复杂地质构造区煤岩动力灾害机制与防控研究

王正义，何 江

（1.常州工学院 土木建筑工程学院，江苏 常州 213032；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116）

煤矿深部开采过程中，各种煤岩动力灾害在采掘过程中频繁发生。矿井微震的发生很有可能引发动力灾害，如冲击地压、煤与瓦斯突出等[1-2]。近年来，随着微震监测水平的提高，我国涌现了大量关于煤岩动力灾害微震监测预警的研究工作。窦林名等[3]揭示了震源震动机制及微震监测实时、动态、区域等特点，并采用微震监测技术研究了煤岩体变形破裂释放的能量及主震低频特征；姜福兴等[4]基于微震监测手段，分析了厚层砾岩活动、断层活化和关键层破裂是动力灾害的主要原因，揭示了不同构造类型条件下微震事件的分布特征，并将其作为冲击危险预警指标；夏永学等[5]分析了采煤工作面超前支承压力和微震事件分布的规律，发现围岩震动呈现出高能量和低频次的特征，提出了适宜的工作面推进速度；陈学华等[6]结合SOS微震监测系统和数值模拟，指出区域内日震动释放总能量和震动次数随着回采工作面的临近起伏增大，强烈微震活动前经常有弱震活动。研究表明，微震是采掘工作与区域构造应力场叠加作用的结果，微震的发生与构造应力密切相关。姜福兴等[7]采用微震监测方法，研究了构造控制型冲击地压的分类和预警方法，提出了将构造控制型冲击地压分为增压和减压2种类型；王国瑞等[8]指出当工作面过褶曲构造时，由于破坏褶曲内部原来的应力状态，必然导致矿震的发生，而微震监测技术可用于预测预报动力灾害。因此，研究矿井复杂地质构造区工作面采掘过程中的微震活动规律对于保证煤矿安全生产具有重要意义。为此，以胡家河矿为工程背景，基于ARAMIS微震监测系统，研究在褶曲、断层、特厚坚硬煤层、多巷煤柱等多因素影响下的复杂地质构造区条件下，工作面开采期间的微震活动规律以及煤岩动力灾害机制，并据此提出针对性的防控措施，以期为类似地质和开采条件下的矿井灾害防治提供参考。

1 矿区概况

1.1 矿区地质构造

彬长矿区主要为单斜构造，由4个向斜和2个背斜组成。彬长矿区胡家河矿的地应力测试结果表明：该矿的最大主应力接近水平方向，最大水平主应力σH约为垂直主应力σv的1.84～2.20倍，表明地应力场主要受水平构造应力的支配。

1.2 采区动力灾害与微震监测

401采区为胡家河煤矿首采区，开采深度平均700 m。401102工作面为401盘区的第2个工作面，倾向长180 m，走向长1 560 m，平均煤厚23 m，采用分层放顶煤开采，首采上分层。基于冲击危险性鉴定结果，4#煤上下分层均具有强冲击危险，而顶板具有弱冲击危险。401102工作面上覆4层关键层顶板，其中基本顶为粉砂岩（23.7 m），对工作面采掘期间的动力显现影响最显著。详细的覆岩关键层参数见表1。

表1 覆岩关键层参数Table 1 Parameters of key strata

401102工作面内褶曲、断层发育，赋存A1和A3向斜，褶曲构造参数见表2。F5断层为正断层，断层倾角35°，落差6～10 m。

表2 褶曲构造参数Table 2 Parameters of folded structures

邻近的401101工作面已回采完毕，401102工作面布置有运输巷、回风巷、灌浆巷和泄水巷，其中401102工作面与401101采空区之间有3条宽为20 m煤柱，形成多巷煤柱。401102工作面布置示意图如图1。

图1 401102工作面布置示意图Fig.1 Layout of 401102 working face

401102工作面在采掘期间微震活动频繁，且动力扰动显著强于相邻的401101工作面。现场巷道围岩变形严重，以动力型底鼓为主。

为了能够对煤岩动力灾害进行实时监测，该矿从波兰引进了ARAMIS微震监测系统。微震监测系统探头布置如图2。

图2 微震监测系统探头布置Fig.2 Probe layout of micro-seismic monitoring system

2 微震时空分布规律

2.1 微震活动空间分布特征

研究微震空间分布规律有助于研究煤岩动力灾害的发生机理，同时能够指导动力灾害的预防与控制。401102工作面回采期间大能量微震分布如图3（>105J）。由图3可知，大能量微震主要分布在A1和A3向斜附近，表明高构造应力是微震发生的主导因素。然而A3向斜附近强微震数量明显多于A1向斜，且微震能量大（>106J）。此外，A3向斜临近401102工作面多巷煤柱附近的微震数量较其他区域明显要多。原因为：A3向斜轴部与F5断层交错，褶曲构造应力与断层构造应力叠加使得该处积聚大量弹性能；由于多巷煤柱中各煤柱宽度均为20 m，使得煤柱中可积聚较大的弹性能。由冲击危险性多因素耦合理论，A3向斜偏多巷煤柱区一侧具有强冲击危险，为强微震多发区域。值得注意的是，几次较大能量的微震发生于邻近多巷煤柱侧的401101采空区内，这是受401102工作面的采动影响下，401101采空区上覆主关键层破断并诱发大能量微震。

图3 401102工作面回采期间大能量微震分布（>105 J）Fig.3 Distribution of large energy micro-seismic events（>105 J）in 401102 working face during mining

401102工作面回采期间微震总能量与总次数统计如图4。图4为以50 m为1个分区工作面回采邻近A3向斜时发生微震总能量与总次数的统计图。由图4可知，微震总能量与总次数分布规律一致性较好，绝大多数微震（83.4%）分布在距A3向斜轴部两侧200 m范围内。其中，大能量微震多发生于A3向斜轴部前后50 m（-50～50 m）范围内，表明微震活动与构造应力集中区域密切相关，向斜轴部构造应力最为集中，最易发生动力灾害。

图4 401102工作面回采期间微震总能量与总次数统计Fig.4 Statistics of total energy and times of microseisms in 401102 working face during mining

此外，401102工作面面回采过程中，在靠近运输巷的实体煤侧同样有大量微震事件发生，401102工作面运输巷实体煤侧微震分布如图5。由图5可知，实体煤侧微震事件能量均较小（103～104J），在回风巷外侧50 m范围内均匀分布。这体现出受采动影响及侧向支承压力作用下的煤体破坏情况。而在A1和A3向斜附近的微震事件（少数能量>105J）基本位于实体煤深部约100 m处。深部煤体在没有采掘影响下破裂并伴生小能量微震，这表明煤体已处于极限平衡状态，微弱的采掘扰动即可诱发煤体失稳。由于空间所限导致煤体中积聚的弹性能不能全部释放，煤体仍处于非稳定平衡。在接续工作面采掘过程中很有可能发生强微震，尤其是邻近向斜处，将会是接续工作面动力灾害防治的关键区域，须提前采取解危工作。

图5 401102工作面运输巷实体煤侧微震分布Fig.5 Distribution of micro-seismic events in coal mass of transport roadway in 401102 working face

2.2 微震时间序列特征与前兆规律

401102工作面临近A3向斜的微震活动时序特征分布如图6。图6为从2015年2月6日工作面运输巷至向斜轴100 m，工作面回风巷距向斜轴180 m，到2015年4月6日401102面刚离开向斜轴部区域的微震活动性时序分布。由图6可以看出，当工作面距向斜轴180 m时，开采活动开始影响向斜轴部煤岩系统的平衡，煤岩体发生破裂并释放弹性能，进而诱发微震。此阶段微震活动频繁，大量能量释放，强震诱冲的周期比较短。由动力显现前的微震活动规律知，在向斜轴部的动力显现发生前震动频次持续上升，然而微震能量未有相应升高，反而还有所降低。小能量微震数量明显增加，表明煤岩结构加剧破坏，从而导致煤岩体系的失稳。随着401102工作面回采，强微震周期增大，表明褶曲构造的影响逐渐衰弱，微震活动步入稳定阶段。

图6 401102工作面临近A3向斜的微震活动时序特征Fig.6 Time series characteristics of micro-seismic activity near A3 syncline in 401102 working face

3 煤岩动力灾害主控因素及发生机制

由上述分析结果可知，401102工作面微震活动以及动力灾害的影响因素以构造应力为主导，同时受到多巷区段煤柱和采空区覆岩结构的耦合影响，下面针对各主控因素依次进行分析。

3.1 褶曲构造影响

研究表明[9]，当工作面回采至向斜轴部附近时，动力灾害发生次数和危险程度均明显升高。褶曲区域动力显现危险分布如图7。图7中，σx和σz分别为煤岩体的水平应力和铅直应力，Pa；R为褶曲的轴面距离，m；I区为褶皱向斜区域，其应力状态为铅直压力、水平拉力，最易发生冒顶；II区为褶皱翼部，其铅直和水平应力均为压力，最易发生冲击地压；Ⅲ区为褶皱背斜区域，其应力状态为铅直拉力、水平压力，是最大矿山压力区域。

图7 褶曲附近动力灾害危险分布Fig.7 Risk distribution of dynamic disasters near folds

401102工作面A1和A3均为向斜构造，由于水平方向挤压而积聚大量弹性能，在工作面开挖卸荷影响下易导致弹性能突然释放诱发强微震。

3.2 断层构造影响

断裂构造破坏顶板连续性，使其失去传递载荷的作用。工作面回采期间接近断层区域时，超前支承压力的数值模拟结果[10]如图8。当工作面接近断层时，超前支承压力的正常前移受阻，从而采场覆岩压力主要集中在工作面与断层面之间的煤体，该处煤体支承压力显著增加。

图8 向断层区域推进时工作面超前支承压力变化Fig.8 Advance abutment pressure of working face when excavating towards fault area

401102工作面处于高构造应力区，在较高支承压力和高构造应力的耦合影响下，F5断层附近煤岩积聚大量弹性能，在采掘扰动下，极易导致断层活化而产生强微震。

3.3 多巷煤柱影响

对于多巷煤柱而言，其所承受垂直应力呈马鞍形分布，多巷承载煤柱受力状态如图9。图9中，ρ为上覆岩层的平均密度，t/m3；H为采深，m；K为应力集中系数；I区、Ⅱ区和Ⅲ区分别为煤柱松动区、塑性区和弹性区，其中弹性区（Ⅲ区）是主要承载部分，可形成积聚弹性能的“弹性核”[11]。401102工作面多巷煤柱宽度为20 m，煤柱弹性区较大且存在“弹性核”，采动影响下很难被完全“压酥”，煤柱所积聚弹性能将成为诱发动力灾害的基本静力条件。

图9 多巷承载煤柱受力状态Fig.9 Stress state of bearing coal pillar with multiple roadways

3.4 采空区覆岩结构影响

401102工作面与相邻401101采空区间的多巷煤柱宽度为70 m。随着401102工作面推进，多巷煤柱区域类似于孤岛面，其覆岩结构破断形式与“T”型破断结构[12]相似，由于其两侧工作面长度一致，当工作面回采接近多巷煤柱时，主关键层发生破断，短臂对称“T”型结构形成，从而诱发大能量震动，极易导致动力显现，采空区覆岩短臂对称“T”型结构如图10。

图10 采空区覆岩短臂对称“T”型结构Fig.10 Symmetrical“T”structure of short arm of overburden in goaf

3.5 动力灾害发生机制

当采掘空间附加的煤岩体中的静载荷与采掘活动引起的动载荷叠加，超过了煤岩体发生动力灾害临界载荷时，就会诱发动力灾害，可表示为[13]：

式中：σs为煤岩体中的静载荷；σd为工作面采掘引起的动载荷；σbmin为煤岩动力灾害发生的最小载荷。

胡家河矿实测地应力中水平应力为最大主应力，因此，水平应力对采掘影响最为显著。由于巷道均为煤巷，在顶底板高水平应力影响下将以顶、底板动力显现为主，而顶板和煤层分别为弱和强冲击倾向性，且煤巷底板厚度达10 m，容易积聚大量弹性能。高静载下底煤虽未超过但已接近冲击临界载荷，在动载扰动作用下极易达到动力灾害判据（式（1））而发生动力显现。因此，胡家河矿复杂地质构造区特厚坚硬煤层底板冲击属于静载主导型，动静载叠加诱发动力灾害原理如图11。图11中，σx和σz分别为煤岩体的水平应力和铅直应力，Pa；σd为工作面采掘引起的动载荷，Pa；此时覆岩结构破断失稳引起的采动动载在煤岩动力灾害中起到诱发作用。

图11 动静载叠加诱发动力灾害原理Fig.11 Principle of dynamic disaster induced by superposition of dynamic and static loads

4 灾害防控技术

4.1 工作面推进速度控制

复杂地质构造区微震活动是以构造应力为主导并由采掘活动诱发产生，与工作面生产息息相关，尤其是推进速度。2015年1月1日至2015年1月31日401102工作面推进速度与微震频次分布如图12。

图12 401102工作面推进速度与微震频次分布Fig.12 Distribution of advancing speed and microseismic frequency in 401102 working face

由图12可知，推进速度与微震频次的时序特征较为一致，即震动频次与推进速度呈现正相关。而图6表明在强微震发生前，震动次数有持续上升的趋势，可通过控制工作面推进速度降低强微震的发生概率。因此建议工作面匀速平稳推进，在401102工作面距A3向斜轴部200 m起保持2.4 m/d（日进3刀）的进尺。

4.2 超前卸压措施

基于强度弱化减冲原理[14]，采取钻孔卸压和超前爆破联合解危技术，实现对煤岩体的弱化解危，进而降低动力灾害风险。

回采期间在超前401102工作面300 m以外，对强危险区域实施帮部和底板大直径钻孔，401102工作面大直径卸压钻孔布置如图13（掘进期间已打卸压孔用黑色实心孔表示）。

图13 401102工作面大直径卸压钻孔布置Fig.13 Layout of large diameter pressure relief boreholes in 401102 working face

此外，针对多巷煤柱与A3向斜叠加作用的强危险区域，除了在煤体中实施大直径卸压钻孔外，还需配合顶板深孔爆破，即通过深孔爆破实现弱化顶板强度、破坏厚硬顶板整体结构、减小顶板悬露长度、增加震动波衰减系数。401102工作面顶板深孔爆破布置如图14。

图14 401102工作面顶板深孔爆破布置Fig.14 Layout of deep hole blasting in roof of 401102 working face

顶板爆破需基于现场微震活动，即当频次持续升高而能量较为稳定或略有下降时，及时采取爆破卸压人为诱发震动，从而降低动力灾害危险程度。

5 结 论

1）微震事件主要发生在A3向斜轴部前后200 m范围内，强微震发生前，微震频次持续上升但能量表现为“平静”或下降趋势，可作为预测复杂地质构造区煤岩动力灾害的前兆信息。

2）复杂地质构造区微震活动的主控因素以构造应力为主导，同时受到回采扰动、多巷煤柱和采空区覆岩结构的耦合影响。胡家河矿特厚坚硬煤层赋存条件易发生静载主导型底板冲击，其中采动动载起到诱发动力灾害的作用。

3）推进速度与震动频次具有明显的一致性，工作面低速平稳推进配合超前卸压可有效防控复杂地质构造区的煤岩动力灾害，其中超前卸压措施包括大直径钻孔卸压和顶板深孔预裂爆破技术。