临近断层工作面采动诱冲规律研究*

王志强，黄 鑫，苏泽华，田 野

(1.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083；3.中国矿业大学(北京) 煤炭安全开采与地质保障国家级实验教学示范中心，北京 100083)

0 引言

煤炭资源在我国能源结构中占主导地位，在能源、化工等领域起着基础性作用，具有重要的战略意义[1]。目前，我国浅部煤炭资源已接近枯竭，逐渐进入深部开采阶段，预计未来20 a很多煤矿的开采深度将达到1 000～1 500 m；同时，在未来10～20 a，我国金属矿山的开采深度将达到1 000～2 000 m[2-3]。在煤矿开采深度不断增加的同时，由于矿井机械化水平的不断提高，开采强度显著增加，导致冲击地压的频率不断增加，以前没有发生过冲击地压的矿井，现在开始发生[4]，冲击地压往往发生于断裂构造区域，而其中绝大多数又发生在断层控制区域[5-6]。

目前国内外关于断层型冲击地压的研究有一定进展。如朱斯陶等[7-8]、姜福兴等[9]采用微震监测方法，研究构造控制型冲击地压的分类和预警方法，提出将构造控制型冲击地压分为增压和减压2种类型，通过分析微震事件的动态特性、分布特性和能量耗散特性,确定预警危险区,采用钻孔法确定危险区的危险程度，为制定对策提供依据；并在此基础上确定工作面过断层，可分为断层活化型冲击和断层煤柱型冲击；曾繁慧等[10]利用多层次数学模糊理论对冲击地压危险性指数进行评价，确定危险性指标；白杨等[11]通过对现场案例进行分析，得到采取注浆加固、卸压以及可伸缩支架可以保证工作面过断层的安全性；Sun等[12]用模量指数表示冲击地压扰动响应失稳理论，得出反映煤岩体结构稳定性的参数，用来计算煤岩体结构的临界软化区深度、临界阻力区深度及支护临界载荷等冲击危险性指标；毛德兵等[13]根据微震监测结果分析采动影响下断层活化规律的影响,提出断层构造型冲击地压防治的基本原则；朱广安等[14]对断层滑移失稳进行数值反演分析，得到顶板卸压是防治断层冲击地压的重要举措。

综上所述，这些结论和方法均对断层冲击地压的防治起到一定作用，但断层的类别和性质千差万别，影响断层的失稳因素不尽相同，针对此问题，本文以理论分析、数值模拟为基础，采用正交实验和层次分析法对断层冲击地压的影响因素进行研究，分析各影响因素的权重，对保障断层控制区域煤层的安全开采具有一定参考价值。

1 断层与冲击地压影响分析

未受采掘扰动影响的岩层处于原始平衡状态，回采工作面形成的采掘“空区”对原始应力场有强烈扰动，使原始应力场由原始平衡态向新的平衡态转化，此转化过程有稳态的亦有非稳态的，即为采掘扰动效应[15]。断层冲击地压的直接原因即为采掘扰动，采掘扰动前，断层带介质和上下盘岩层处于平衡状态，采掘扰动后，断层带附近产生附加剪应力，在附加剪应力作用下，断层带岩层发生变形，发生能量积聚的现象，这是冲击地压往往发生于断裂构造区域，而其中绝大多数又发生在断层控制区域的直接原因。当采煤工作面距离断层带较远时，工作面附近积聚的可释放弹性应变能较小，断层带和上下盘岩层均处于稳定状态；当采煤工作面距离断层带较近时，工作面附近积聚的可释放弹性应变能较大，断层带处于失稳状态，而上下盘岩层处于稳定状态；采煤工作面继续推进至距断层更近的位置时，工作面附近积聚的可释放弹性应变能急剧增大，整个系统将发生失稳，而发生断层冲击地压。开采对断层应力影响的分析模型如图1所示。

图1 开采对断层应力影响的分析模型

受到采掘扰动的影响，采煤工作面超前支承应力会发生一定的变化，回采工作面超前支承应力及演化形态分布如图2所示。由图2可知，工作面超前支承应力在煤壁前方一定距离内逐渐上升，直到峰值应力点，而后逐渐减小，整体呈现先增大后减小的曲线趋势。

图2 回采工作面超前支承应力及演化形态分布

当回采工作面前方一定距离内存在断层构造时，随着工作面不断向前推进，断层构造会受到超前支承应力的影响，其主要受到a，b，c 3个阶段的影响，当断层距离超前支承应力影响范围较远时，断层构造基本不受影响，断层带和上下盘岩层处于稳定状态；随着工作面不断向前推进，断层构造相应地进入超前支承应力影响范围(a阶段)，但此时断层构造距离峰值应力相对较远，仅对断层活化造成较小的影响；当工作面进一步推进，断层距工作面的距离进一步减小(b阶段)，此时，上下盘因受到支承应力的影响发生摩擦滑动的趋势进而导致断层活化，工作面附近积聚的可释放弹性能应继续增加；而当断层不断靠近峰值应力时，断层面因支承应力的作用瞬间发生摩擦滑动，此时会出现应力瞬间降低，可释放弹性能突然释放的现象，形成矿震扰动源，其通过煤岩介质传递，加之静载应力的作用，发生冲击地压。

垂直应力的大小主要与开采深度有关，断层所处位置由工作面与断层之间的距离决定，鉴于此，应对包括断层倾角、断层落差、断层黏聚力、断层内摩擦角、工作面与断层距离以及开采深度6个影响断层活化的因素进行分析。

2 正交实验研究

断层是影响煤矿开采的重要地质因素，极易诱发冲击地压等动力灾害的发生。断层影响因素众多，不利于进行全面实验，利用正交实验不仅可以大大减少实验次数，而且能够快速锁定主要因素。因此决定采用正交实验代替全面实验对断层区域工作面附近能量积聚的影响因素进行研究。

2.1 影响因素及水平确定

为避免人为因素导致的系统误差，对断层区域工作面附近能量积聚影响因素的水平确定采用“随机化”的处理方法，所选取的影响因素与水平见表1。全文A表示断层倾角(°)，B表示断层落差(m)，C表示断层黏聚力(MPa)，D表示断层内摩擦角(°)，E表示工作面与断层距离(m)，F表示开采深度(m)。

表1 影响因素与水平

2.2 实验方案设计

根据选定的实验因素与水平，选用6因素5水平的正交表L25(56)进行正交实验设计，该正交表最多可容纳6个因素，共25组实验。并利用数值模拟进行实验。

3 数值模拟

3.1 模型的几何形状和初始条件

基本假设：1)断层周围岩体均为各向同性材料；2)断层不受古构造应力的影响；3)边界应力为区域应力，作用方向垂直于边界；4)断层为均匀的弹性体材料。

模型和边界条件设置：采用三维模型，将断层做成1个弱面，用力学性质相对于周围岩体较低、可塑性较强的岩石代替。数值模拟模型如图3所示，模型长300 m，高120 m，宽20 m。模型底部固定，四周施加区域水平主应力，顶部施加区域垂直主应力。围岩及断层结构面力学参数见表2。

表2 围岩及断层结构面力学参数取值

图3 数值模拟模型

3.2 数值模拟结果

根据正交实验表进行数值模拟实验，得到25组实验的断层影响区域工作面煤壁前方积聚可释放弹性能的最大值，正交实验结果数据见表3，各影响因素极差计算结果见表4。表3中A1B1C1D1E1F1表示A，B，C，D，E，F均选第1个水平进行实验，其余24组实验方案同理。

表3 正交实验结果数据

表4 各影响因素极差计算结果

4 层次分析法确定组合权重

美国匹兹堡大学教授萨蒂创新性地提出1种划分层次从而确定影响因素权重值的分析决策方法，即层次分析法。这种方法可以较大程度上减少主观作用对其结果的影响。

4.1 构造判断矩阵

层次分析法的重要特征是利用极差将各因素的重要程度做出比较，划分为9个等级，并为每个等级赋值，各因素重要性等级评定及其赋值见表5，各因素重要性等级赋值依据见表6。

表5 重要性等级评定及其赋值

利用6个影响因素的极差值作比，参照表6进行赋值，得到影响因素之间的判断矩阵M如式(1)所示：

表6 重要性等级赋值依据

(1)

式中：M为各影响因素之间的判断矩阵。

4.2 计算矩阵的特征向量和指标权重

在求得判断矩阵的最大特征值λmax所对应的特征向量时，应对特征向量进行归一化处理即使向量中各元素之和为1，记为w。w中的各个元素值就是该层次的因素对应于上一层次因素所进行的重要性等级的权重值。应该注意到的是，是否能够进行该单层次的排序，需要对判断矩阵进行一致性的检验。也就是应该对M的不一致的允许范围进行确定。对M各列进行求和，结果见表7。

表7 矩阵M各列求和Table 7 Sum on each column of matrix M

对M利用归一化公式进行处理，如式(2)所示：

(2)

式中：Nij为归一化处理后矩阵i行、j列数值；Mij为判断矩阵i行、j列数值；∑Mj为判断矩阵各列之和。

可以得到新的矩阵N，如式(3)所示：

(3)

式中：N为归一化处理后矩阵。

通过对N各行进行求和，得到矩阵Nj，如式(4)所示：

(4)

式中：Nj为矩阵N的特征向量。

对Nj进行归一化处理，得到各影响因素的权重，计算公式如式(5)所示：

(5)

式中：wj为各影响因素权重；∑Nj为Nj各列之和。

断层倾角的影响权重为5%；断层落差的影响权重为12.1%；断层黏聚力的影响权重为2.9%；断层内摩擦角的影响权重为26.8%；工作面与断层距离的影响权重为7.1%；开采深度的影响权重为46.1%。各影响因素权重比较如图4所示。

图4 各影响因素权重比较

5 结论

1)采掘扰动为断层冲击地压发生的直接原因，且各因素对断层冲击地压影响的差异较为显著。

2)开采深度引起的较大支承应力会导致断层发生摩擦滑动，而形成的矿震扰动源则是发生冲击地压的根本原因。

3)利用层次分析法对各影响因素的权重进行分析，开采深度对断层冲击地压的影响最大，断层内摩擦角次之，断层黏聚力影响最小。

4)在各影响因素中，断层黏聚力和开采深度对断层冲击地压影响的差异较大。