巨厚坚硬顶板条件下断层诱冲特征及机制

吕进国,姜耀东,李守国,任苏迪,姜文忠,张占存

(1．煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁沈阳 110016;2．中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083;3．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;4．神华神东煤炭集团有限责任公司寸草塔矿,内蒙古鄂尔多斯 017200)

巨厚坚硬顶板条件下断层诱冲特征及机制

吕进国1,姜耀东2,3,李守国1,任苏迪4,姜文忠1,张占存1

(1．煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁沈阳 110016;2．中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083;3．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;4．神华神东煤炭集团有限责任公司寸草塔矿,内蒙古鄂尔多斯 017200)

为了揭示巨厚坚硬顶板条件下断层诱发冲击地压的前兆特征及诱冲机制,基于义马跃进煤矿25110工作面为研究对象,对某段时间内冲击现象的发生规律进行了归纳分析,针对断层诱发冲击地压的典型案例,结合微震监测数据,分析了冲击地压发生前的微震能量与频次及微震活动的时空规律,并采用数值模拟研究了采动影响下断层带附近应力场的分布特征,从地质构造、微震活动、应力场3个方面讨论了该工作面冲击地压发生的原因及机制。研究表明：巨厚坚硬顶板被F16逆断层及两正断层切割,易造成顶板大面积运动,为冲击地压的发生提供了动载条件;工作面发生冲击前微震能量与频次下降,断层带附近区域微震活动减少,有明显“缺震”现象,为冲击地压的发生积聚了能量;受采动、断层及相邻工作面采空区影响,25110工作面形成了高强度支承压力,断层带至下巷附近应力高度集中,尤其下巷底板存在较高的水平应力,为冲击地压的发生提供了力源条件。

巨厚坚硬顶板;断层;微震;冲击地压;应力场

冲击地压是煤矿开采中典型的动力灾害之一,由于其力学环境、发生地点、微观及宏观显现具有多样性,它的显现强度及破坏程度相差较大。在同一条件下,有的煤层发生,有的煤层不发生,有的区域发生,有的区域则不发生,由此可知,引起冲击地压的发生是多方面的[1-5]。根据国内大量冲击地压矿井的统计分析来看,具有冲击危险性的煤层,通常有一层厚且坚硬的顶板岩层,尤其地质构造发育的区域通常更易发生冲击地压、煤与瓦斯突出及矿震等矿山动力灾害[6-11]。特别是在巨厚坚硬顶板与断层共同影响下,冲击地压灾害往往具有破坏性强、发生较为频繁、突然而剧烈的特点[12]。例如2008年义马千秋煤矿21201综采工作面下副巷发生“6·5”冲击地压事故,巷道破坏范围达100余米,冲击严重的区域巷道完全合拢,事故共造成13人死亡、11人受伤。2011年千秋煤矿21221下巷掘进工作面发生了“11·3”特大冲击地压事故,下巷380 m向里巷道严重的挤压垮冒,480 m处巷道基本合拢,造成75人被困,10人遇难。可见,对于此类型冲击地压的分析和研究是非常必要的。

近年来,国内外专家学者们对于巨厚坚硬顶板条件下的断层诱冲击机制研究较少,使得难以掌握此种类型冲击地压的发生机制。因此,本文以义马跃进煤矿25110工作面为主要研究对象,分析归纳了该工作面某段时间内冲击现象的发生规律,从而选取典型案例并结合微震监测数据,揭示冲击地压发生前的微震释能与频次及微震活动的时空规律及前兆特征,并采用数值模拟研究采动影响下断层带附近应力场的分布特征,从地质构造、微震活动、应力场等3个主要方向共同阐述此种冲击类型的发生原因及机制。

1 义马跃进煤矿工作面条件

1.1 工作面地质条件

义马跃进煤矿25110工作面开采2-1煤层,采深800～1 200 m。工作面煤层厚度7．4～13．8 m,煤层较脆且硬度较低(f=1),煤层走向27°～112°,倾向202°～217°,倾角为12°,属于缓倾斜特厚煤层。煤层赋存稳定,整体上沿走向上巷变化不明显,下巷东部厚西部薄。煤层伪顶为0．2 m厚的砂质泥岩,直接顶为18 m厚的泥岩,局部裂隙和节理发育,易破碎;基本顶为190 m厚而坚硬的砾岩;直接底为4 m厚的深灰色泥岩,如图1所示。

图1 25110工作面综合柱状图Fig．1 Generalized geological section of the No．25110 working face

该工作面东临23采区下山保护煤柱,南为25区下部未采煤层,东南部接近F16逆冲断层,西为25区下山煤柱,北为25090工作面(一分层已采)。其中, F16断层为向压扭性逆冲断层,延展约45 km,走向近东西,倾向南略偏东,浅部倾角75°,深部倾角一般15°～35°,断层面上陡下缓,落差50～450 m,水平错距120～1 080 m。25110工作面自西向东依次揭露有F2504,F2509等正断层。其中,F2504断层倾角50°～57°,落差0～1．7 m;F2509断层倾角62°,落差0．6 m,两断层与工作面位置关系如图2(a)所示。该工作面中部构造带150 m范围内矿山压力显现较为严重,节理发育,围岩易破碎、底臌、片帮和冒顶。

图2 25110工作面断层位置关系及巷道布置示意Fig．2 Diagrammatic sketch of roadways and faults positions in the No．25110 face

1.2 工作面开采条件

工作面采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤法,一次采全高,自然垮落法控制顶板,采深超过1 000余米,该面布置3条巷道,分别为25110上巷、25110下巷及25090下巷,其中25110上巷在采空区下沿煤层底板掘进,采用内错法布置在25090工作面的二分层中,二分层段留1．5 m厚顶煤,上巷长为1 017 m; 25110下巷沿煤层顶板掘进,长为1 007 m;25090下巷沿煤层顶板掘进,主要服务于25090工作面一分层回采。25090下巷与25110上巷间距为20．6 m,开切眼沿煤层顶板掘进,长为194 m,如图2(b)所示。

2 冲击地压显现特征及诱因分析

本文统计了2009年7月至2011年3月时间段内25110工作面在采掘过程中发生的冲击地压事件。如图2(a)所示,冲击事件用圆点表示,事件1～6为掘进过程中冲击地压在下巷的显现,事件7～9为回采过程中在下巷的显现,具体的冲击时间、发生位置、破坏特征及诱发因素见表1。通过统计分析25110下巷在采掘过程中发生的多次冲击事件,可得到其在巷道的显现特征如下：

(1)25110上巷布置在25090工作面的二分层中,上巷在采掘中基本没有发生冲击事件,但下巷的冲击事件较为频繁。下巷掘进过程中多数冲击事件为放炮等震动诱发的,回采过程中为采动诱发的,其中事件7与8直接诱因是回采诱发的,但事件9是在回采阶段检修期间发生的,距离工作面268 m,可以推测F16逆冲断层与其他两个小断层共同促使了巨厚坚硬顶板的大面积运动,触发了此次冲击事件。

(2)掘进期间受放炮等震动的直接影响,冲击地压发生的频次较高,释放能量较小,巷道的破坏程度也相对较小;回采阶段冲击地压的发生频次明显减少,但由于受断层构造及回采的直接影响,冲击释放的能量远高于掘进期间,破坏程度也相对较大。无论掘进还是回采阶段,冲击地压造成破坏的位置大多为巷道底板及上帮。

(3)25110下巷的冲击事件基本集中在距F16逆冲断层、F2504、F2509正断层较近的区域,冲击频度、强度受断层影响显著,具有明显的区域性。其中,事件4与9冲击位置相近,水平相距71 m,高度相差100 m,其中事件4为掘进期间断层构造受掘进影响而发生活化,造成较小能量的释放,震级较小;事件9在回采阶段受采动应力的影响,使断层进一步活化,释放的能量远高于事件4,相当于3．2级地震。通过对比分析以往记录可知：在断层构造附近,掘进期间发生的冲击地压易于在回采期间再次发生,具有明显的重复性。

3 冲击地压典型案例前兆特征

3.1 微震能量及频次前兆特征

针对上述冲击地压事件,选取了靠近断层且破坏性较大的“3·1”冲击地压典型案例(事件9)为主要研究对象。此次事故发生前,电磁辐射没有监测到发生冲击的危险前兆信息,但通过对25110工作面微震事件频次与释放的能量分析可以发现：2011-01-01之前的微震活动保持一定水平,在2011-01-01—03-01期间,微震事件次数与释放的能量突然下降,并保持较低水平,甚至出现无震现象,在3月1日突然发生冲击地压(图3)。

表1 25110下巷冲击地压显现特征及诱因Table 1 Appearance features and inducements of coal bumps in the No.25110 lower roadway

图3 微震事件频次及释放能量随时间的演化特征Fig．3 Evolution characteristics of microseismic frequency and energy with time

研究表明[2-3,12-18],微震活动有明显的重复性及填空性,强度越大的微震事件在区域重复的现象越少;微震强度越大,则空白空间范围越大,且形成空白的时间越长。从“3·1”冲击发生前的微震活动规律来看,微震能量与频次大幅度降低,出现了明显的“缺震”现象是此次冲击地压的前兆特征。

3.2 微震活动时空分布前兆特征

通过选取2011-02-01—03-01的微震事件进行归纳分析,确定微震事件的发生时间、释放能量与工作面及顶板的相对位置关系,从而得到了冲击地压发生前微震活动的时空分布特征,见表2。

表2 2月份微震事件Table 2 Microseism events on February

图4中圆球代表微震震源位置,球体大小代表着能量的大小。微震事件主要集中于工作面前方100 m内的巨厚坚硬顶板中,但强度较小,释放能量较低,反映了在工作面超前支承压力影响范围内,顶板发生了微破裂。在2月7日监测到了一次临近F16逆冲断层的高能微震事件,但震级较小。此事件说明随着工作面的回采,采动应力对F16逆冲断层造成了影响,已经出现了活化的前兆,大的断裂结构可能会对回采过程造成灾害性的后果[8,10]。

随着工作面继续向前推进,微震活动也逐渐向前迁移。在2月26日监测到了能量为2．94×105J的微震事件,此事件距工作面前方309 m,且位于F2504与F2509两断层构造区域的坚硬顶板中,说明两断层在采动应力的影响下,已经出现了活化前兆。当工作面继续向前推进时,在2 d内两断层附近没有微震的发生,呈现出积聚能量的趋势,出现了明显的“缺震”现象,需要高能事件进行填补,最终在3月1日的检修期间发生了冲击地压。此次冲击事件可解释为：采动影响诱发了断层的活化,断层的活化直接诱发了巨厚坚硬顶板的破裂,使得煤岩系统积聚的弹性能瞬间释放,发生了构造应力型冲击地压。

4 临近断层巷道发生冲击的力学分析

图4 微震事件空间分布特征Fig．4 Spatial distribution characteristics of microseisms

从图5的下巷受力分析示意可知,相邻工作面一分层已回采,25110上巷相当于布置在卸压带内,减小了应力集中水平,降低了冲击地压发生的概率。然而,已回采的相邻工作面巨厚坚硬顶板难以充分垮落,形成大面积的悬空顶板,支承压力影响范围较广,使得下巷工作面一侧的侧向(或称为倾向)支承压力大幅度增加;另外,受采掘影响,形成了由采掘引起的侧向支承压力,使得支承压力叠加,造成了应力高度集中,巨厚坚硬顶板不断积聚大量的弹性能,极大地增大了下巷发生冲击地压的危险性。

图5 力学分析示意Fig．5 Sketch map of mechanics analysis

随着采掘活动的不断进行,下巷逐渐接近F16断层,此断层逐渐活化,将形成由断层活动引起的侧向支承压力与采掘形成的侧向支承压力相叠加。通过数值模拟进一步验证下巷两侧处在高应力集中区,如图6所示。

若工作面推进到F2509与F2504小断层构造带附近时,工作面前方也将出现由采动、F16大断层、F2509与F2504小断层及临近工作面采空区共同作用所引起的高强度支承压力,此时工作面前方的25110下巷很有可能发生高能量的动力失稳现象。

图6 垂直应力分布特征Fig．6 Distribution characteristics of vertical stress

25110下巷发生冲击事件的显现特征都是以底板冲击破坏为主,主要原因有：

(1)底板存在高强度水平应力。由于开采深度达到1 000 m左右,在自重应力状态下可产生高水平应力,即

其中,λ为侧压系数。当考虑到构造应力作用时,水平应力为

式中,K为水平构造应力影响系数,当存在较大的水平构造应力时,K＞1。

(2)留存冲击倾向性底煤,易于发生拉伸破坏[19]。由于25110下巷临近F16大断层,可能存在高水平的构造应力,这将导致下巷底板水平应力的高度集中,底板易发生破坏,将导致巷道围岩系统所积聚的弹性能从脆弱的地带快速释放,造成底板冲击,如图7与图8所示。

图7 底板冲击示意Fig．7 Sketch map of seam floor for coal bumps

经过现场及资料文献[20]证明了25110下巷存在高水平应力,在开采扰动下,极易发生底板冲击。

5 采掘过程中断层带应力场变化特征

图8 底板位移及塑性区Fig．8 Displacement and plastic zones of seam floor

利用FLAC3D的强大模拟计算能力,以义马跃进煤矿25110工作面地质条件为实际背景,建立了巨厚坚硬顶板条件下断层的简化数值模型,如图9所示。该模型共划分有400 400个网格单元,本构采用莫尔-库仑模型,水平垂直巷道轴向方向为1．2倍垂直应力,顶面上施加20 MPa的面荷载,位移边界条件为：模型顶面自由,四周各边界面及底部均为位移约束。

图9 数值模型Fig．9 Numerical model

5.1 采动影响下小断层带应力场分布特征

从图10中可知应力场变化特征如下：

(1)当回采至F2509断层附近时,工作面前方垂直应力集中程度较高,应力峰值最高达到48 MPa,但位于断层处较小,达到了20 MPa。这是由于煤岩体强度低,黏聚力小,抗拉强度小,难以形成应力集中。当回采到断层F2509与F2504之间区域时,两末端区域垂直应力形成应力叠加,应力峰值为53 MPa。当回采过F2504断层时,工作面前方垂直应力峰值降为51 MPa,应力集中程度明显降低。

(2)当回采至F2509断层附近时,断层末端至下巷之间出现了水平应力集中。当回采到断层F2509与F2504区域时,断层末端的应力集中区域不断前移且不断扩大,水平应力集中峰值约36 MPa,断层处水平应力为13．5 MPa,工作面内平均水平应力为28 MPa,断层至下巷之间区域的水平应力是断层处水平应力的2．69倍,是工作面平均水平应力的1．3倍(图11)。当回采过F2504断层时,工作面前方水平应力集中程度下降,没有出现明显的水平应力集中区域。

图10 小断层附近应力场分布Fig．10 Distribution of stress field near small faults

图11 小断层附近水平应力Fig．11 Horizontal stress near small faults

5.2 采动影响下F16断层带应力场分布特征

为了研究此断层对工作面回采的影响,主要针对第3～5排测点数据进行对比分析,第3排测点距下巷70 m,第4排测点距下巷45 m,第5排测点距下巷10 m,监测点布置如图12所示。

图12 监测点布置Fig．12 Layout of monitoring points

从图13可知,未开采条件下,越靠近下巷,垂直应力越高,且在3号测点应力值最大。同样水平应力也是随着靠近下巷而逐渐增大,但在6号测点最大,表明距F16断层与下巷越近,水平应力越大。

图13 原岩应力对比Fig．13 Comparison of virgin rock stresses

考虑到监测点数据的变化幅度受监测点与工作面的距离直接影响,选取了第3排测线的数据进行了分析。从图14中可知,工作面回采时,2～4号测点水平应力与垂直应力明显增加,其中,垂直应力变化幅度最大为151%,水平应力变化最大幅度为119%。

图14 第3排测点应力对比Fig．14 Stresses comparison in the third row

6 结 论

(1)25110下巷的冲击地压大多发生在距F16逆冲断层、F2504、F2509正断层较近的区域,冲击频度、强度受断层影响显著,具有明显的区域性;在断层构造附近,掘进期间发生的冲击地压易于在回采期间再次发生,具有明显的重复性。可解释为：巨厚坚硬顶板易于积聚能量,由于断层将其切割,易造成顶板大面积运动,为冲击地压的发生提供动载条件。

(2)从“3·1”冲击发生前的微震活动规律来看,微震能量与频次大幅度降低,出现了明显的“缺震”现象是此次冲击地压的前兆特征,为冲击地压的发生积聚了能量。此次冲击事件可解释为：采动影响诱发了断层的活化,断层的活化直接诱发了巨厚坚硬顶板的破裂,使得煤岩系统积聚的弹性能瞬间释放,发生了构造应力型冲击地压。

(3)由采动、断层及相邻工作面采空区引起的高强度支承压力,使得25110下巷处于应力集中区。并认为下巷底板水平应力高度集中,易于发生拉伸破坏,导致巷道围岩系统所积聚的弹性能从脆弱的地带快速释放,造成底板冲击。通过数值模拟分析,认为回采过程中F16逆冲断层、F2504、F2509正断层附近与下巷之间区域形成了高度的应力集中,为冲击地压的发生提供了力源条件。

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Characteristics and mechanism research of coal bumps induced by faults based on extra thick and hard roof

LÜ Jin-guo1,JIANG Yao-dong2,3,LI Shou-guo1,REN Su-di4,JIANG Wen-zhong1,ZHANG Zhan-cun1

(1.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,CCTEG China Coal Technology&Engineering Group,Shenyang 110016,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;3.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;4.Cuncaota Colliery,Shenhua Shendong Coal Group Corporation Limited,Ordos 017200,China)

In order to discover the precursory characteristics and the mechanism of coal bumps by faults with extra thick and hard roof,the No．25110 working face of Yuejin Coal Mine in Yima was investigated to analyze the law of coal bumps in a certain period．The law of time and space of microseismic energy and frequency and microseismic activity were analyzed with the combination of the microseismic monitoring data based on the typical cases of coal bumps induced by faults in the condition of extra thick and hard roof．The distribution characteristics of stress fields near faults under mining influence was studied by numerical simulation．The causes and mechanism of coal bumps of the face were discussed from three aspects of geological structure,microseismic activity and stress fields．The results showthe extra thick and hard roof is cut by F16thrust faults and two normal faults,which can cause a large roof movement, and provide a condition for the dynamic load of coal bumps．The microseismic energy and frequency decrease,and the microseismic activities near faults reduce．This is the evidence of microseism phenomenon reduction,while the energy is accumulated for coal bumps．High strength abutment pressure is formed by extraction,faults and the goaf of adjacent face．High stress concentration is formed from the faults to No．25110 lower roadway．Especially high horizontal stress is in the floor of lower roadway．The conditions of power source are provided for coal bumps．

extra thick and hard roof;faults;microseism;coal bumps;stress field

TD315

A

0253-9993(2014)10-1961-09

2013-09-16 责任编辑：王婉洁

国家“十二五”大型油气田及煤层气开发科技重大专项资助项目(2011ZX05041-003);国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB226801)

吕进国(1984—),男,辽宁阜新人,博士。E-mail：glvjinguo2005@163．com

吕进国,姜耀东,李守国,等．巨厚坚硬顶板条件下断层诱冲特征及机制[J]．煤炭学报,2014,39(10)：1961-1969．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1325

Lü Jinguo,Jiang Yaodong,Li Shouguo,et al．Characteristics and mechanism research of coal bumps induced by faults based on extra thick and hard roof[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：1961-1969．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1325