采动影响下逆断层冲击地压矿震时空分布规律分析

2020-09-18任政姜耀东

矿业科学学报 2020年5期

任政，姜耀东，2

1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083

随着开采深度的加深，井下面临着“三高一扰动”的深部问题，造成我国冲击地压现象越来越严重[1-3]。针对这种重大的井下灾害，相关学者进行了大量的研究，根据冲击地压的诱发因素不同，可以将冲击地压分为不同的类型[4-5]，断层型冲击地压作为其中一种冲击范围大、破坏强度高的类型，被学界广泛研究，如何有效预测这种冲击地压的发生对于井下安全开采尤为重要。目前，针对这种冲击地压常用的监测手段有微震监测、电磁辐射监测等[6-10]。井下煤岩体在工作面回采过程中，受上覆岩层以及应力重分布的影响内部发生破坏，并伴随着微震以及电磁波的释放，通过监测冲击地压发生前相关监测数据规律可以对冲击地压进行一定程度的预测。窦林名等[6]通过电磁辐射信号发现：在冲击破坏时，电磁辐射强度突然增加，脉冲数随着载荷的增大及变形破裂过程加剧而增大。吕进国等[11]根据现场微震监测数据发现：冲击地压发生前存在一段明显的“缺震现象”，这种现象的出现意味着冲击地压即将发生。姜福兴等[7]通过分析构造附近区域微震数据的空间分布情况认为：当构造附近微震事件能量不大，震动间隔均匀，且能够随工作面推进向远处迁移，表明构造附近没有大量聚集应力，冲击地压危险不大。

上述研究多集中在冲击地压临近发生前各项监测指标的变化规律，忽略了相关事件在采动整个过程中的分布规律。本文运用地震学界普遍认可的G-R分布规律，结合现场以及数值模拟手段对逆断层冲击地压矿井整体的微震活动时空分布规律进行综合分析，以期为逆断层冲击地压防冲机制提供参考。

1 义马煤田矿震活动规律研究

义马煤田地质构造复杂，辖区范围内多丘陵、沟壑(图1)。从整体看，井田南侧边界紧接硖石义马逆断层，该断层横贯义马煤田，为压扭性逆断层，属于三门峡—平舆断层的组成部分，在陕渑—义马矿区延展长度约45 km，浅部在中、上侏罗统刚性砾岩中，断层倾角在75°左右，深部在柔性泥质岩层和煤层中，倾角变小为15°～35°。千秋矿井与跃进矿井位于义马煤田内部，受到F16逆断层的影响，跃进矿井25110工作面和千秋矿井21141工作面均为冲击地压多发工作面。为了对冲击地压进行监测预警，千秋矿井布置ESG微震监测系统、跃进矿井布置ARAMIS微震监测系统对井下矿震事件进行实时监测。

1.1 数据处理

在地震领域中，地震矩M0、地震级M常被用来表征地震发生的规模[12-14]，根据相关研究发现两者之间满足经验公式

(1)

M0可以根据断层面滑移量求得，即

Mi=μAiSi

(2)

(3)

式中，Mi为接触面某个节点处地震矩；Ai为接触面节点面积；Si为接触面节点滑移量；n为接触面节点个数。

G-R发现地震规模发生的频次遵循幂次分布规律[12]，即

lgN(M)=a-bM

(4)

式中，N(M)为所发生的地震中大于地震级M的次数；a为整个地震的次数；b为相对频次分布参数，常被用来分析地震活动活跃度及强度[15]。

根据式(4)可以看出b值与lgN(M)线性相关。

已知M和lgN(M)的情况下，n为样本容量，根据最小二乘法可以求得b值：

图1 义马煤田地质结构图Fig.1 Yima Coal field geological structure

(5)

1.2 现场监测微震数据分析

依据跃进矿ARAMIS监测系统2012年3月、6月—12月的矿震数据和千秋矿ESG监测系统2012年9月、10月、12月的矿震数据，分析开采扰动下断层诱发矿震活动的频次分布规律及相关影响因素。考虑到线性拟合过程中，震级边界、时间窗口对b值的影响[16-20]，为保证b值数据的可靠性以及每个档位内的数据与实际数据分布相符合，本节以一个月度为时间跨度，选取地震级档级为0.2进行分析。

1.2.1 跃进矿25110工作面矿震活动频次规律分析

图2 跃进矿3月份b值拟合情况Fig.2 Yuejin coal mine b value fitting in March

跃进矿3月份b值线性拟合情况如图2所示，拟合度判定系数R2值达到0.969，其他月份拟合情况见表1。表1显示出很好的线性拟合度，说明井下矿震活动与地壳地震活动规律有着极大的相似性，符合G-R地震频次分布规律。将月度b值与该月内发生的矿震量级对比分析发现：月度b值起伏较大，其变化不存在明显的趋势。其中3月份b值0.293为最小值，该月内监测到3次震级超过2.0的矿震活动，分别释放了5.9×105J、1.7×106J、2.2×106J的能量，这3次矿震活动根据现场防冲人员评估，均存在较高的冲击危险性；10月份b值为1.291达到最大值，该月内监测到的矿震活动相对较少，且震级均在0.5级之下，不存在冲击危险性；其他月份b值在0.293与1.291之间。

表1 跃进煤矿25110工作面开采速率、b值Tab.1 Yuejin coal mine 25110 working face mining rate and b value

8月、9月、10月这三个月中，矿震震级均相对较小，b值较大，冲击危险性相对较低；其他月份，b值较小，矿震震级较大，释放的能量量级较高，冲击危险性较大。值得注意的是，11月份虽然没有检测到超过2.0级的地震级，但是由于其b值较小，仍然存在较高的冲击危险性。

综上所述，b值能够更加全面直观、简便有效地反映出井下矿震活跃程度及强度。b值越小，高震级矿震事件发生频次越高，井下矿震活动程度越高，更容易诱发冲击地压灾害的发生，对井下开采安全造成严重的威胁。

1.2.2 千秋矿21141工作面矿震活动频次规律分析

千秋矿21141工作面矿震活动规律与跃进矿25110工作面一致，均符合G-R分布规律。千秋矿井月度b值、进尺速率以及拟合度判定系数R2汇总在表2中。以25110工作面为例，虽然b值随时间变化没有明显的趋势，但是对比各月份b值与开采速率发现：3月份日平均进尺速率较快，达到1.1 m/d，相应的b值也较小；而10月份工作面平均日进尺最慢，为0.08 m/d，b值也较大。可见，工作面开采速率与b值大小存在某种对应关系。

图3、图4是根据表1、表2绘制的两矿开采速率与b值走势图，分析发现：当开采速率呈现上升趋势时，b值相应地进入下降趋势，井下矿震活动会逐渐活跃，容易诱发冲击地压的发生；当开采速率降低之后，b值随之增大，矿震事件活跃程度下降，井下工作环境相对平稳。

表2 千秋矿21141工作面开采率、b值Tab.2 Qianqiu coal mine 21141 working face mining rate and b value

图3 跃进矿不同月份b值与开采速率走势情况Fig.3 Yuejin coal mine b value and mining rate trend

图4 千秋矿不同月份b值与开采速率走势情况Fig.4 Qianqiu coal mine b value and mining rate trend

义马跃进矿、千秋矿均采用水压致裂的方法进行了现场原岩应力的测试，测试结果见表3，千秋矿与跃进矿主应力差值σ1-σ3分别为8.34 MPa、12.72 MPa。进一步对比两个矿井b值与开采速率值发现：跃进矿25110工作面7月份开采速率0.68 m/d，b值为0.492，千秋矿21141工作面9月、10月开采速率分别为0.69 m/d、0.68 m/d，b值分别为1.85、1.97。在开采速率接近的情况下，跃进矿b值相对较小。究其原因，在逆断层存在情况下，开采扰动引起的矿震活动中b值大小受到主应力差值的影响，主应力差值越大，b值越小。

表3 千秋、跃进矿地应力测试结果Tab.3 Qianqiu and Yuejin coal mine in-situ stress MPa

2 采动影响下逆断层活化数值模拟分析

运用FLAC3D软件进行数值模拟，模型尺寸及开采方式如图5所示，模型高109 m，倾向长200 m，走向长400 m。图中，蓝色区域代表煤层，红色区域代表断层面，白色箭头所指的方向为工作面推进方向，即开采工作面位于断层下盘，沿着走向方向推进。

断层面以接触面单元模拟，剪切模量选取30 GPa[14]，模型采用摩尔库伦破坏准则。模型边界条件：模型埋深1 000 m，顶部为自由边界，施加上覆岩层自重应力，模型四周施加水平方向的位移约束，施加侧向压力，底部边界固定。煤岩体及断层面物理力学参数，根据现场收集岩石试样进行岩石物理力学试验得到(表4、表5)。

模型根据式(3)运用fish语言自定义参量地震矩M0，在模拟开采过程中实时监测M0并记录分析。为了分析断层倾角θ、开采速率对b值的影响，总共模拟了6组不同断层倾角(30°、35°、40°、45°、50°、55°)分别在进尺速率为1 m/step、2 m/step条件下的b值；为了对比分析落差对b值的影响，模拟了断层倾角为45°、开采速率为1 m/step时落差分别为10 m、15 m、20 m的三种情况。

表4 各岩层力学性质参数Tab.4 Mechanical parameters of each rock layer

表5 逆断层力学性质参数Tab.5 mechanical parameters of the thrust fault

2.1 逆断层属性对地震矩频次分布规律影响

图6给出了断层倾角30°时，开采速率分别为1 m、2 m的b值线性拟合对比情况。从图中可以看出：开采速率分别为1 m/step、2 m/step情况下，b值拟合均表现出较好的线性特征，且开采速率2 m/step的b值为1.71小于1 m/step情况下的1.84。表6汇总了不同倾角、不同开采速率下b值的对比数据。可以看出：与现场监测到矿震活动分布规律相似，相同断层倾角、相同断层落差下，开采速率增大，b值均下降，井下高震级微震事件频次提高，对工作面造成的干扰更加剧烈，冲击地压事故的发生也会更加严重。

图6 断层倾角30°下不同开采速率b值拟合对比Fig.6 Comparison of b value of different mining rates under 30°fault dip angle

表6 不同速率不同断层倾角下b值Tab.6 B value of different mining rates and different fault dip angles

图7、图8对比了不同断层倾角和断层落差对b值的影响。从图7中可以看出：随着断层倾角的增大，b值从θ=30°时的1.84逐渐增大到θ=55°的4.96，说明断层倾角的变化对于b值有显著的影响，断层倾角越大，b值越大。当断层倾角θ>45°之后，b值线性拟合直线头部段数据点出现了一定程度的偏离，位于拟合直线的下部。这是由于直线的头部区域为小震级事件发生频次，相较于小倾角断层，大倾角断层的b值较大，小矿震事件发生的更多。这是因计算机在模拟过程中监测步距不能设置得足够小，无法满足大倾角断层对于小矿震事件监测的步距需求造成的。

图8中各落差断层b值均呈现出较好的线性，10 m、15 m、20 m落差断层b值分别为2.88、2.80、2.70，即随着断层落差的增大b值相应的有所减小。也就是说，受采动影响，断层落差越大，断层活化过程中井下高震级矿震事件越多，对工作面影响越大，越容易引发冲击地压事故。

图7 不同倾角断层b值对比Fig.7 Comparison of b value of different fault dip angles

图8 不同落差断层b值对比Fig.8 Comparison of b value of different fault throw

2.2 逆断层地震矩空间分布规律分析

b值在某种程度上只能反映时间跨度上高震级事件在整个矿震事件中的分布。对于b值较小的矿震活动，高震级矿震活动事件的发生更为频繁，而高震级矿震事件发生伴随着大量能量的释放，对工作面产生影响，进一步诱发冲击地压的发生。地震矩M0可以反映断层面矿震事件能量释放水平，M0越大，可释放能量越高，对工作面扰动程度越严重。因此，通过分析地震矩在断层面空间上的分布情况及其在采动影响下的演变过程，可以了解断层面破坏后能量释放水平及其对工作面干扰程度。

提取工作面靠近断层面不同距离时接触面上各节点处滑移量，根据式(2)绘制地震矩空间分布情况，图9所示。

图9给出了工作面推进到断层不同距离时断层面M0空间分布情况。从图中可以看出，M0沿倾向方向对称分布。当工作面开采到距断层167 m时，靠近原岩区域附近断层面M0值出现峰值2.0×1010J，靠近顶板以下区域附近断层面M0值在0.5×1010J左右，M0值整体分布趋势由上自下逐渐减小；工作面进一步推进到距离断层127 m时，靠近原岩断层面区域M0值进一步增大，且靠近顶板附近断层面区域M0值开始增大，达1.0×1010J以上，M0值仍保持自上到下递减的趋势；当工作面距离断层67 m时，靠近原岩区域附近断层面M0进一步增大，靠近顶板附近断层面区域M0值激增，峰值达6.0×1010J，靠近顶板以上断层区域整体处于高M0值水平，顶板以下区域仍然处于低M0值水平，无明显变化；工作面推进到距离断层27 m时，靠近原岩上部断层面区域M0值进一步激增，达2.0×1011J，靠近原岩其他大部分区域以及顶板附近断层面M0值保持在1.0×1011J左右，顶板以下区域仍然无变化。

可见，随着工作面向断层面的不断逼近，断层面M0值在顶部区域最先出现峰值，且逐渐向下蔓延，整个断层面上峰值水平不断增大，高峰值区域在靠近顶板以上断层面区域覆盖范围越来越大。但是，靠近煤层与底板附近，断层面M0值在工作面整个推进过程中不存在显著的变化，一直保持在低水平状态。