井下斷層活動的定量監(jiān)測及其對沖擊地壓的影響研究

榮 海 ，魏世龍 ，張宏偉 ，楊歲寒 ，湯進寶 ，陳林林 ，錢紅亮 ，王雅迪 ，付 興

（1.遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院, 遼寧 阜新 123000；2.河南大有能源股份有限公司 耿村煤礦, 河南 三門峽 472431；3.遼寧工程技術大學 環(huán)境科學與工程學院, 遼寧 阜新 123000）

0 引 言

沖擊地壓是世界范圍內(nèi)最嚴重的礦井動力災害之一，同時受到特定地質(zhì)條件和開采活動的影響[1]。斷層是沖擊地壓礦井中的主要地質(zhì)構造，其活化將對沖擊地壓的發(fā)生產(chǎn)生重要影響[1]。針對斷層的活化規(guī)律及對沖擊地壓的影響，學者們采用不同方法，從不同角度開展了相關研究，取得了豐碩的成果：潘一山等[2]認為斷層沖擊地壓源于斷層帶與上下盤圍巖系統(tǒng)的變形失穩(wěn)，并建立了穩(wěn)定性判別準則和粘滑失穩(wěn)模型。曹安業(yè)等[3]通過數(shù)值模擬和理論分析，研究了鄰地塹開采條件下沖擊地壓的致災機制，得到頂板結構阻礙了工作面支承壓力向巖體深部轉(zhuǎn)移，導致斷層處應力集中和煤柱區(qū)彈性能量積聚的結論。魏世明等[4]通過數(shù)值模擬研究了正斷層的上、下盤開采過程中的沖擊地壓危險性，得到了工作面與斷層的距離與斷層活化程度和沖擊地壓危險性的關系。李一哲[5]運用理論分析和數(shù)值模擬，研究了斷層控制下的覆巖結構特征、擾動規(guī)律和沖擊機制。王同旭等[6]采用理論分析和數(shù)值模擬，研究了采動影響下的斷層活化趨勢、能量釋放和對沖擊地壓的影響。苗海周[7]用數(shù)值模擬研究了采場頂板穩(wěn)定性和沖擊地壓危險性，認為正斷層工作面與斷面距離小于開采高度時可能導致沖擊地壓。張寧博等[8]研究了F16斷層對義馬礦區(qū)沖擊地壓的影響，得到斷層卸載時正應變和剪應變呈突降→突增→穩(wěn)定的趨勢。田雨桐等[9]分析了斷層活化的影響因素，揭示了采動環(huán)境下斷層構造的致沖機理。蔡武等[10]研究了以采動應力和礦震動載為主的斷層活化類型，并分析了其力學機制和動靜載疊加誘沖機理。任政等[11]運用數(shù)值模擬方法，根據(jù)G-R 地震活動冪次分布規(guī)律和微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了開采擾動下逆斷層沖擊地壓礦震活動的時空分布規(guī)律。李忠華等[12]構建了“斷層-煤柱”變形系統(tǒng)，得到了斷層錯動型沖擊地壓的發(fā)生條件。曾林生等[13]采用數(shù)值模擬方法，研究了采動影響下斷層活動誘發(fā)煤礦沖擊地壓的機理。賀志龍[14]采用數(shù)值模擬方法，揭示了斷層活化規(guī)律和其對沖擊地壓的影響。呂進國等[15]基于逆斷層形成機制，運用理論分析、相似材料模擬等方法，揭示了逆斷層對沖擊地壓的誘導機制。曹明輝等[16]運用理論分析和數(shù)值模擬等方法，研究了斷層煤柱寬度對斷層活化失穩(wěn)與斷層煤柱內(nèi)部能量變化的影響。廖志恒[17]采用數(shù)值模擬分析方法，研究了斷層對深井巷道圍巖應力變化的影響，得出掘進工作面沖擊地壓發(fā)生危險的規(guī)律。王宏偉等[18]采用相似材料模擬和數(shù)值模擬等方法，分析了開采擾動下斷層滑動面切應力的動態(tài)演化特征，研究了斷層滑移失穩(wěn)誘沖機理及前兆信息。

在上述研究中，主要應用理論分析、數(shù)值模擬和相似材料模擬等方法對斷層活動性和活化規(guī)律進行研究，建立斷層活動與沖擊地壓之間的聯(lián)系。目前，大多數(shù)相關研究是從間接角度和定性角度開展，從直接角度和定量化角度開展研究的報道相對較少，可支撐的數(shù)據(jù)尚不充分。為了建立斷層活動與沖擊地壓之間的定量關系，在分析義馬礦區(qū)產(chǎn)生沖擊地壓的地質(zhì)構造環(huán)境基礎上，采用沖擊地壓地質(zhì)動力條件評價方法計算F16斷層影響帶的范圍，采用地質(zhì)動力區(qū)劃方法劃分耿村井田內(nèi)的斷裂構造，進行構造應力分區(qū)，研究構造斷裂和高構造應力對礦井沖擊地壓的控制作用。開展F16斷層活動性的井下定量監(jiān)測工作，定量監(jiān)測大能量微震事件孕育和發(fā)生期間斷層活動位移量和應力增長幅度，分析大能量微震事件的主要能量來源，建立大能量微震事件與斷層活動的定量關系，確定斷層活動性對沖擊地壓的影響。以期為耿村煤礦13200 工作面和類似條件工作面沖擊地壓預測和防控工作提供指導。

1 礦井概況及地質(zhì)構造環(huán)境分析

1.1 礦井概況

耿村煤礦位于河南省三門峽市澠池縣境內(nèi)，區(qū)域主體位于義馬向斜的北翼，整體呈現(xiàn)向南傾斜的單斜構造。在煤礦南部邊界，地層局部直立或倒轉(zhuǎn)。F16為區(qū)域性逆沖斷層，斷層經(jīng)耿村井田南緣通過，為井田深部邊界斷層。耿村煤礦主要開采2-3 煤層，現(xiàn)開采13 采區(qū)，煤層平均厚度19.3 m。采用走向長壁后退式采煤方法和綜采放頂煤工藝，采用全部垮落法管理頂板。13200 工作面位于13 采區(qū)，工作面長度243 m，走向長度718 m，F(xiàn)16斷層推覆構造對2-3煤層厚度及結構具有較大影響，隨著耿村煤礦13200 工作面運輸巷及工作面的推進，已穿過F16斷層推覆影響帶。F16斷層在耿村井田范圍內(nèi)沿近東西方向（195°）延伸，斷層平均傾角50°。F16斷層與耿村井田13 采區(qū)的相對位置關系如圖1 所示。

圖1 F16 斷層與耿村井田13 采區(qū)的相對位置關系Fig.1 Relative positional relationship between F16 fault and 13th mining area of Gengcun mine field

截至目前，耿村煤礦累計發(fā)生沖擊地壓（包括大能量微震事件）34 次，給礦井安全生產(chǎn)造成了嚴重影響。

1.2 區(qū)域地質(zhì)構造環(huán)境分析

義馬煤田由東北部的岸上平移斷層、西北部的扣門山—坡頭斷層及南部邊界的南平泉斷層和F16斷層所組成的三角形斷塊構成，大體組成一個不完整的向斜，如圖2 所示。華北板塊南緣中生代以來經(jīng)歷了強烈的構造擠壓作用，形成了復雜逆沖推覆構造體系。

圖2 義馬煤田區(qū)域構造Fig.2 Regional structure outline of Yima coalfield

耿村煤礦位于此構造板塊中，必然會受到板塊構造運動的影響。沖擊地壓等礦井動力災害的發(fā)生可以說是現(xiàn)代構造運動和現(xiàn)代構造應力場的具體顯現(xiàn)[19]。

2 F16 斷層對耿村井田沖擊地壓控制作用的理論分析

2.1 斷層影響帶對沖擊地壓的控制作用分析

羅浩和田富軍等[20-21]運用理論和模擬等方法分析了F16斷層形成機理及其誘發(fā)沖擊地壓機理，認為F16斷層的形成是由于應力的疊加，并對義馬礦區(qū)沖擊地壓的發(fā)生起控制作用，開采擾動將導致F16斷層活化，并誘發(fā)嚴重的沖擊地壓災害。根據(jù)統(tǒng)計結果，義馬礦區(qū)92.5%的沖擊事件發(fā)生在距F16斷層小于1 000 m 的范圍內(nèi)[8,22]。對于耿村煤礦，大部分沖擊事件集中在離F16斷層較近的工作面，并且98.15%的沖擊地壓發(fā)生在距F16斷層小于868 m 的區(qū)域，77.78%的沖擊地壓發(fā)生位置距F16斷層小于537 m[8]。

根據(jù)沖擊地壓地質(zhì)動力條件評價方法[23-24]，斷層帶的影響范圍如式（1）所示。

式中：k為活動性系數(shù)（k=1，2，3），斷裂活動性強時k=3，中等時k=2，弱時k=1；h為斷裂垂直落差，m。

耿村煤礦13 采區(qū)附近F16斷層落差為350～380 m。F16斷裂具有中等活動性[23-24]，根據(jù)式（1）計算方法，其影響帶范圍為7 000～7 600 m。根據(jù)工作面與F16斷層的相對位置關系，13200 工作面全部處于F16斷層的影響帶內(nèi)。在F16斷層的影響下，工作面的開采活動容易使斷層上下盤產(chǎn)生錯位和滑移，引起沖擊地壓等礦井動力災害的發(fā)生。

2.2 區(qū)劃斷裂對沖擊地壓的控制作用分析

由于板塊研究的尺度標準和空間范圍較大，目前尚不能直接應用于解決礦山開采工程出現(xiàn)的動力災害問題。地質(zhì)動力區(qū)劃理論的提出，將研究范圍劃定至井田尺度上，建立了現(xiàn)代構造運動與工程應用之間的聯(lián)系[24-27]。

采用地質(zhì)動力區(qū)劃方法[24-27]劃分了耿村井田內(nèi)的斷裂構造。根據(jù)Ⅴ級區(qū)劃圖確定的斷塊構造邊界，建立耿村井田地質(zhì)構造模型，為井田構造應力計算和分區(qū)奠定了基礎。同時將耿村煤礦已發(fā)生的沖擊地壓（包括大能量微震事件）與地質(zhì)構造模型相結合，如圖3 所示。

圖3 沖擊地壓點與斷裂構造的聯(lián)系Fig.3 Relationship between rockburst points and fault structure

已發(fā)生在耿村井田內(nèi)的34 次沖擊地壓（包括大能量微震事件）主要分布在3 個區(qū)域：①Ⅰ-2 斷裂、Ⅴ-9 斷裂和Ⅴ-13 斷裂包圍區(qū)域；②Ⅰ-2 斷裂、Ⅳ-7斷裂、Ⅴ-11 斷裂和Ⅴ-14 斷裂包圍區(qū)域；③Ⅰ-2 斷裂、Ⅲ-4 斷裂和Ⅴ-17 斷裂包圍區(qū)域。在各級區(qū)劃斷裂中，Ⅰ-2 斷裂與地質(zhì)界和地震界已查明的新安斷裂和魯葉斷裂聯(lián)系緊密，該斷裂橫穿耿村井田中部，由于其規(guī)模大，影響范圍廣，對耿村井田的地質(zhì)動力環(huán)境具有重要影響。Ⅰ-2 斷裂、Ⅲ-4 斷裂、Ⅳ-7 斷裂、Ⅴ-9 斷裂、Ⅴ-11 斷裂、Ⅴ-13 斷裂、Ⅴ-14 斷裂和Ⅴ-17 斷裂對耿村井田沖擊地壓和大能量微震事件的發(fā)生具有控制作用。

2.3 構造應力分區(qū)對礦井沖擊地壓的影響

依據(jù)耿村井田的地應力測量結果，最大水平主應力為13.83 MPa，方向N36°E。應用自主研發(fā)的“巖體應力狀態(tài)分析系統(tǒng)”軟件，依據(jù)最大水平主應力測定結果，進行耿村井田構造應力計算。根據(jù)計算結果，耿村井田內(nèi)2-3 煤層頂板水平最大主應力為9～21 MPa，按巖體應力分布情況和應力大小進行構造應力區(qū)的劃分，劃分為高應力區(qū)、應力梯度區(qū)和低應力區(qū)。當應力集中系數(shù)k>1.2 時，主應力等值線圈定的范圍為高應力區(qū)；當k<0.8 時，主應力等值線圈定的范圍為低應力區(qū)；應力梯度區(qū)位于高應力區(qū)與正常應力區(qū)之間。在高應力區(qū)和應力梯度區(qū)內(nèi)，巖體承受較高的應力，巖體脆性增大、破壞強度降低，容易誘發(fā)沖擊地壓；處于低應力區(qū)范圍內(nèi)的巖體，不易產(chǎn)生能量的積聚，沖擊地壓發(fā)生危險性最低[23,27]。將耿村煤礦已發(fā)生的沖擊地壓（包括大能量微震事件）與井田構造應力劃分結果進行合并，如圖4所示。在已發(fā)生的34 次沖擊事件中，位于應力梯度區(qū)的有20 次，占比58.8%；位于應力正常區(qū)的有9 次，占比26.5%；位于低應力區(qū)的有5 次，占比14.7%。由此表明，耿村煤礦沖擊地壓（大能量微震事件）大多位于應力梯度區(qū)，高構造應力對礦井沖擊地壓具有控制作用。

圖4 2-3 煤層頂板構造應力區(qū)劃分與沖擊地壓（大能量微震事件）位置Fig.4 Division of tectonic stress zone and location map of rockburst (large energy microseism event) in roof of 2-3 coal seam

3 耿村煤礦F16 斷層活動性的井下定量監(jiān)測

3.1 監(jiān)測方案設計與現(xiàn)場施工

3.1.1 斷層活動性監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測地點

對F16斷層活動性的井下實際監(jiān)測內(nèi)容包括對位移監(jiān)測和拉力監(jiān)測2 個部分。應用貼好刻度尺的測管，進行位移監(jiān)測；應用加長錨索和錨索測力計，進行拉力監(jiān)測。監(jiān)測地點為13200 工作面運輸巷距開切眼145～160 m 處。測區(qū)布置如圖5 所示，監(jiān)測時間為2021 年1 月25 日至2021 年4 月1 日，至測力計和測管全部失效時結束。

圖5 測區(qū)布置Fig.5 Layout of monitoring area

3.1.2 斷層活動性監(jiān)測方案

在測區(qū)內(nèi)向三疊系堅硬頂板施工監(jiān)測鉆孔，定量測定煤巖交界面拉力和位移的變化量。13200 工作面測區(qū)測孔施工剖面模型如圖6 所示。

圖6 13200 工作面測區(qū)測孔施工剖面模型Fig.6 Profile model of borehole construction in monitoring area of panel 13200 working face

在測區(qū)內(nèi)沿走向布置4 個測試鉆孔。A、B 測孔布置形式相同，用于斷層活動的拉力測定；C、D 測孔用于斷層活動的位移測定。在C 測孔中，測管的錨固端穿過煤巖交界面，固定在巖層中；在D 測孔中，測管的錨固端固定在靠近煤巖交界面附近的煤層中，測孔布置方案如圖7 所示。根據(jù)與斷層的相對位置，測點C 測管錨固端在F16斷層的上盤巖層中，測點D 測管錨固端在F16斷層的下盤煤層中。當斷層面產(chǎn)生滑動時，C、D 測孔必然產(chǎn)生讀數(shù)上的差異，兩者的讀數(shù)差值可視為F16斷層上下盤位移變化量，因此可根據(jù)C、D 測孔的讀數(shù)差值計算斷層的位移量。

圖7 13200 工作面測區(qū)測孔布置方案Fig.7 Layout plan of monitoring holes in monitoring area of No.13200 working face

在每個測試孔中，在距離孔底6 m 處設置擋片和封孔袋；將錨索或測管的錨固端送入孔底，用注漿泵向錨固端注水泥漿，將錨固端固定。

當拉力測孔安裝完畢后，待水泥漿完全固化，用拉拔器測試錨索是否滿足要求，若滿足安裝錨索鎖具；在錨索外端安裝錨索測力計，用于測量煤巖交界面產(chǎn)生滑動后的拉力變化。

當位移測孔安裝完畢后，將測管最外端標記刻度，用于測量煤巖交界面產(chǎn)生滑動后的位移變化。

拉力測管A 從2021 年1 月25 日開始監(jiān)測，初始讀數(shù)為6.30 kN，2021 年4 月1 日，測力計A 損壞，監(jiān)測工作結束，末次讀數(shù)為65.30 kN。拉力測點A監(jiān)測結束時距離工作面10.2 m。

拉力測管B 從2021 年1 月25 日開始監(jiān)測，初始讀數(shù)為5.80 kN，至2021 年3 月7 日，測力計B 損壞，監(jiān)測工作結束，末次讀數(shù)為105.96 kN。拉力測點B 監(jiān)測結束時距離工作面21.2 m。

位移測管C、D 從2021 年1 月26 日開始計數(shù)，至2021 年3 月7 日，由于巷道維修，導致測管損壞，位移監(jiān)測工作結束，監(jiān)測結果見表1。

表1 F16 斷層活動性監(jiān)測期間的斷層位移量監(jiān)測結果Table 1 F16 fault displacement monitoring results during fault activity monitoring

3.2 大能量微震事件與斷層活動的關系分析

3.2.1 大能量微震事件與沖擊地壓關系分析

沖擊地壓的發(fā)生是時間和空間的相互統(tǒng)一，在沖擊地壓發(fā)生的過程中，常伴生著較高能量的微震事件。當某一區(qū)域出現(xiàn)大能量微震事件后，特別是對于礦井沖擊地壓臨界能量以上的“高能量”微震事件，表明煤巖體具備沖擊地壓發(fā)生的可能，具備沖擊地壓發(fā)生的能量基礎，該區(qū)域或一定范圍內(nèi)的煤巖體經(jīng)過一段時間的能量積聚后，具備發(fā)生沖擊地壓或再次發(fā)生大能量微震事件的危險[23,25,28]。

根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律，普遍認為106J 為我國煤礦沖擊地壓發(fā)生的臨界能量[25]。對較高能量微震事件的準確預測預報是預警沖擊地壓的關鍵所在[23,28-29]。

在開展斷層活動性井下實際監(jiān)測期間，運輸巷附近的煤體于2 月10 日和3 月6 日分別出現(xiàn)1 次大能量微震事件（能量106J 以上），這2 次微震事件的詳細信息如圖8 和表2 所示。

表2 斷層活動性監(jiān)測期間大能量微震事件信息統(tǒng)計Table 2 Information statistics of the high-energy microseismic events during fault activity monitoring

圖8 斷層活動性監(jiān)測期間大能量微震事件分布Fig.8 Distribution of high-energy microseismic events during fault activity monitoring

3.2.2 斷層活動性監(jiān)測結果分析

對于煤巖體釋放能量的計算，可用斷層活動產(chǎn)生的位移量與區(qū)域煤巖體的拉力增幅的積分結果進行表示。在大能量微震事件的孕育和發(fā)生期間，斷層活動產(chǎn)生的位移量監(jiān)測結果見表1。2 月2 日至2 月6 日，斷層位移量由5 mm 迅速增至55 mm，增長幅度為50 mm，此后近1 個月時間內(nèi)斷層未產(chǎn)生新的位移量。表明2 月10 日發(fā)生的大能量微震事件，其能量來源之一是2 月2 日至2 月6 日斷層位移量的迅速積累；3 月2 日至3 月6 日，斷層位移量由55 mm 增至100 mm，增長幅度為45 mm，構成了3 月6 日大能量微震事件的斷層位移基礎。與其他時間段相比，這2 次大能量微震事件孕育期間的斷層活動位移增長幅度顯著增大。

大能量微震事件的另一項能量來源是相對較高的應力增幅。A、B 兩測點的拉力增幅監(jiān)測結果見表3 和圖9。根據(jù)微震監(jiān)測結果，在大能量微震事件的孕育期間，發(fā)生其他單次微震事件的能量為1.5×103～5.4×104J，能量相對較小。斷層活動性拉力監(jiān)測每2 h 讀數(shù)1 次，2 月10 日8：00 和3 月6 日14：00（即2 次大能量微震事件發(fā)生前的整點讀數(shù)），A、B兩測點對于拉力增幅的監(jiān)測結果均相對最高，分別為2.58 kN 和2.93 kN。這也為大能量微震事件的發(fā)生提供了應力基礎。

表3 A、B 兩測孔的拉力增幅監(jiān)測結果Table 3 Monitoring results of tension increase at measuring points A and B

圖9 A、B 兩測點的拉力增幅變化情況Fig.9 Change in tension increase at measuring points A and B

為方便后續(xù)分析計算，將監(jiān)測點的拉力與應力進行換算，錨索承受拉力與應力的轉(zhuǎn)換關系如式（2）所示[30]：

式中：R0為錨索承受的拉力，N；η0為錨具效率系數(shù)（取0.95）；n為鋼絞線根數(shù)；Sn為單根鋼絞線參考截面面積，mm2；Rm為錨索承受的應力，MPa。

由式（2）計算得到，監(jiān)測錨索承受拉力與應力的轉(zhuǎn)換關系可表示為Rm=2.86R0或R0=0.35Rm。

因此，根據(jù)A、B 兩個測孔的監(jiān)測結果和式（2）所示的轉(zhuǎn)換結果，大能量微震事件發(fā)生期間的斷層拉力增幅和應力增幅監(jiān)測結果見表4。

表4 大能量微震事件發(fā)生期間的斷層拉力增幅和應力增幅監(jiān)測結果Table 4 Monitoring results of fault tension amplitude and stress amplitude during high-energy microseismic events

3.2.3 大能量微震事件與斷層活動的關系分析

前已述及，對于煤巖體釋放能量的計算可用斷層活動產(chǎn)生的位移與區(qū)域煤巖體的拉力增幅的積分結果進行表示，而區(qū)域煤巖體的拉力增幅可由單點的應力增幅和受斷層活動影響區(qū)域煤巖體的面積進行積分計算得到。因此確定受斷層活動影響區(qū)域煤巖體的面積是計算上述2 次大能量微震事件能量來源的關鍵。

為沖擊地壓等礦井動力災害提供能量及受到影響的煤巖體構成了“煤巖動力系統(tǒng)”，沖擊地壓的影響范圍可以通過煤巖動力系統(tǒng)進行描述，對于研究沖擊地壓孕育、發(fā)生和發(fā)展過程具有重要意義。將煤巖動力系統(tǒng)的結構假定為“球形體”進行研究，煤巖動力系統(tǒng)的結構由內(nèi)向外可以劃分為動力核區(qū)、破壞區(qū)、損傷區(qū)和影響區(qū)。動力核區(qū)為沖擊地壓震源激發(fā)區(qū)，動力災害釋放的能量全部匯聚于動力核區(qū)內(nèi)。破壞區(qū)、損傷區(qū)和影響區(qū)尺度的確定均以動力核區(qū)尺度為基礎[23,25,31-32]。

因此，為計算受斷層活動影響區(qū)域煤巖體的等效面積，以“煤巖動力系統(tǒng)”模型為基礎，構建“震源區(qū)煤巖體與動力核區(qū)尺度等量，震源能量隨傳遞距離逐漸衰減”的模型進行計算，模型示意如圖10 所示?！懊簬r動力系統(tǒng)”動力核區(qū)的面積與受斷層活動影響區(qū)域煤巖體的等效面積相等。分析思路如下：① 根據(jù)2 次大能量微震事件的位置和能量值，構建煤巖動力系統(tǒng)模型，分別計算動力核區(qū)半徑，進而計算得到受斷層活動影響區(qū)域煤巖體的等效面積；② 根據(jù)動力核區(qū)中心距離測區(qū)中心距離和能量衰減計算公式，反演震源區(qū)的能量值；③ 根據(jù)斷層活動性的位移和應力監(jiān)測結果，結合等效面積計算結果，計算震源區(qū)的能量值；④ 將②、③步的計算結果進行對比，若計算結果和反演結果相等或相近，則表明模型構建合理。

圖10 受斷層活動影響區(qū)域煤巖體的等效面積計算模型Fig.10 Calculation model for equivalent area of coal and rock mass in area affected by fault activity

煤巖動力系統(tǒng)半徑計算結果如式（3）所示，能量衰減計算公式如式（4）所示，震源激發(fā)區(qū)的能量計算如式（5）所示，13200 工作面煤巖體物理力學參數(shù)測試結果見表5。

表5 13200 工作面煤巖體物理力學參數(shù)測試結果Table 5 Test results of physical and mechanical parameters of coal and rock mass of panel 13200 working face

式中：R為煤巖動力系統(tǒng)“動力核區(qū)”半徑，m；E為煤巖體的彈性模量，GPa；H為煤巖體的埋藏深度，m；μ為煤巖體的泊松比；ΔU為大能量微震事件的能量值，J；γ為煤巖體容重的平均值，N/m3；k1為最大主應力與垂直應力的比值；k2為中間主應力與垂直應力的比值；k3為最小主應力與垂直應力的比值。

式中:Er為測點處的能量值，J；E0為震源區(qū)的能量值，J；α為能量衰減指數(shù)；r為微震點距離測區(qū)中心點距離，m。能量傳遞受多種因素影響，根據(jù)相關文獻統(tǒng)計結果[33-36]，在本文中能量衰減指數(shù)取值0.007 5。

式中:U為震源區(qū)煤巖體的能量值計算結果，J；σ為斷層監(jiān)測的應力增幅，MPa；Δx為斷層位移，m；S為受斷層活動影響區(qū)域煤巖體的等效面積，m2。

13200 工作面煤體的埋藏深度為607 m，根據(jù)地應力測量結果，k1取值0.89，k2取值1，k3取值0.47，體積力取值25 600 N/m3。2 次大能量微震事件均發(fā)生在煤體中，將表5 中的煤層參數(shù)測試結果代入式（3）和式（4），計算得到2 月10 日大能量微震事件對應的煤巖動力系統(tǒng)“動力核區(qū)”半徑為5.57 m，受斷層活動影響區(qū)域煤巖體的等效面積為97.42 m2，能量衰減系數(shù)為0.254；3 月6 日大能量微震事件對應的煤巖動力系統(tǒng)“動力核區(qū)”半徑為3.08 m，受斷層活動影響區(qū)域煤巖體的等效面積為29.79 m2，能量衰減系數(shù)為0.108。震源區(qū)能量值的反演結果和計算結果見表6。

表6 震源區(qū)能量值的反演結果和計算結果Table 6 Inversion results and calculation results of energy values in source area

根據(jù)表6 所示結果，2 月10 日大能量微震事件的震源區(qū)能量反演值為2.80×107J，A 測孔的能量計算值為3.18×107J，B 測孔的能量計算值為4.00×107J，平均值為3.59×107J，反演值與計算值位于同一數(shù)量級；3 月6 日的能量反演值為1.11×107J，A 測孔的能量計算值為3.76×106J，B 測孔的能量計算值為1.87×107J，平均值為1.12×107J，反演值與計算值基本一致。

由此表明，大能量微震事件的發(fā)生與斷層的活動聯(lián)系緊密，與斷層活動產(chǎn)生的位移和應力增幅的積分結果呈正相關。構建的“震源區(qū)煤巖體與動力核區(qū)尺度等量，震源能量隨傳遞距離逐漸衰減”模型可以較為準確反映兩者之間的聯(lián)系。與震源區(qū)能量反演值相比，震源區(qū)能量計算值略高的主要原因有2 點：① 能量衰減系數(shù)取值源于經(jīng)驗，存在誤差；② 煤巖體積累的能量主要以大能量微震進行釋放，同時還伴隨一些能量較小的微震事件，計算過程中未予計算。

3.2.4 高能微地震事件與開采的關系分析

在確定高能微震事件受斷層活動控制的同時，有必要分析工作面開采對微震事件的影響。微震監(jiān)測結果可以反映出工作面超前支承壓力的分布情況[37-38]。因此，在工作面超前支承壓力影響范圍內(nèi)的微震事件將受到工作面開采的影響。2 次高能微震事件發(fā)生時，微震事件點與測區(qū)中心點距工作面的距離如圖11 和表2 所示。數(shù)值模擬是計算工作面超前支承壓力影響范圍的常用方法[39]。根據(jù)數(shù)值模擬結果，13200 工作面超前影響范圍為170 m，超前支承壓力峰值點為工作面前方33 m[40]。2 次高能微震事件距離13200 工作面分別為222.83 m 和322.21 m，均在工作面超前影響范圍外。這表明，2次大能量微震事件的發(fā)生主要受斷層活動的影響，工作面開采對2 次微震事件發(fā)生未產(chǎn)生直接影響。

圖11 微震事件點、測區(qū)中心點與工作面距離示意Fig.11 Schematic of distance between microseismic event points, center point of survey area and working face

3.2.5 斷層活動對沖擊地壓的影響分析

2 月10 日和3 月6 日的2 次大能量微震事件，監(jiān)測能量值均高于106J，高于我國煤礦沖擊地壓發(fā)生的臨界能量[25]，表明煤巖體具備沖擊地壓發(fā)生的能量基礎，該區(qū)域或一定范圍內(nèi)的煤巖體經(jīng)過一段時間的能量積聚后，具備發(fā)生沖擊地壓的危險[23,25,29]。根據(jù)上述分析結果，斷層活動是這2 次大能量微震事件的主要影響因素，因此，F(xiàn)16斷層的活動對耿村井田沖擊地壓的發(fā)生產(chǎn)生重要影響。

3.3 斷層活動性隨工作面開采的變化規(guī)律分析

3.3.1 監(jiān)測點拉力與應力數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測點對斷層位移和拉力載荷監(jiān)測原始數(shù)據(jù)分別如圖12 和圖13 所示。

圖12 拉力載荷監(jiān)測曲線Fig.12 Tensile load monitoring curve

圖13 斷層位移監(jiān)測曲線Fig.13 Fault displacement monitoring curve

2021 年1 月25 日至2021 年4 月1 日期間，監(jiān)測過程中測孔A 拉力值由初始值6.3 kN 增至65.3 kN，增長59 kN，比初始值增長了10.4 倍，總體增長趨勢平穩(wěn)，在此期間工作面開采37 m。2021 年1 月25日至2021 年3 月7 日，測孔B 拉力值由初始值5.8 kN增至105.96 kN，增長100.16 kN，比初始值增長17.3倍，增長幅度較大，期間工作面開采了27 m。

對比兩拉力測點的讀數(shù)，測孔A 拉力增長相對穩(wěn)定，幅度較小，增長速度較小；測孔B 拉力增長不連貫，有間斷，但增長幅度較大，拉力增長較快。測點A 與測孔B 的拉力增幅和變化趨勢存在差異，主要由于測孔孔深存在差異、巖性不均勻分布等原因所致。A、B 兩監(jiān)測孔拉力與工作面距離的關系如圖14 所示。

圖14 監(jiān)測點的拉力與工作面距離的關系Fig.14 Relationship between tension of monitoring points and distance of working face

根據(jù)圖14 所示結果，隨著工作面的開采，工作面與測孔A 和測孔B 的距離逐漸減小，監(jiān)測的拉力和應力均呈現(xiàn)明顯的線性增長，通過數(shù)據(jù)擬合得到A、B 兩個監(jiān)測孔的拉力與工作面距離的關系，分別如式（6）和式（7）所示；通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到A、B 兩個監(jiān)測孔的應力與工作面距離的關系，分別如式（8）和式（9）所示：

式中：FA為測孔A 的拉力監(jiān)測值，N；XA為測孔A 距工作面距離，m。

式中：FB為測孔B 的拉力監(jiān)測值，N；XB為測孔B 距工作面距離，m；

式中，PA為測孔A 的應力監(jiān)測值，MPa。

式中，PB為測孔B 的應力監(jiān)測值，MPa。

由式（6）和式（8）得到，工作面每開采1 m，測孔A 的錨索拉力增加1.24 kN，錨索應力增加3.50 MPa。

由式（7）和式（9）得到，工作面每開采1 m，測孔B 的錨索拉力增加4.73 kN，錨索應力增加11.12 MPa。

由此表明工作面開采引起F16斷層活動，錨索拉力和應力都有較大幅度的增加，對工作面礦壓顯現(xiàn)和沖擊地壓將產(chǎn)生重要影響。

3.3.2 監(jiān)測點位移量數(shù)據(jù)分析

2021 年1 月26 日至2021 年3 月7 日為C、D測孔監(jiān)測期，期間工作面開采了27 m。測孔C 測管讀數(shù)由1 625 mm 變化至1 395 mm，位移為230 mm，測點D 測管讀數(shù)由1 230 mm 變化至1 100 mm，位移量為130 mm，表明監(jiān)測期間F16上下盤位移變化量為100 mm。隨著工作面的開采，工作面與位移測孔C、D 的距離逐漸減小，斷層位移呈現(xiàn)線性增長趨勢。監(jiān)測期間F16上下盤位移變化量為100 mm，當工作面距離監(jiān)測點40 m 開始，監(jiān)測點位移增幅明顯；工作面每開采1 m，斷層位移增加5.3～8.5 mm。

由此表明，13200 工作面的開采引起了F16斷層活動，使斷層的上下盤出現(xiàn)位移。監(jiān)測點位移監(jiān)測結果與測點距工作面距離的關系如圖15 所示。

圖15 監(jiān)測點位移與測點離工作面距離的關系Fig.15 Relationship between displacement monitoring results of monitoring points and distance between measuring points and working face

3.3.3 工作面開采對斷層活動的影響分析

根據(jù)上述分析結果，工作面開采會引起F16斷層活動，工作面開采是造成斷層活動的主要影響因素。前已述及，可用斷層活動產(chǎn)生的位移與區(qū)域煤巖體的拉力增幅的積分結果表示煤巖體釋放的能量。由3.2 節(jié)研究所得，大能量微震事件的發(fā)生與斷層活動產(chǎn)生的位移和應力增幅的積分結果呈正相關。因此斷層活動與大能微震事件的發(fā)生聯(lián)系緊密。

4 結 論

1) 義馬煤田經(jīng)歷了強烈的構造擠壓作用，形成了復雜逆沖推覆構造體系，這是義馬礦區(qū)產(chǎn)生沖擊地壓的地質(zhì)構造背景條件。

2) 耿村煤礦13 采區(qū)附近F16斷層落差為350～380 m，具有中等活動性，F(xiàn)16斷層影響帶寬度為7 000～7 600 m，13200 工作面全部處于F16斷層的影響帶內(nèi)。在開采活動的影響下，F(xiàn)16斷層活動性增加，進一步增大了工作面發(fā)生沖擊地壓的危險。

3) 采用地質(zhì)動力區(qū)劃方法劃分了耿村井田內(nèi)的斷裂構造，并進行了構造應力分區(qū)。Ⅰ-2 斷裂、Ⅲ-4斷裂和Ⅳ-7 斷裂等控制的區(qū)域是耿村煤礦沖擊地壓和大能量微震事件發(fā)生的主要區(qū)域，耿村煤礦沖擊地壓和大能量微震事件大多位于應力梯度區(qū)，表明高構造應力對礦井沖擊地壓具有控制作用。

4) 在耿村煤礦開展了F16斷層活動性的井下定量監(jiān)測工作。在2 次大能量微震事件孕育和發(fā)生期間，F(xiàn)16斷層活動位移增長幅度顯著增大，分別增長50 mm 和45 mm，表明斷層位移的迅速積累是大能量微震事件的主要能量來源之一；在大能量微震事件發(fā)生前，斷層活動拉力增幅的監(jiān)測結果均相對最高，分別為2.58 kN 和2.93 kN，較高的應力增幅是大能量微震事件的另一項能量來源。斷層活動所造成的位移積累和應力增幅與大能量微震事件之間有著關聯(lián)，對于沖擊地壓的防控具有重要的指導意義。

5) 明確了斷層活動對沖擊地壓的影響。大能量微震事件的發(fā)生表明煤巖體具備沖擊地壓發(fā)生的能量基礎，大能量微震事件的震源區(qū)能量反演值分別為2.80×107J 和1.11×107J，測點能量計算結果的平均值分別為3.59×107J 和1.12×107J，震源區(qū)能量反演值和計算值處于同一數(shù)量級，證明了F16斷層的活動與耿村井田大能量微震事件的發(fā)生密切相關。因此F16斷層的活動對耿村井田沖擊地壓的發(fā)生產(chǎn)生重要影響。

6) 在斷層活動監(jiān)測過程中，監(jiān)測點的位移和應力都產(chǎn)生了較大的變化。監(jiān)測過程中，拉力分別增長了10.4 倍和17.3 倍。位移分別變化了230 mm和130 mm，表明F16上下盤位移變化量為100 mm。工作面開采所造成的應力和位移積累為井田發(fā)生沖擊地壓提供了能量基礎。