義馬礦區(qū)大型逆沖斷層防沖方法研究

李一哲，張寧博，王 寅，任偉光，秦 凱，郝其林，孫彥寧

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.河南大有能源股份有限公司，河南 義馬 472300；3.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300)

斷層是地下煤巖層中普遍賦存的一種地質(zhì)構(gòu)造，當(dāng)煤礦開采活動接近斷層時，由于煤巖層完整性被破壞，斷層周邊應(yīng)力場出現(xiàn)異常，沖擊地壓災(zāi)害時常發(fā)生，這類沖擊地壓被稱為斷層沖擊地壓[1]。與小型斷層相比，大型斷層落差大、影響范圍廣，往往更易誘發(fā)沖擊地壓[2]。

圍繞大型斷層沖擊地壓問題，國內(nèi)外學(xué)者分別從發(fā)生機理和防治技術(shù)兩方面展開了大量研究。在斷層沖擊地壓發(fā)生機理方面，目前學(xué)術(shù)界尚未形成統(tǒng)一的認識，超低摩擦效應(yīng)、靜載應(yīng)力集中、動載觸發(fā)以及斷層煤柱失穩(wěn)等被認為是誘發(fā)斷層沖擊地壓的原因，其中超低摩擦效應(yīng)指的是斷層摩擦力在應(yīng)力波作用下顯著降低的一種現(xiàn)象，該效應(yīng)可能會誘發(fā)斷層活化，并導(dǎo)致沖擊地壓[3]；斷層構(gòu)造應(yīng)力、采動引起的支承壓力等多種靜載應(yīng)力疊加可能誘發(fā)煤體沖擊[4，5]；堅硬頂板斷裂或斷層突然滑移激發(fā)的動載擾動也可能誘發(fā)采掘圍巖失穩(wěn)[6-8]；斷層沖擊地也可表現(xiàn)為斷層煤柱的失穩(wěn)[9]。雖然學(xué)者們對斷層沖擊地壓本質(zhì)原因的認識有所分歧，但大家均接受的一種觀點是：斷層的存在造成煤巖體應(yīng)力環(huán)境的惡化[10]，使得工作面煤巖體出現(xiàn)應(yīng)力積聚現(xiàn)象[11]；同時斷層活化過程產(chǎn)生了強烈的動載擾動，動靜載共同作用誘發(fā)了煤體沖擊[12]。

針對斷層沖擊地壓防治技術(shù)，目前主要有區(qū)域防控和局部解危兩大類，其中區(qū)域防控技術(shù)適用于煤層開采前，即礦井、水平(采區(qū))設(shè)計階段，從礦井、水平(采區(qū))等區(qū)域大范圍角度考慮斷層沖擊地壓防治問題，以避免形成應(yīng)力集中為根本原則，具體包括：開采保護層[13]、優(yōu)化開拓布局[14，15]、合理布置斷層煤柱等[16，17]。局部解危技術(shù)適用于工作面回采階段的巷道圍巖，以削弱或轉(zhuǎn)移集中應(yīng)力、加強圍巖承載能力為目的，具體包括深孔爆破[18]、水力壓裂[19]、吸能支護[20]、斷底卸壓[21]等。

目前關(guān)于斷層條件下防沖方法的研究，更多關(guān)注于斷層條件下的區(qū)域和局部煤巖體卸壓，在斷層安全距離方面研究不充分，當(dāng)井田存在大型斷層時，斷層的區(qū)域活化使得煤巖卸壓效果大打折扣。筆者以義馬礦區(qū)大型壓扭性逆沖斷層為例，基于礦區(qū)開采下的沖擊顯現(xiàn)歸納與斷層滑移模擬，明確避免斷層活化的工作面-斷層安全距離，制定了逆沖斷層條件下的井間工作面接續(xù)方案，通過微震評價了遠斷層開采下的防沖效果。研究結(jié)果為大型斷層條件下沖擊地壓防控技術(shù)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 工程背景

1.1 斷層發(fā)育特征

義馬礦區(qū)南部的井田邊界存在控制四個煤礦的大型壓扭性逆沖斷層，斷層走向近東西，傾向南略偏東，落差50～500 m，延展長度約45 km，水平錯距120～1080 m。經(jīng)過10余條勘探線和30余個鉆孔揭露特征可知，逆沖斷層的控煤構(gòu)造樣式分為5類：疊瓦型、切割-褶皺型、倒轉(zhuǎn)-褶皺型、倒轉(zhuǎn)型和不完全鏟失型[22，23]，其中典型的斷層構(gòu)造形態(tài)如圖1所示，其中2004和2005為地質(zhì)鉆孔?？芍獢鄬訑嗔衙娉噬隙赶戮彽睦缡?，多條組合呈疊瓦狀，剖面或平面上皆表現(xiàn)顯著的波狀起伏。斷裂面向南傾，淺部傾角大，切層，向下逐漸平緩，受斷層影響，局部地段煤巖層直立或倒轉(zhuǎn)。

圖1 逆沖斷層典型構(gòu)造形態(tài)Fig.1 Typical structural morphology of thrust faults

地質(zhì)作用導(dǎo)致斷層上盤地層時代早于下盤地層時代，斷層附近的地層從下至上依次為：侏羅系中統(tǒng)義馬組J21(深灰-灰黑色泥巖)和馬凹組J22(礫巖，間夾砂泥巖，泥質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié))，侏羅系上統(tǒng)J3(主要為巨厚的雜色礫巖，泥質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié))。

1.2 斷層影響下的地應(yīng)力場特征

地應(yīng)力是煤礦井下動力災(zāi)害的根本作用力，而大型逆沖斷層對地應(yīng)力有著重要的影響。義馬礦區(qū)不同深度的地應(yīng)力測試結(jié)果見表1。

表1 義馬礦區(qū)地應(yīng)力測試結(jié)果Table 1 Results of in-situ stress testing in Yima mining area

由表1可知，深度低于800 m時，最大水平主應(yīng)力較高，最大為25.25 MPa；除了645 m深度外，其余測點最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值均高于0.9，最高達到1.32。深度超過800 m時，測點的最大水平主應(yīng)力均小于垂直應(yīng)力，且二者比值均小于0.81。由此可知，斷層對淺部的水平應(yīng)力環(huán)境的影響不容忽視，甚至起主導(dǎo)作用，由此沖擊地壓成為該礦區(qū)的主要災(zāi)害之一。

2 斷層活化與沖擊地壓相關(guān)性研究

斷層活化及其與沖擊地壓的關(guān)系是煤礦安全領(lǐng)域常見的研究內(nèi)容之一。義馬礦區(qū)已有40余年的沖擊地壓發(fā)生歷史，累計發(fā)生超過200余次沖擊，其中相當(dāng)一部分沖擊地壓受斷層滑移的影響。逆沖斷層在較高的水平構(gòu)造應(yīng)力和開采擾動的作用下，斷層活化特征明顯[24]。義馬礦區(qū)13230工作面接近逆沖斷層(距離斷層150～530 m)，其回采初期發(fā)生了沖擊地壓事故，后又多次發(fā)生沖擊地壓事件，具有典型性，13230工作面與斷層關(guān)系如圖2所示。為了研究斷層滑移特征，在工作面南側(cè)布置斷層運動觀測線(28個測點)，用以長期觀測(4a)斷層滑移特征，其中21～37#、38～48#分別位于斷層上盤和下盤的地表。

圖2 耿村煤礦逆沖斷層運動觀測線Fig.2 Measuring line of thrust fault in Gengcun Coal Mine

13230工作面回采期間，逆沖斷層附近地表沉陷特征如圖3所示。由圖3可知，斷層上下盤存在相鄰兩次觀測時間內(nèi)多數(shù)測點“抬升”的現(xiàn)象，如21#—37#測點分別在2017年1—2月、7—8月，2018年12月—2019年1月，2019年10—11月均發(fā)生大范圍多測點同時“抬升”。經(jīng)統(tǒng)計，由南向北的21#—26#、27#—32#、33#—38#、39#—43#、44#—48#測點平均抬升量分別為0.58、0.61、0.65、0.32和-0.57 cm；最大抬升量分別為1、1.3、1.5、1.2和0.8 cm，可以看到斷層下盤(地表露頭北側(cè))抬升程度明顯低于斷層上盤(地表露頭南側(cè))。地表抬升說明了斷層斷裂面發(fā)生了滑移錯動，導(dǎo)致了高位巖層和地表的抬升，且斷層上盤地表距離斷面出露線越近，滑移錯動抬升越明顯。

圖3 逆沖斷層附近地表沉陷特征Fig.3 Characteristics of surface subsidence near thrust fault

經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，在上述的斷層滑移時期內(nèi)發(fā)生多起沖擊地壓事件，分別為37次、4次、3次和4次，其中多數(shù)事件表現(xiàn)為巷道出現(xiàn)聲響、震動、煤塵和底板落煤現(xiàn)象，3次較為劇烈的沖擊表現(xiàn)為：底鼓0.3～1.4 m，液壓抬棚滑移20～30 cm，液壓抬棚和門式支架安全閥密封損壞、漏液，支架壓力瞬間增加7.9 MPa，鉆孔應(yīng)力增加0.11～1.3 MPa，斷層活化和沖擊顯現(xiàn)的時期同步特征表明了斷層運動對于沖擊地壓的正反饋作用。

3 基于斷層活化控制的防沖方法與實踐

3.1 工作面與斷層安全距離研究

由于斷層滑移能夠?qū)е聸_擊地壓的發(fā)生，因此在大型斷層條件下，控制斷層滑移是防治此類沖擊地壓的關(guān)鍵手段之一。眾多研究表明，工作面與斷層的空間距離與沖擊地壓的發(fā)生關(guān)系密切，距離斷層越遠，斷層條件下的靜載荷影響就越有限，且斷層滑移產(chǎn)生的動載衰減就越明顯，斷層影響就越弱。為了研究義馬礦區(qū)工作面-斷層距離與沖擊地壓的關(guān)系，將義馬礦區(qū)斷層誘發(fā)的沖擊地壓進行歸納處理，對記錄的200余次沖擊進行篩選，選出斷層滑移時期后1個月內(nèi)的所有沖擊事件，量取各沖擊地壓顯現(xiàn)工作面與斷層-煤層交面線的垂直距離，統(tǒng)計不同距離條件下的沖擊事件數(shù)量和沖擊產(chǎn)生的能量，如圖4所示。

圖4 工作面-斷層距離與沖擊地壓的關(guān)系Fig.4 Relationship between distance of face-fault and coal bump events

由圖4可知，工作面-斷層距離超過1700 m時，斷層滑移對工作面作用較弱，無沖擊事件發(fā)生。當(dāng)工作面-斷層距離小于1700 m時，開始出現(xiàn)沖擊地壓事件，隨著工作面逐漸靠近斷層，沖擊事件數(shù)逐漸增多，沖擊事件能量整體升高；工作面-斷層距離為0～100 m時，沖擊事件數(shù)最多達到34次，沖擊能量(工作面-斷層距離174 m)最大達到3.5×108J，沖擊次數(shù)與斷層距離呈反比例型函數(shù)的關(guān)系，擬合結(jié)果為y=4939/(x+99)-0.56。

由于增大工作面與斷層的距離能夠有效減少沖擊地壓發(fā)生的頻次與強度，為了進一步得到義馬礦區(qū)避免斷層滑移的工作面-斷層最小安全距離，本節(jié)使用本課題組已開展的義馬礦區(qū)逆沖斷層滑移的相似模擬[25]進行分析。義馬礦區(qū)逆沖斷層形態(tài)、煤巖層形態(tài)和位移監(jiān)測布置如圖5所示。其中，模型幾何相似比為1∶200，2-3煤工作面由左向右方向開采，模擬實際中煤層逐漸向深部開采的過程，共鋪設(shè)5層位移測線，A測線和B—E測線的相鄰兩測點水平間距分別為10 cm和20 cm。

圖5 模型表面位移測點布置Fig.5 Layout of measuring points for displacement on model surface

斷層下盤斷裂帶附近測點(A1-A2、B9-B10、C11-C12、D11-D12、E11-E12)的沉降曲線如圖6所示，其中橫軸原點表示斷層與2-3煤的交點。由圖6可知，工作面靠近斷層至遠離斷層的整個過程中，斷層沉降量整體呈升高趨勢，說明工作面開采導(dǎo)致斷層活化程度逐漸增強。當(dāng)工作面在斷層下盤推進且距離斷層455～1200 m時，斷層未發(fā)生明顯運動；當(dāng)工作面距離斷層小于455 m時，斷層附近測點均發(fā)生明顯沉降，由此認為控制斷層活化的原則為盡可能保證工作面遠離逆沖斷層，且工作面與斷層的距離不應(yīng)低于455 m。

圖6 斷層附近測點沉降量曲線Fig.6 Settlement curve of measuring points near the fault

3.2 井間防沖實踐與效果評價

躍進煤礦和常村煤礦井間區(qū)域煤炭開采前，存在如何選取合適的接續(xù)工作面的問題，井間區(qū)域開采特征如圖7所示。

圖7 躍進-常村煤礦井間開采特征Fig.7 Characteristics of mining between Yuejin and Changcun Coal Mine

躍進23采區(qū)共布置10個工作面，23070工作面回采完畢后，23090和23110工作面下分層3.7 m煤層以及23130工作面南部6.7 m實體煤未開采。常村21采區(qū)共布置21個工作面，21220工作面回采完畢后，21141和21161工作面下分層4 m煤層以及21220和21150工作面南部8 m實體煤未開采。在兩礦井生產(chǎn)能力和采區(qū)一翼一采煤工作面的政策制約下，躍進23采區(qū)和常村21采區(qū)西翼可分別布置1個回采工作面，而23采區(qū)可選的接續(xù)工作面為23092、23150、23170工作面，21采區(qū)西翼為21162、21240工作面，因此需各選取一個工作面作為接續(xù)工作面。

23采區(qū)23092工作面距離斷層最遠，達到754 m，而23150和23170工作面距離斷層分別為320 m和150 m，均小于455 m的安全距離，尤其23150工作面歷史掘進期間發(fā)生了17次劇烈的沖擊顯現(xiàn)，且23170工作面局部更是直穿斷層，危險程度較高。21采區(qū)西翼21162和21240工作面距離斷層分別為1481 m和560 m，雖均大于455 m的安全距離，但21162距離斷層最遠。綜上分析，該區(qū)域的23092和21162工作面是未來接續(xù)工作面的最佳方案?；诖?，23092工作面與21162工作面分別于2018-3-18和2018-5-1開始回采。

通過對比分析遠斷層開采的23092、21162工作面和近斷層開采的耿村13230工作面，使用工作面開采過程中的斷層滑移頻次和沖擊顯現(xiàn)特征作為防沖效果評價的參量。其中若斷層斷裂面附近短時間內(nèi)存在微震事件，則認為斷層發(fā)生活化，沖擊顯現(xiàn)特征包括沖擊地壓發(fā)生次數(shù)，工作面微震事件數(shù)及微震事件最大能量。

統(tǒng)計結(jié)果可知，13230、23092、21162工作面斷層活化次數(shù)分別為93次、1次和0次，13230工作面回采期間共發(fā)生47次沖擊事件和1次沖擊地壓事故，而23092和21162工作面回采期間均未發(fā)生沖擊地壓事件。從工作面回采期間的微震事件數(shù)及最大能量來看，13230、23092、21162工作面微震事件數(shù)分別為24537個、111個和280個，微震最大能量分別為4.4×107J、3×106J和9.9×104J。

分析表明，相比于近斷層開采的13230工作面，距離斷層較遠的23092和21162工作面斷層滑移頻次顯著降低甚至未滑移，微震數(shù)量和能量低于13230工作面1～3個數(shù)量級，避免了沖擊地壓的發(fā)生，基于斷層活化控制的遠斷層開采防沖效果明顯。

4 結(jié) 論

1)逆沖斷層發(fā)生滑移錯動，表現(xiàn)為斷層下盤抬升程度明顯低于斷層上盤，且斷層上盤地表距離斷面出露線越近，滑移錯動抬升越明顯。斷層滑移時期誘發(fā)多次劇烈沖擊顯現(xiàn)。

2)義馬礦區(qū)沖擊事件的強度與頻次隨著工作面與斷層距離的減小而整體升高，沖擊次數(shù)與工作面-斷層距離關(guān)系為y=4939/(x+99)-0.56，避免斷層活化的工作面-斷層的最小距離為455 m。

3)躍進-常村井間23092和21162工作面是井間最優(yōu)的接續(xù)工作面，遠斷層開采防沖效果明顯，斷層滑移頻次顯著降低甚至未滑移，微震數(shù)量和能量降低1～3個數(shù)量級，避免了沖擊地壓的發(fā)生。