng)計(jì)表 m

由表2 中數(shù)據(jù)可得，在不同區(qū)域微震事件頻次、能量的峰值和較大值區(qū)間距工作面的距離有所不同，相比于地質(zhì)條件較好的區(qū)域， 褶曲構(gòu)造和斷層構(gòu)造對(duì)超前支承壓力的影響十分明顯。

2）402102 工作面回采期間微震事件發(fā)生于滯后工作面300 m 至超前工作面300 m 范圍， 同時(shí)超前應(yīng)力區(qū)域基本集中于超前工作面250 m 范圍，預(yù)留50 m安全距離，即超前工作面300 m 范圍為相對(duì)安全范圍。