采動影響下斷層活化規律及其誘發沖擊地壓的防治

2013-08-31 08:33:14毛德兵陳法兵

采礦與巖層控制工程學報 2013年1期

毛德兵，陳法兵

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013;2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013)

1 問題提出

斷層活化是一個能量的逐漸積累繼而釋放，最終分散的過程。斷層活化導致斷層面上的膠結物被剪斷，斷層由粘結狀態變為開裂狀態，同時伴隨巨大的能量釋放，斷層周圍介質也會做適應性調整運動。對于采掘工作面，斷層的存在使工作面超前支承壓力產生了顯著的不連續［1］(圖1)，在斷層附近產生應力與能量的積聚，當斷層發生活化時，大量能量瞬間釋放，造成人員傷亡和財產損失。近年來，斷層影響下的沖擊地壓災害事故明顯增多，斷層活化導致的沖擊地壓由于潛在震源體積較大，釋放能量較大，震級較高，破壞性極大。國內學者姜福興［2－3］、竇林名［4－7］、任勇［8］、韓榮軍［9］、閆憲磊［10］等人利用微震監測方法對斷層沖擊地壓進行了研究，得出了斷層活化與微震事件叢集分布具有很好的相關性的結論，并對不同條件下斷層活化導致的微震事件分布規律進行了研究。本文基于微震監測數據分析了采動影響下斷層活化規律，并提出防治斷層構造型沖擊地壓的基本原則。

2 基于微震監測的斷層活化規律研究

圖1 采動影響下斷層附近應力峰值與工作面至斷層距離的關系

以華豐煤礦1410工作面和千秋煤礦21141工作面的微震監測數據為依據，對采動過程中斷層附近微震事件的分布規律進行了研究。根據數據分析結果可知，工作面推進過程中斷層附近的微震事件具有以下3個主要特征:超前顯現;范圍集中;能量巨大。但是現場斷層錯綜復雜，微震事件的規律也要復雜得多。

2.1 斷層延展長度對微震事件分布規律的影響

地震學上，斷層的最大位移量 (D)與斷層的延展長度 (L)具有線性比例關系:

式中，K為常數，其大小取決于斷層圍巖的剪切強度;c為普通系數［11］。

圖2統計了典型斷層發生活化的能量大于1×106J的微震事件數目與斷層延展長度的關系。圖2表明斷層延展長度越長，發生活化釋放的能量就越大，能量的最大震級越大。隨著斷層延展長度的繼續增大，斷層活化釋放的能量最終達到一個穩定值。大斷層的斷層面面積比較大，能夠儲存更多能量，因此活化強度大，釋放能量多。圖3中的華豐煤礦斷層F28和F31為大斷層，其中F31斷層延展長度超過590m，其附近微震事件較為密集 (圖中圓點表示微震事件位置，直徑越大，表示事件能量越大)，且大能量事件較多。

圖2 斷層延展長度與大能量事件數的關系

圖3 F28，F31斷層微震事件分布

2.2 斷層落差對微震事件的影響

圖4統計了典型斷層發生活化的能量大于1×106J的微震事件數目與斷層落差的關系。由圖4可知斷層落差越大，斷層活化時釋放能量就越大。斷層落差越大，表明斷層形成時發生的錯動越強烈，因而儲存的構造應力也越大，因此斷層活化時釋放能量就越多。

圖4 斷層落差與大能量事件數的關系

2.3 斷層走向對微震事件的影響

根據斷層走向與工作面的相對位置關系，可把斷層分為傾向斷層和走向斷層。

2.3.1 傾向斷層活化規律

圖5為千秋煤礦21141工作面在2010年1月份的微震事件分布圖。圖6所示為工作面過斷層期間斷層附近每個月微震頻次和總能量變化直方圖。

圖5 微震事件分布

圖6 微震頻次和總能量變化

由圖5、圖6可以得出以下規律:

(1)斷層活化是一個過程，不是一次完成的。斷層活化具有明顯的周期性，這個周期性與能量的積累和釋放具有一致的對應關系，如圖7所示。

圖7 斷層活化過程的能量統計

(2)斷層活化過程可以分為局部預活化、整體破壞性活化和余活化3種類型，這3種類型分別對應斷層周期性活化的3個階段。

圖7為千秋煤礦F3－9斷層活化的能量統計。可見能量釋放具有明顯的周期性，每個周期包含4個階段:

(A)波動段:能量劇烈波動。最大能量較大，最小能量較小。

(B)低能穩定段:總能量較低，波動不大，最大能量值較小。

(C)劇烈活化段:大能量活化事件，發生沖擊地壓。

(D)斷層活化完畢之后，微震事件的能量水平較低，波動弱。

(3)整體破壞性活化發生在工作面距斷層一定距離處，過了此處，斷層活化減弱。并不是工作面距離斷層越近，斷層活化越嚴重。

(4)工作面過斷層后斷層仍然在活化，只是比較微弱。斷層沖擊地壓發生前，微震事件的頻次逐漸增大。沖擊地壓一般發生在頻次的峰值或者峰值過后不久。

(5)微震事件的頻次逐漸增大。沖擊地壓一般發生在頻次的峰值或者峰值過后不久。

2.3.2 走向斷層活化規律

工作面內走向斷層兩盤受力較均勻，活化作用不強。但是對于落差較大、上下盤應力差較大的斷層則不同，活化非常強烈。

走向斷層活化的微震事件的分布規律如下:

(1)走向斷層隨著工作面的不斷推進，會受采動應力場影響，斷層逐段發生活化。

(2)受力較小的走向斷層，受采動應力場影響以小能量事件的形式釋放能量，不會積聚大能量，相對危險程度較小。

(3)上下盤應力差較大的走向斷層，受超前支承壓力影響存在局部高應力。斷層在高應力的作用下極易活化釋放高強度能量，形成較強的巖體震動。

(4)斷層活化不是因為受到了很高的超前應力和構造應力，而是因為受到了較高的上下盤應力差。

2.4 斷層性質對微震事件的影響

斷層是地殼的薄弱帶，在區域應力場作用下，各斷層的活化行為是不同的。這取決于主應力的方向與大小、斷層物理力學性質。斷層活化有時能夠引起強烈的沖擊地壓，造成人員傷亡，巷道和設備損毀，有時只是引起斷層兩盤之間的輕微滑動，僅會造成地層的進一步移動，不會產生災害。

斷層按物理性質可以分為堅硬斷層和軟弱斷層，如圖8。

圖8 不同類型斷層的活化特點

一般情況下，軟弱斷層 (如圖8(b))為塑性斷層，圍巖較破碎，強度不大。這種斷層常發生連續蠕滑，沒有突然的應力降低［12］，常以小能量微震事件居多，一般不會發生斷層沖擊地壓。當工作面距離斷層較遠時，軟弱斷層附近就出現了許多小能量的微震事件，隨著工作面接近斷層，微震事件逐漸增多，但以小能量的微震事件居多。而對于斷層面較粗糙，咬合力較大的堅硬斷層 (如圖8(a))，隨著應力逐漸升高，到達峰值之后就發生顯著的應力降，斷層快速破裂，發生黏滑式活化［12］，常出現大能量的微震事件，甚至引發斷層沖擊地壓。當工作面離斷層較遠時，堅硬斷層附近一般微震事件不多，只有工作面接近斷層，才會發生微震事件，而且以大能量的微震事件居多。活化之后又進入了下一循環的能量積聚階段。往復循環，呈脈沖式變化。應力的積累和釋放與斷層沖擊地壓有著一致的對應關系。

圖9為F9斷層和F13斷層活化的微震事件平面投影圖。兩者均為正斷層，且都是從工作面外部進入工作面下部很快尖滅，因此具有很好的可比性。A區域為F9斷層活化微震事件，B區域為F13斷層活化微震事件。可知F9斷層微震事件頻次少，能量大。F13斷層微震事件頻次多，能量小。而且F13斷層超前工作面很長距離就開始活化，而F9斷層則工作面臨近時才發生活化。

可以推斷，F9斷層為堅硬斷層，抗剪能力強，最大承壓能力大，能量積聚到相當程度后才能活化，但一旦活化必釋放巨大能量，2006年“9.9”事件就是由此斷層所致。F13斷層為軟弱斷層，最大承壓能力小，抗剪能力差，受采動影響很容易達到臨界承壓值，易于活化，這種類型的斷層會隨著工作面的推進不斷以小能量事件的形式釋放能量，所以不會儲存很多能量，不會導致強烈的沖擊地壓事故。

圖9 微震事件分布

3 斷層構造型沖擊地壓防治原則

3.1 加強沖擊地壓礦井斷層構造探測

在沖擊地壓礦井探測并掌握斷層構造的分布，對采區布置、沖擊危險區域的確定、沖擊地壓的監測與防治具有重要的意義。目前大部分礦井通過地面鉆孔勘探與地面三維地震勘探已基本掌握了落差5m以上斷層的分布。對于沖擊地壓礦井關鍵是確定落差5m以下的斷層在采掘工作面的分布情況。采掘工作面小斷層的探測主要有巷探法、井下鉆探法和礦井物探法。沖擊地壓礦井斷層構造區域一般均屬沖擊危險區，為了避免井下探測過程中因近距離施工誘發沖擊，因此應以能夠遠距離探測斷層構造的物探方法為主，必要時在采取安全措施的情況下輔助鉆探。對于采煤工作面內部斷層構造的探測可采用槽波地震及震波CT勘探、直流電或無線電波透視法等，對于掘進工作面可采用瑞雷波、礦井地震 (MSP 法) 等［13］。

3.2 優化采掘工作面布置

在采區劃分和工作面布置時，盡量避開斷層尤其是大型斷層。大型斷層可以作為井田的邊界，留有保護煤柱。采區內斷層可以留保護煤柱以保證斷層不會發生破壞性活化。當斷層走向與工作面走向已知時，工作面推進方向應盡可能與斷層傾向一致，以減小斷層活化的危害。盡可能增大斷層面與工作面的夾角，避免斷層面斷層在工作面傾向方向上一次性暴露面積過大。

確定合理的開采順序，工作面遇到斷層時，工作面最好背向斷層開采。避免工作面在停采時接近斷層。

3.3 提前卸壓

加強斷層宏觀先兆的觀察，提前做好相關措施。在工作面采動影響范圍外對斷層周邊煤體和斷層面進行軟化，如煤層注水，煤體爆破以及大孔徑卸壓等措施。一方面減小了構造應力集中程度，另一方面誘發斷層面滑動，提前釋放斷層構造積累的能量。

3.4 加強斷層活化監測與預警

2006年9月9日10 :30在華豐煤礦1410上平巷掘進頭發生一次2.0級沖擊地壓事故，釋放能量2.2×107J，性質為斷層活化引發的沖擊地壓事故。圖10所示為“9.9”事件前后的微震頻次和能量變化。可以看出，9月1－6日微震事件的能量和頻次逐漸增大，6－8日微震頻次繼續升高，而微震能量則逐漸下降，小能量事件占據了主導地位。9日頻次降低，積累的能量突然釋放，形成了強烈的沖擊地壓。斷層活化過程，微震事件的能量和頻次明顯增大，能量呈間歇性釋放。因此，可以通過微震來預測預報斷層沖擊地壓的發生。

圖10 2006年9月微震能量和頻次變化

由于工作面前方斷層的存在，導致頂板的不連續，頂板傳遞上覆巖層壓力的能力減弱，在傾向斷層與工作面之間的區域為斷層構造應力與工作面超前支承壓力的應力疊加區，見圖11。當超前支承壓力與斷層附近以遠的高應力發生疊加，則疊加后的應力高峰區位置會在采動的影響下釋放較大彈性能，誘發沖擊。因此可通過監測煤體應力評價斷層構造型沖擊地壓的危險性。