深部特厚煤层断层构造区掘进冲击地压发生机制

吕大钊 王书文 史庆稳 孙如达

(1. 陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西省咸阳市，712000；2. 天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；3. 煤炭科学研究总院开采研究分院，北京市朝阳区，100013；4. 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

冲击地压是矿山深部开采引起的一种动力效应，开采过程中矿井巷道和采场周围煤岩体在高应力状态下积聚大量弹性能，弹性能突然释放的现象具有突发性、瞬时性、复杂性和巨大破坏性等特征。2014年底发生冲击地压的矿井已达147座，且随着开采强度和采深的逐年增加，该数量还在不断增加。合理利用监测手段，分析监测数据，掌握监测信息的变化规律，能够更好地开展冲击地压理论研究。

冲击地压与地质构造密切相关，相当一部分冲击地压是由断裂破坏引起的。华丰煤矿、跃进煤矿、老虎台煤矿、龙家堡煤矿等地质构造复杂，尤其是断层分布较多，都发生过强烈的断层型冲击地压，根据工程实际合理划分冲击危险区域。2011年11月3日，千秋煤矿21221下巷掘进工作面发生一起冲击地压事故，造成10人死亡，60多人受伤。经分析，该事故是在开采活动诱发F16逆断层活化，使积聚在煤岩体中的大量能量突然释放而造成的。

彬长矿区是陕西省重要的煤炭基地，随着开发力度的不断加大，开采深度已达到600～1000 m。2013年以来，彬长矿区胡家河、高家堡、孟村、亭南等大型矿井先后发生不同程度的冲击地压，表现出与断层、褶曲地质构造相关的特征。本文以孟村矿掘进工作面为研究对象，重点研究深部特厚煤层断层构造区掘进工作面冲击地压的发生机理，以推动彬长矿区冲击地压防治水平的提升。

1 工程背景

1.1 矿井概括

孟村煤矿位于陕西省黄陇侏罗纪煤田彬长矿区中西部，设计生产能力6.0 Mt/a，当前处于基建时期。该矿井主要开采煤层为4#煤层，首个开采盘区煤层埋藏深度约720 m，平均厚度24 m，平均抗压强度24 MPa。经过煤岩冲击倾向性鉴定，此煤层具有强冲击倾向性，指标数据见表1。井田以发育宽缓的褶曲为主，含煤地层沿走向、倾向的产状变化不大，局部断层发育，无岩浆活动影响。在煤层中部布置主要大巷以及回采巷道，选用综合机械化掘进，采用锚网锚索联合支护。

表1 孟村煤矿4#煤试样冲击倾向性各项指数测定结果

1.2 冲击地压基本情况

图1 孟村矿井“8·31”冲击显现区域

孟村矿井冲击地压主要发生在断层附近，其中DF29大断层对冲击地压的影响最为显著。2015年8月31日凌晨，中央一号辅运大巷掘进工作面挂网期间，迎头向后0～30 m发生冲击显现，煤柱帮(右帮)最大帮鼓量0.7 m，肩部变形量相对较大，局部开裂，最大裂缝宽度150 mm，2处锚网被撕裂，4处木托盘被压坏。冲击显现位置如图1所示。

2 断层构造应力场数值模拟研究

研究断层构造应力场，特别是正在活动的对采矿活动造成影响的断层应力场是一项重要课题。断层附近应力峰值和弹性能分布规律对断层型冲击地压研究十分重要。开展断层构造带力学特征和应力场分布特征的研究，对于断层活化以及断层冲击地压的预测和防治具有重要意义。断层构造应力场取决于断层性质(包括断层面的物理力学性质和断层的尺寸和方位)和断层周围岩体的性质，其中断层的性质对断层构造应力场的大小和分布规律起着主导作用。

2.1 断层模型的建立方法

地质构造带的力学特征和应力场分布特征的研究方法主要有传统的定性理论分析方法、物理模拟实验方法和数值模拟方法。数值模拟实验研究可以综合利用其他方法的研究成果，然后建立和模拟各种不受时空限制的地质模型，因此数值模拟成为当前地球科学领域研究的重要手段之一。

FLAC3D数值模拟软件提供了INTERFACE命令，在该命令的基础上，模型的一方面可以和模型的另外一方面相互耦合。INTERFACE命令表达了2个接触平面的相互耦合关系，同时能够实现接触面两侧的岩体可以交错挤压或相互分离。界面的性能主要表现为法向刚度、切向刚度、粘结力和摩擦力。在平面问题方面，接触面就是接触边，如图2中的A边与B边，点划线圈定了结点作用范围。INTERFACE命令被用来模拟断层、岩层层面等结构面。

图2 NTERFACE命令示意图

2.2 断层构造应力场模拟

孟村矿DF29断层倾向剖面示意图如图3所示。孟村矿井DF29断层为正断层，最大落差38 m，倾角55°，埋深720 m。模拟在kn=5×108N·m-1、内摩擦角=15°、粘聚力=1×105N、ks=5×108N·m-1情况下，研究断层构造应力场的变化特征。煤岩层相关物理学参数参考由实验室测试数据。断层影响下垂直应力分布云图如图4所示。断层两侧垂直应力提取曲线如图5所示。

图3 DF29断层倾向剖面示意图

由图4和图5可知，断层极大地扰乱了垂直应力的分布，但这种扰乱只是发生在断层附近有限范围内，超过一定距离后，垂直应力分布恢复正常状态。断层两侧垂直应力发生了非常明显的突变，断层附近应力显著降低，形成低应力带。断层上盘侧地应力受扰乱程度较大，出现应力集中。断层下盘附近垂直应力显著降低，然后逐渐升高恢复到正常状态。断层上盘影响区范围约为100 m，断层下盘影响区范围约为60 m。

图4 D29断层附近垂直应力云图

断层端部出现了明显的应力集中，且上、下盘都是一端高应力集中，一端低应力集中，上端集中程度大于下端，符合断层附近应力的四象限分布特征。端部的应力集中对断层附近构造应力场分布产生了很大的影响，上端部应力等值线呈蝶形分布，下端部上盘为高应力区，下盘为低应力区。

图5 断层两侧垂直应力分布曲线

3 断层构造区微震活动监测分析

3.1 微震监测原理

井下煤岩体属于应力介质，当它受到外力而产生形变并且破坏时，会伴随着能量的释放过程，微震在这个能量释放的过程中成为一种物理效应，也就是煤岩体在它受到外力破坏进程中出现的震动效

应通过变形能以较低频率(f<100 Hz)震动波的方式呈现。微震监测系统作为一种监测手段，具有区域性和及时性，可以对全矿井范围所有微震现象实时监测，是当今一种较为先进的动力灾害监测技术，在全国范围内应用广泛。与其他传统的监测方法相比，这套系统兼具远距离、动态、三维、实时监测的特征，煤岩体的破裂尺度和性质能够被具体震源情况合理确定，全矿井范围内的冲击地压危险性做到有据可查。

3.2 断层构造区微震活动性的突变特征

不同时期内DF29断层影响区微震事件平面投影图如图6所示。由图6可知，8月10日至8月20日期间，虽然中央一号胶带大巷向西掘进约50 m，但绝大多数微震事件被限定在DF29断层面以东。这表明，该阶段内掘进扰动影响受到了断层的某种阻隔作用，使得掘进影响范围的扩展受到限制。

分析认为，这可能是因为断层的存在使得煤岩层不再连续，导致以之为载体的围岩变形不再连续，即断层面东侧的煤岩变形无法传递至断层面西侧，最终使得煤岩变形破裂主要发生在断层面东侧。

随着中央一号辅运大巷与断层间距离不断缩小，上述阻隔作用不断减弱，微震事件迅速向断层以西扩展，微震活动性增强，见图6(c)和(d)。8月31日夜班，中央一号辅运大巷停掘，但微震事件在断层两侧都均有分布。由此可见，当掘进工作面距离DF29断层较远时，断层附近的掘进扰动强度较低，断层的阻隔作用可较大程度上中断掘进扰动向断层西侧的传递，使得煤岩层变形破裂主要发生在掘进工作面和断层之间。随着巷道继续掘进，断层附近扰动强度不断增强，最终突破该阻隔作用而迅速向西传递，微震活动性发生突变，导致断层西侧微震事件在短期内迅速增加，并频发105J以上的高能事件，该时期内冲击危险性随之增大。

3.3 断层影响区高能震动事件特征

不同时期内DF29断层影响区各能级微震事件频次占比如图7所示。能量大于104J的高能微震事件频次占比随时期的变化如图8所示。

图7 DF29断层影响区不同能级微震事件频次占比

由上述统计结果可知，随着中央一号辅运大巷与DF29断层距离的缩小，高能事件频次占比总体呈增长趋势。同时发现，虽然9月1日至5日工作面停掘，但该区域高能事件频次占比仍继续增加。这是由于断层面附近煤岩层存在大量不连续界面的，应力分布更为复杂，不连续节界面的错动滑移及应力集中区的破裂可能同期发生并相互影响，在近距离高强度掘进扰动作用下，易发生更大尺度的破裂，由此引发的微震能量水平更高。不连续界面的存在使得围岩稳定周期更长，微震活动更为持久。

图8 DF29断层影响区104 J及以上能级微震事件频次占比随时间的变化

4 孟村矿井断层构造区冲击地压发生机理

冲击地压启动理论认为，冲击地压发生属于一个动力学过程，过程中依次出现冲击启动→冲击能量传递→冲击地压显现这三个发展阶段；冲击启动的内因源于采动围岩体近场体系内部静载荷的大量聚集，冲击启动的外因源于采动围岩体远场体系外部动载荷对静载荷的叠加、扰动作用；近场围岩体应力峰值的最大区域就是冲击地压启动区域，冲击启动的能量判据为：

E静+E动-EC>0

(1)

式中：E静——集中静载荷；

E动——集中动载荷；

EC——岩体动力破坏所需要的最小载荷。

由冲击启动理论可知，孟村矿井掘进工作面冲击危险性与巷道围岩静载荷和动载荷密切相关。

(1)静载荷分析。由断层构造应力场模拟结果可知，由于DF29断层构造的存在，中央一号辅运大巷由上盘向下盘掘进时，将首先经过上盘的应力集中区，掘进工作面围岩静载荷大幅增加，成为该区域冲击危险形成的重要载荷源基础。

(2)动载荷分析。微震监测表明，由于DF29断层对掘进扰动存在阻隔作用，向断层掘进的工作面周围微震活动性可发生由弱到强的突变，突变点至断层距离约60 m。突变点以远掘进时，断层附近扰动强度较低；掘过突变点后，断层另一盘活动性急剧增强，高能微震事件频发，动载荷强度大幅增大，成为冲击地压的重要诱发因素。

综上分析可知，原岩应力状态下，DF29断层上盘本身存在静载荷集中区。同时，在掘进作业扰动下，微震活动在时间和空间上表现出了不均匀性，动载荷在局部区域集中高强度释放，两种载荷叠加并超过临界水平后，将发生冲击地压。显然，无论是动载荷还是静载荷的异常，均与断层的存在密切相关，这很好地解释了孟村矿井断层附近冲击地压较多，而非断层区很少发生的现象。

5 结论

(1)数值模拟研究了断层构造应力场的分布规律，原岩应力状态下，断层对地应力分布扰动作用显著，断层上盘存在大范围应力集中区，而下盘仅出现应力降低区，上盘应力扰动范围大于下盘扰动范围。

(2)由于DF29断层对掘进扰动存在阻隔作用，由上盘向断层掘进的工作面周围微震活动性可发生由弱到强的突变。突变点以远掘进时，断层附近扰动强度较低；掘过突变点后，断层另一盘活动性急剧增强。

(3)断层可导致掘进工作面围岩静载荷和动载荷均发生异常增高，两者叠加后易超过临界水平，进而发生冲击地压。