复合构造区域煤岩体应力分布及冲击地压危险性评价

高家明， 夏永学， 杨光宇， 陈学慧

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院， 北京 100013；2.中煤科工开采研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

我国煤炭资源赋存情况相对复杂，井田构造较发育，工作面构造区域冲击地压事件频发[1-2]。研究表明，构造区域应力异常集中与冲击地压关系密切，研究工作面构造区域煤岩体应力分布特征是评价和防治冲击地压危险性的有效手段[3-4]。

基于煤岩体波速与应力的良好相关性，近年来地震波CT探测技术广泛用于煤矿井下冲击地压危险性评价与预警，评价指标包括波速异常系数和波速梯度变化系数[5-7]。王书文等[8]提出了一种基于地震波波速异常率分布的采煤工作面冲击地压危险性评价方法，并采用地震波CT探测技术进行工作面内断层探测和超前支承压力分布划定。曹安业等[9]分析了孤岛工作面临近断层时煤柱受力状态，并利用地震波CT探测技术对采掘现场进行冲击地压危险性动态实时预警。孙刘伟等[10]采用地震波CT探测技术评价区段煤柱冲击危险性，并提出综合防控技术方案。上述研究仅针对简单条件或单一构造区域，未对断层、褶曲、相变等复合构造区域进行探讨。

山东某矿2305综放工作面(以下简称2305工作面)内微震事件在复合构造区域集中，且集中区域所在巷道区段发生了冲击地压。目前工作面前方存在多个与冲击地压发生区段条件相似的微震事件集中区域，是否再次发生冲击地压难以评估。针对该问题，本文对2305工作面复合构造影响下的微震事件集中区域进行分类，并采用地震波CT探测技术获取工作面内复合构造区域的静态应力分布情况，引入特征指数c[6]分析复合构造区域的应力分布特征及冲击地压危险性，为现场冲击地压评价与防治提供参考。

1 工程背景

1.1 工作面概况

山东某矿2305工作面埋深超1 000 m，其主采3号煤层平均厚度为9.2 m，煤层基本顶和底板均为砂岩，煤岩均具有弱冲击倾向性。工作面西侧为2304工作面采空区，东侧为未回采的2306工作面。工作面回采巷道均布置在煤层中，其中2305上平巷为沿空巷道，区段煤柱宽度为5 m。

2305工作面平面布置如图1所示。该工作面区域构造发育，回采受到断层、褶曲等地质构造及煤层分叉、煤种变化影响。工作面区域内赋存FD8和FD11这2条落差较大的断层(赋存情况见表1)。FD8断层斜交切割2304，2305工作面，目前位于2个工作面采空区内的断层长度约占总长度的2/3，受采动影响强烈；FD11断层大部分位于2305工作面内，在2305二联巷揭露落差约为15 m，在2304工作面揭露落差小于10 m，其小部分位于2304工作面采空区内，受采动影响较弱。2305工作面大部分位于刘海向斜的西翼影响区域，刘海向斜轴部区域位于2305二联巷以南。

图1 2305工作面平面布置

表1 2305工作面断层赋存情况

钻孔勘测和实际揭露情况表明：2305工作面煤层赋存条件复杂，其主采3煤层在工作面东南部出现分叉，在3煤层分叉线以南分为3上煤层和3下煤层；2305三联巷附近大面积受煤种(肥煤、1/3焦煤)变化带影响，煤种分界线西南侧和东北侧分别为肥煤和焦煤，同采区2302下平巷掘进期间曾发生以煤体相变为主要诱因的动力现象。

1.2 构造区域微震事件分布特征

受地质构造和侧向采空区影响，2305上平巷附近区域围岩在掘进期间微震事件活跃且分布密集，自北向南集中分布在6个区域，如图2所示。微震事件集中区域①为FD8断层与煤种分界线交汇区域；②为受2304工作面采空区内FD8断层影响的2305上平巷区域；③为受2304工作面采空区内FD11断层影响的2305上平巷区域；④为FD11断层与2305上平巷交汇区域；⑤为FD11断层与2305上巷补巷交汇区域；⑥为FD11断层、刘海向斜和3煤层分叉线交汇区域。以上微震事件集中区域附近均存在单一或复合构造，表明构造影响区域围岩动载荷释放强烈，与围岩内部静载荷叠加后导致冲击地压危险性大大增强[11]。

图2 2305上平巷区域微震事件分布

为充分评估各微震事件集中区域的构造特征及其对微震事件分布的影响，按照区域附近存在的构造数量，将构造类型分为单一构造(构造数量为1)和复合构造(构造数量不少于2)，同时将主要构造位于采空区的微震事件集中区域受扰动程度定义为强，其余区域受扰动程度定义为弱，得到微震事件集中区域①—⑥的构造赋存特征，见表2。

表2 微震事件集中区域构造赋存特征

在2305工作面推进至距开切眼约250 m时，微震事件集中区域①附近的2305上平巷区段发生冲击地压，导致区域巷道严重破坏。为进一步评估2305工作面前方构造区域的潜在冲击地压风险，采用地震波CT探测技术获取煤岩体静态应力分布。

2 复合构造区域地震波CT探测方案

2.1 理论基础

研究表明，实验室条件下煤岩体波速与应力存在显著的正相关性，矿震及地震发生规律验证了高应力梯度区域与高波速梯度区域的对应性。基于该结论，建立包含地震波波速和波速梯度的特征指数[6,12-15]：

(1)

2.2 探测方案

采用PASAT-M型便携式微震探测系统采集地震波数据，设定系统采样频率为2 kHz，检波器工作频段为5～10 000 Hz，增益为20 dB，采样长度为0.512 s。采用炸药作为激发震源，炮间距为6 m。震源激发方式为单炮顺序激发，多道同时接收。检波器安装在支护锚杆端部，以保证与围岩的耦合效果。

根据探测区域内构造影响类型，将微震事件集中区域②—⑥所在的约1 320 m范围近似均分为A，B，C，D 4个独立探测区域(图2)，激发震源和探测系统分别布置在2305下平巷和2305上平巷，各区域探测方案见表3。探测期间工作面处于停产状态，且附近无采掘作业，可认为工作面煤岩体应力分布无大幅改变。

表3 各区域探测方案

3 复合构造区域应力分布特征

3.1 数据处理

采用探测系统配套的PASAT-RHA软件进行数据处理，流程如图3所示。① 数据导入：将采集的地震波数据导入PASAT-RHA软件，根据现场情况和可视化波形图像剔除无效及初至模糊的地震波数据，按时间顺序将有效数据依次拼接。② 探测系统导入：录入有效数据对应的探测系统坐标，进行震源激发点射线模拟。③ 初至拾取：结合频谱分析和数字滤波自动拾取初至，人工修正后确定每道数据的初至时间。④ 反演成像：设定离散像元尺寸、背景速度、边界条件等反演参数，按照算法反演成像。

部分实测地震波波形及频谱如图4所示。可看出地震波波形同相轴连续性较好，初至波起跳明显，满足初至到时拾取要求；频谱分辨率高，杂波及背景噪声影响较小。总体来看，实测地震波数据良好，满足数据处理需要。

图3 数据处理流程

(a) 波形

3.2 应力分布特征分析

采用特征指数c对A，B，C，D 4个区域的实测结果进行分析，c越大表明该处受采动影响的应力增高程度越强[6]。为方便表述，以绿色、黄色、红色和深红色渐变代表探测区域内c在[0，1]内依次增大，相对应的应力增高区以Ⅳ、Ⅲ类、Ⅱ类和Ⅰ类表示。

A区域应力分布受FD8断层和煤种分界线复合构造影响，其中FD8断层受扰动程度较强，断层周围岩体稳定性较差。A区域特征指数c分布如图5所示。该区域整体应力增高程度在整个探测区域内最大，Ⅱ类及以上应力增高区占比过半，仅存在2处小范围Ⅳ类应力增高区。靠近FD8断层的高水平应力集中区与断层走向近似平行，且分布范围较广；煤种分界线两侧应力分布变化较大，但附近应力增高区面积较小，表明A区域内处于强扰动条件下的FD8断层为导致煤岩体高水平应力集中的主要因素。

图5 A区域特征指数c分布

B区域应力分布仅受FD11断层单一构造影响，局部断层受扰动程度较强，但低于FD8断层。B区域特征指数c分布如图6所示。Ⅱ类及以上应力增高区主要位于工作面内部和下平巷区域。上平巷区域以Ⅲ类应力增高区为主，分布较均匀，仅存在小面积的Ⅱ类及以上应力增高区。

图6 B区域特征指数c分布

C区域属于单一构造和弱扰动影响区域，区域内部分FD11断层切割上平巷，减弱了侧向采空区悬顶的影响，对周围煤岩体产生一定卸压作用。C区域特征指数c分布如图7所示。该区域高水平应力集中程度在整个探测区域内最弱，仅存在1处小面积Ⅱ类应力增高区，位于二联巷与上平巷交叉处。

图7 C区域特征指数c分布

D区域内复合构造情况最复杂，FD11断层、刘海向斜与3煤层分叉线于区域内部交汇，但各构造受扰动影响程度较弱。D区域特征指数c分布如图8所示。Ⅱ类及以上应力增高区主要集中在复合构造交汇区，在低扰动条件下，向斜构造和3煤层分叉线区域的应力集中程度更高，且应力分布在向斜轴部具有一定的对称性；上平巷区域存在2处面积较小的Ⅱ类及以上应力增高区，局部应力变化不明显。

图8 D区域特征指数c分布

通过分析得出以下结论：① 强扰动条件下复合构造区域高水平应力集中程度最强，弱扰动条件下单一构造区域高水平应力集中程度最弱。② 单一构造条件下，断层构造区域应力增高程度随断层受扰动程度增加而增强。③ 在受扰动程度较弱的条件下，向斜构造相对于断层构造的应力增高程度更强。

3.3 构造区域冲击危险性综合评判

通过对比地震波CT探测结果与微震事件集中分布情况，验证CT探测结果的可靠性[7]。除微震事件集中区域④外，其余微震事件集中区域均与地震波CT探测结果中的高水平应力集中区相对应。而微震事件集中区域④应力增高不明显的原因是FD11断层切割上平巷顶板产生了卸压作用。可见地震波CT探测结果可靠性较高。

探测结果表明，构造区域高水平应力集中是围岩受扰动时活动剧烈的原因，同时围岩活动为冲击地压发生提供了动载荷，造成区域冲击地压危险性增大。对构造区域的冲击地压危险性进行综合评判：① 存在强扰动复合构造的A区域煤岩静态应力集中程度较高，上下平巷附近均存在大面积高水平应力集中区，冲击地压发生门槛最低。② B区域受强扰动单一构造影响，上平巷西南角应力集中程度较高，且回采过程将对该处的FD11断层进一步扰动，导致该处冲击地压发生风险较高。③ C区域受弱扰动单一断层构造影响，整体应力集中程度较弱，上平巷和二联巷交叉处静载荷水平较高，在巷道开挖过程中该区域未出现微震事件集中，此处冲击地压危险性以静载荷为主要因素。④ 类比上平巷微震事件集中区域①发生的冲击地压案例，可推测同属于弱扰动复合构造条件下的D区域在受到采动影响时微震事件集中，动载荷增量明显，此时局部高水平应力集中区的冲击地压危险性显著增大。综上得出微震事件集中区域②，③，⑤，⑥的潜在冲击地压危险性较大，应作为重点关注区域并采取有针对性的防治措施。

4 结论

(1) 微震事件呈区域性集中现象与邻近构造关系密切，按照区域构造数量可分为单一或复合构造区域，根据受扰动程度可划分为强扰动或弱扰动构造区域。

(2) 构造区域地震波CT探测结果表明：① 强扰动复合构造区域静态应力集中程度最高，而弱扰动单一构造区域应力集中程度最低。② 断层单一构造区域应力增高水平与其受扰动程度呈正相关关系。③ 低扰动复合构造区域内向斜构造较断层构造的应力增高更明显。

(3) 地震波CT探测和微震监测结果表明，构造区域围岩静态应力集中是造成围岩剧烈活动的原因，使得围岩动静载荷整体水平较高。综合考虑围岩静载荷与采动影响下潜在动载荷增量情况，得出微震事件集中区域②，③，⑤，⑥的冲击地压危险性较大，是冲击地压防治重点区域。