断层对不规则工作面应力分布影响的研究

马金建

(枣庄矿业济宁七五煤业有限公司，山东 济宁 272000)

0 引言

断层是岩层或岩体顺破裂面发生明显位移的构造，一般分为正断层、逆断层。断层又常是地下水、油气甚至岩浆入侵的通道。以七五煤业3上218不规则工作面为研究对象，通过数值模拟、极限理论和现场微震及应力综合分析，对回采工作面靠近断层时应力分布进行研究。依靠冲击地压监测设备及手段，研究断层对不规则工作面应力分布的影响规律，制定有针对性的预防措施，为开采类似工作面提供参考。

1 工作面概况

山东七五煤业公司3上218工作面位于-624 m水平南二采区东翼，北侧距北三辅助轨道下山约80 m，西侧距副井约380 m，工作面上表无采掘活动，对应地表皆为农田，回采对地面无影响。3上218工作面地面标高+41.2 m，井下标高-628.8～-650 m，埋深约665～692 m。受F317断层(H=10～20 m)影响，工作面不规则。倾向长度41.2～113.4 m左右，走向长度514.5～541.8 m。

3上218工作面属于沿断层布置的深部开采工作面。与实体煤工作面相比，沿断层布置的深部开采工作面受断层、火成岩侵入、煤层相变叠加影响，冲击地压危险性更高。

2 冲击地压影响因素

2.1 开采深度

随着开采深度的增加，上覆岩体给煤岩体加持较高压力，随着压力增大，煤岩体更易达到弹性能临界点，造成冲击地压发生。对于存在构造应力的原始应力场，开采深度一般超过400 m，即有可能出现冲击破坏的事故。

3上218工作面埋深665～700 m，对于埋深条件，工作面存在发生冲击地压的危险。

2.2 工作面煤体及顶底板冲击倾向性

煤(岩)的冲击倾向性是煤(岩)体固有的一种内在物理属性，可以评定煤(岩)体本身具有冲击倾向性，在相同条件下，冲击倾向性高的煤(岩)体发生冲击的可能性要大于冲击倾向性低的煤(岩)体。

经过专业机构评价，3上煤层动态破坏时间Dt=1 713 ms，弹性能量指数WET=2.92，冲击能量指数KE=7.98，单轴抗压强度Rc=10.8 MPa，具有弱冲击倾向性。

3上煤层顶板岩层的弯曲能量指数为113 kJ，3上煤层底板岩层的弯曲能量指数为67.35 kJ和85.64 kJ。

故得出结论，3上煤层及顶、底板均为弱冲击倾向性。

2.3 覆岩运动的影响

近距离坚硬岩层影响：南二采区东翼3上218工作面基本顶为7.1 m的中砂岩，属坚硬厚顶板，工作面内煤层平均厚度为4.1 m，坚硬顶板与煤层厚度比值达1.73。

远距离坚硬岩层影响：3上煤层顶板上部300 m外存在一层厚度达230 m左右的巨厚砾岩层，煤层和砾岩层之间存在若干层10～50 m厚度的砂岩层。当关键层(特别是巨厚砾岩主关键层)断裂前后将会出现能量的集聚和突然释放，诱发冲击地压的发生。

通过测定七五煤业公司3上煤层顶板岩层的弯曲能量指数为113 kJ，根据中华人民共和国煤炭行业标准《岩石冲击倾向性分类及指数的测定方法MT/T 866—2000》，故得出结论，3上煤层顶板为弱冲击倾向性。

2.4 断层构造区域冲击地压分析

断层切断了煤层的整体性，对正在推进的工作面周围应力分布有很大影响。当工作面回采接近断层构造时，工作面与断层之间形成孤立小煤柱，前方顶板岩层形成悬臂梁结构，与工作面煤壁形成一定夹角的加持力，造成加压作用，导致该区域形成应力集中区。

当工作面开采后，在工作面侧向形成支承压力，巷道帮部一定范围内承受的压力较大，动力显现发生的频率就高。图1是工作面过正断层前后的支承压力分布特征。显然，在断层区域出现易于常态的高应力分布。

图1 正断层支承压力分布

3上218工作面回采过程揭露F317断层(H=10～20 m)与火成岩，形成两道岩墙，靠近断层区域存在冲击地压危险性。

3 冲击地压防治监测技术

3.1 微震法监测

微震监测系统能够接收岩体破裂时产生的高频段能量，通过对能量频段的分析、微震探头接收的间隔，计算事件的能量大小及准确定位。根据微震事件的分布规律及能量大小，判断顶板运动情况和支承压力峰值的位置，进而根据顶板破断情况和高应力区与煤壁的相对位置关系对冲击地压进行区域性预警。

3上218工作面回采期间冲击地压危险区域监测：KJ551微震监测系统，该系统由微震传感器、电缆、微震监测主站、地面监控系统等组成。正常每巷安装不低于2个微震传感器固定在顶板或者底板锚杆上，第1个距采煤工作面100～200 m，第2个距第1个150～300 m，随着工作面向外推采，逐渐外移微震传感器，微震传感器安装位置要根据现场推进度以及现场监测事件分析择优选择，对监测到的微震事件及时分析预报冲击危险性。如图2所示。

图2 微震监测仪器布置示意

图3(a)为3上218工作面微震事件监测图(2019年12月31日—2020年1月6日)。在这个时间段内，3上218工作面进行工作面初采时,受到一次见方、断层等因素影响，微震事件明显增多，事件总能量明显增大，微震事件多分布在工作面里第1条断层处(靠近工作面切眼)，造成断层附近区域形成应力集中区。

图3(b)为3上218工作面微震事件监测图(2020年2月17日—2020年2月24日)。工作面匀速生产，临近工作面第1条断层(靠近工作面切眼)，微震事件较初采时期事件减少，单个能量事件较初采时期较大，微震事件多集中在第1条断层处。工作面临近断层，前方煤壁与断层之间形成孤立小煤柱，前方顶板岩层形成悬臂梁结构，对前方煤壁造成加压作用，形成应力集中区。

图3 3上218工作面微震事件监测

图3(c)为3上218工作面微震事件监测图(2020年2月24日—2020年3月2日)。微震事件个数、能力大小较上一时期明显减少，微震时期分布在两道岩墙中间。工作面推采至临近断层处，顶板垮落基本完全，顶板距离无法形成悬臂梁结构，无大的岩层活动，第1条断层与采煤工作面之间区域微震事件明显减少。工作面应力重新分布，断层与火成岩形成两道岩墙，阻隔应力传递，两道岩墙之间煤柱形成孤立煤柱，形成高应力集中区。

图3(d)为3上218工作面微震事件监测图(2020年3月2日—2020年3月9日)。工作面推采至临近火成岩侵入区，微震事件多分布在第2道岩墙处，微震事件及能量较上一时期明显增多。两道岩墙煤体随回采面积随之减少，岩墙阻隔能量传递，越靠近第2道岩墙，煤体应力越集中。

通过KJ551高频微震监测系统监测，对3上218回采工作面不同时间段微震事件分布图分析，可以得出以下结果：KJ551高频微震监测系统对工作面监测准确有效，对工作面微震事件发生时间、具体位置、微震能量比较精准；由于采掘活动造成工作面动载应力重新分布，随着工作面回采，工作面前方形成应力集中区，微震事件也随着移动；断层切断了煤(岩)层的整体性，对微震事件有一定阻挡作用，并且微震事件多分布在断层周围。

3.2 应力在线法监测

3.2.1 应力监测介绍

应力动态监测系统通过压力传感器记录煤层应力的变化，通过监测线缆，上传到地面监测仪器上，形成监测数据。

应力动态监测系统既可以用来实时监测工作面前方煤体应力变化的趋势，也可以通过应力数值变化情况，进行卸压效果检验。

3.2.2 技术参数

采用KJ21应力在线监测系统，进行回采工作面冲击地压危险区域的超前监测。

将钻孔应力计安装在回采工作面冲击危险区域，观测该区域煤体在静态和在动压影响(工作面采动影响)下的应力变化情况，结合钻屑法和顶板离层仪等综合监测冲击地压危险性。

钻孔应力计安装参数：浅孔6±1 m和深孔13±1 m，间隔1～2 m；采煤工作面超前巷道监测范围300 m，钻孔方向为水平垂直巷帮。由于火成岩或者断层致使钻孔布置受到影响，应根据现场情况进行适当调整应力计间距。

通过对两巷断层附近布置的应力计，对监测数据进行分析，如图4所示。

图4 218工作面KJ21应力监测数据

经过分析，前期应力计压力稳定在4～5 MPa，该处煤体无应力积聚现象。随着工作面推采，越来越靠近断层，应力计压力持续升高，显示该处煤体出现应力积聚现象，而第1条断层后应力计数据无明显情况。故得出结论：工作面断层切断了煤层的整体性，对正在推进的工作面周围应力分布具有很大影响。当工作面接近断层构造时，前方煤体因断层切割形成小煤柱，受未完全垮落顶板对工作面和断层间煤柱加持力的影响，该煤柱区域形成高应力集中区。

4 结论

(1)3上218工作面中受断层、火成岩侵入影响，切断了工作面煤(岩)层的整体性。因断层、火成岩侵入，工作面形成两道岩墙。对上覆岩层运动产生的能量传递起阻挡作用，断层对冲击地压能量的传递也有一定阻挡作用。

(2)由于断层的存在，在采动影响下，微震能量多集中在断层附近，导致出现断层“活化”现象。断层有积聚能量的性质，在工作面回采期间，要加强断层附近区域的监测，并对断层影响范围加强支护，避免形成冲击地压。

(3)通过对七五煤业3上218工作面过断层及火成岩等岩墙应力分布规律研究，为矿井安全生产提供了指导，同时也为开采类似工作面提供借鉴。