地质构造对超前支承压力的影响研究

韩定锋，张怀忠，张宝锋

（陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西 咸阳 713602）

煤岩体中的应力条件是影响冲击地压的最主要因素， 而煤岩体中的应力状态不仅与煤岩物理力学性质有关，而且直接受煤岩体中的地质构造影响。地层的多次运动形成了各种各样的地质构造，如断层、褶曲，在这些地质构造区附近，由于存在着地质构造应力场，通常使煤岩体的构造应力尤其是水平构造应力增加，在开采扰动情况下，可能直接导致冲击地压的发生。为了进一步确定地质构造区应力集中范围， 进而科学合理地设置超前安全距离，以402102 回采工作面为背景进行分时段分区域监测分析。

1 工程背景

402102 工作面东侧为402103 采空区， 南侧为5条大巷保护煤柱，西侧为402101 设计工作面，北侧为4 煤0 点边界线。 该工作面设计长度1 943 m，可采长度1 693 m，倾向长180 m。 设计4 条巷道，分别为运输巷、回风巷、高抽巷和泄水巷。 该工作面为4#煤层，煤层结构简单，赋存稳定，厚度11～28 m，平均厚度20 m，上分层平均可采厚度14.1 m。 煤层底板埋深570～670 m。煤层底板标高+310～+380 m，总体趋势从工作面中部向南北两侧逐步升高。 402102 工作面回采区域发育有1条A4 背斜和1 条A5 向斜， 同时存在DF14、F7、F13三条断层。 根据开采深度、顶板坚硬岩层厚度、煤的抗压强度、 煤的冲击能量指数与开采应力集中程度等方面，分析各类因素影响，确定402102 工作面属强冲击危险工作面。

2 冲击危险监测预警

根据402102 回采工作面冲击危险性评价结果，采用ARAMIS M/E 微震监测系统对402102 工作面冲击地压的危险性进行分时段分区域监测预警。对于有冲击危险的局部区域，采用ARES-5/E 地音监测系统、KJ470矿山地震波监测系统、KJ24 支架工作阻力监测系统进行局部监测预警，综合确定冲击地压的危险等级。

3 402102 工作面整体性分析

对402102 工作面在回采期间所有的微震数据以月为单位进行处理统计计算，具体见表1。

表1 402102 工作面微震数据统计表 m

为得到具体的总能量及总频次曲线图，将402102工作面在回采期间的所有微震事件以50 m 距离为单位进行统计计算，得到总频次-距离曲线图（ 图1）、总能量-距离曲线图（ 图2）。

图1 402102 工作面总频次-距离曲线图

图2 402102 工作面总能量-距离曲线图

由总频次-距离曲线图可知，总频次峰值在工作面前方100 m 左右，工作面30～250 m 范围总频次较高。

由总能量-距离曲线图可知， 总能量峰值在工作面前方100 m 左右，工作面-50～200 m 范围总能量较高。

综上所述，402102 工作面-50～250 m 范围应力较高，煤岩体活动比较剧烈，其范围内微震事件的能量、频次都较高，如果大巷、永久硐室等在此范围内将会受到威胁，易发生冲击地压显现。

4 断层影响区域分析

2019 年6 月18 日—7 月28 日工作面回采至F7、F13 断层影响影响范围。 对F7、F13 断层影响区域所有微震数据处理后进行统计分析可知， 微震事件主要发生在距工作面0～500 m 范围内， 大能量事件主要发生在工作面前方250 m（ 图3、图4）。

图3 F7、F13 断层影响范围能量-距离散点分布图

图4 F7、F13 断层影响范围微震事件定位图

5 褶曲影响区域分析

5.1 A4 背斜

2020 年2 月2 日—3 月5 日工作面回采至A4 背斜影响区域， 对A4 背斜影响区域所有微震数据处理后进行统计分析可知， 微震事件主要发生在距工作面-200～200 m 范围内， 大能量事件主要发生在工作面-100～150 m 范围（ 图5）。 震源集中分布在A4 背斜轴部及两翼150 m 范围内（ 图6）。

图5 A4 褶曲影响范围能量-距离散点分布图

图6 A4 褶曲影响范围微震事件定位图

5.2 A5 向斜

根据402102 工作面煤层底板等高线可知，等高线以A5 褶曲为中心发生圈闭， 由此可知A5 向斜轴部为中心的小型盆地，盆地北侧发育有DF14 断层，且盆地与水仓距离较近，影响范围叠加，因此本次将A5 向斜、DF14 断层，以及水仓的影响进行综合分析（ 图7、图8）。

图7 402102 工作面过DF14 断层、A5 褶曲、水仓能量-距离散点分布图

图8 DF14 断层、A5 褶曲、水仓影响范围微震事件定位图

对上述构造及水仓影响区域所有微震数据处理后进行统计计算，微震事件主要发生在滞后工作面300 m至超前工作面300 m 范围内。

6 地质条件较好区域

本节选取无断层、褶曲及水仓影响区域（ 工作面回采里程1 133～1 333 m）微震事件进行统计分析可知，地质条件较好区域微震事件主要发生在工作面-150～300 m范围内，大能量事件主要发生在超前工作面200 m 范围内（ 图9）。 震源集中分布在两顺槽及其两侧（ 图10）。

图9 地质条件较好区域能量-距离散点分布图

图10 地质条件较好区域微震事件定位图

7 结论

1） 通过对402102 工作面整体及划分后的不同区域分别分析，得到工作面超前支承压力分布的特点，即在工作面前方形成微震频次与能量的高峰， 同冲击地压理论中工作面前方形成单峰值结构的应力分布相吻合。 402102 工作面整体及不同区域频次、能量峰值和频次、能量较高值区间统计见表2。

表2 402102 工作面微震频次与能量统计表 m

由表2 中数据可得，在不同区域微震事件频次、能量的峰值和较大值区间距工作面的距离有所不同，相比于地质条件较好的区域， 褶曲构造和断层构造对超前支承压力的影响十分明显。

2）402102 工作面回采期间微震事件发生于滞后工作面300 m 至超前工作面300 m 范围， 同时超前应力区域基本集中于超前工作面250 m 范围，预留50 m安全距离，即超前工作面300 m 范围为相对安全范围。