断层构造区域煤岩应力分布数值模拟及微震监测

2023-09-14闫宪洋孟圣师

现代矿业 2023年8期

闫宪洋孟圣师高振

（1.兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿；2.山东能源集团鲁西矿业公司郭屯煤矿；3.山东能源集团西北矿业公司巴彦高勒煤矿）

作为矿井主要地质构造，断层和褶曲均存在一定的构造应力，对采场应力场分布产生复杂影响［1-2］。开采扰动作用下，断层及褶曲等地质构造区煤岩体极易在异常应力场作用下发生变形失稳，诱发煤岩动力灾害［3-4］。特别是在断层与褶曲构造叠加影响区，变形场及应力场更为复杂。根据断层与褶曲构造成因，褶曲通常与断层相伴产生，多数与地层挤压、扭转等有关［5-6］，因此，考虑两者的叠加作用影响是十分必要的。

针对断层及褶曲构造对应力场分布及煤岩变形失稳的影响，学者们开展了丰富且卓有成效的研究。李静等［7］实测及模拟得出断层带附近存在明显应力梯度，对水平主应力分布存在明显影响；谭卓英等［8］实测得到断层区域应力场存在明显分异性，断层、断层之间及交汇处应力集中显著；ISLAM等［9］研究提出采动应力将导致断层内部及周围发生明显变形，且断层末端应力明显集中；宋彦琦等［10］发现断层段围岩体主应力分别在断层两端及断层与巷道交叉区域存在不同程度应力集中；焦振华等［11］实测及模拟提出扰动作用下断层损伤变量变化明显早于支承压力响应。

综上所述，学者们对断层及褶曲构造区应力场异常分布及煤岩体变形失稳等进行了深入研究，但对于断层与褶曲构造叠加作用下采场应力分布及煤岩体变形失稳特征鲜有涉及。因此，本文主要基于断层与向斜构造叠加影响区工作面采掘过程开展数值研究，分析采场应力分布及煤岩体变形失稳特征，并借助东滩煤矿3308工作面开采过程中微震监测数据进行分析验证，旨在为断层与向斜构造叠加区工作面安全开采提供理论指导。

1 煤体应力演化及变形特征数值模拟

1.1 工程背景

东滩煤矿3308工作面位于三采区北部，北侧为未开采的实体煤；南邻3307工作面采空区，区段煤柱宽度4.5 m；西邻井田边界煤柱和小厂一号断层，与外侧兴隆庄煤矿采空区最近距离为140 m；东邻三采区轨道巷。工作面运输顺槽沿实体煤布置，轨道顺槽临空布置，工作面附近布置有10#、11#、21#、26#及27#拾震器。工作面主采3煤层，埋深538.5～623.7 m，厚度7.3～8.9 m。工作面内发育有21条断层，并存在C10向斜和C10-1背斜2个褶曲构造，其中工作面走向中部区域断层分布较集中，存在FQ23（H=5.0 m）及3F80（H=3.0 m）断层贯穿工作面，且与C10向斜相互叠加。工作面已于2021年掘进完成，并于2021年8月12日开始回采，截至2022年5月24日，工作面已推进至Q23断层区域，如图1所示。

1.2 数值模型

基于有限元数值模拟FLAC3D程序，适当简化工作面条件，建立断层与向斜构造叠加作用数值模型，如图2所示。模型尺寸2 000 m×820 m×300 m，模型底部限制水平和垂直向位移，侧面限制水平向位移，顶部设置为自由边界。根据煤层埋深，顶部施加垂直载荷9.31 MPa，四周按垂直应力1.5倍施加水平应力13.97 MPa。模型采用摩尔-库仑强度准则，各岩层力学参数已在图2中给出。在煤层中共布置2条监测线，分别位于两顺槽采帮侧，距离两顺槽均为10 m，沿监测线监测点按10 m间距布置。

1.3 模拟结果

1.3.1 采掘前原始应力及变形

巷道掘进前测点应力及位移仅受采空区及地质构造影响，可反映煤体初始应力和变形状态。根据巷道掘进前监测数据，统计得到煤体原始应力及位移分布曲线，如图3所示。

根据图3，沿空侧煤体应力水平及位移量整体高于实体侧，且沿空侧与实体侧三向应力水平比值基本相同，约为2。但沿空侧与实体侧三向位移量比值相差较大，其中两侧Y方向变形量比值最大，X方向比值最小，说明采空区侧向应力对煤体应力及变形量分布影响较大。根据三向应力分布特征，断层前应力变化相对稳定；断层区域应力值迅速升高，并在断层后迅速降至低值，推断与断层应力阻断作用有关；受断层和向斜叠加影响作用，过断层后三向应力值快速增加至高于断层前应力水平后开始缓慢增加，并在向斜轴部达到峰值。根据三向位移分布特征，断层前三向位移稳定变化，但在断层位置变化明显，垂直及Y方向位移明显降低，X方向明显增加，说明断层水平（垂直断层面）拉伸作用较明显。过断层后，垂直位移先减小后增加，在向斜轴部降至最低值；X方向位移整体先增加后减小，过向斜轴部后反向增加；Y方向位移明显增加后在较高水平波动，说明向斜构造区主要受水平挤压作用（垂直向斜轴部），其中向斜轴部挤压作用最明显。

综上所述，受采空区侧向应力和构造应力影响，断层及向斜轴部区域存在明显的应力集中，且受断层构造拉伸应力和向斜构造挤压应力作用，断层与向斜轴部之间煤体应力水平较高。

1.3.2 掘进过程应力及位移变化特征

现场轨道顺槽施工过程中，断层与向斜叠加区域巷道变形量较大，压力显现明显，顶板下沉严重，两帮位移、底板鼓起量大。因此，统计得到巷道掘进前后煤体整体应力及位移变化情况，如图4所示。

根据图4，掘进前后水平应力增量明显大于垂直应力增量，说明巷道掘进对该区域水平应力扰动作用较为明显。不同于原始应力分布，沿走向接近断层，煤体应力增量持续增加，且向斜轴部之前应力增量上升速度也很明显，说明掘进卸压作用下断层及向斜构造应力集中程度更为显著。另外，除在断层和向斜轴部出现应力增量明显高值外，在断层与向斜轴部之间也出现了X方向应力增量高值区，推断与断层和向斜应力叠加作用有关。根据位移增量特征，沿走向接近断层，三向位移增量均出现不同程度增加，并在断层位置迅速降低。过断层后，三向位移增量迅速增加，并在向斜轴部前逐渐降至低值后趋于稳定。结合应力增量特征，推断断层弱面及巷道为煤体变形提供了空间条件，在断层和向斜叠加应力作用下断层与向斜轴部之间煤体变形量较大。

1.3.3 回采过程应力及位移演化特征

根据煤体原始应力及位移分布特征，断层与向斜轴部存在明显应力集中，统计得到工作面回采过程断层和向斜轴部三向应力及位移演化曲线，如图5所示。

根据图5（a），随工作面推进，断层区域三向应力值逐渐增加，三向位移量逐渐变化。距断层100 m开始，应力值迅速增加，并在断层前40 m达到峰值，同时位移量开始迅速变化，说明工作面对断层的扰动距离接近100 m，并在40 m距离开始引起断层区域明显变形。根据图5（b），距断层140 m开始，向斜轴部水平应力开始有所增加，但从断层前60 m开始，垂直应力才开始有所升高，说明开采扰动对向斜轴部水平应力扰动作用较垂直应力明显，且在断层前开采扰动与断层构造叠加应力便开始对向斜构造产生影响。距斜轴部80 m开始，其应力值开始迅速增加，位移量也开始迅速变化，说明工作面对向斜轴部的明显扰动距离约为80 m。

统计得到工作面推进过程中超前应力及位移演化曲线（应力及位移峰值基本位于超前40 m区域），如图6所示。

根据图6，推进至断层前，工作面超前应力峰值逐渐增加，并在距断层40 m时达到峰值应力，即断层区域应力值。在工作面揭露断层时，超前应力降至最低值，随后逐渐增加，并在向斜轴部前40 m再次达到峰值应力，即为向斜轴部应力值。随工作面推进，超前位移逐渐增加，并在断层前40 m明显降低，即断层位置位移值迅速降低。随后位移值开始迅速增加，并在向斜轴部前逐渐降低至低值，其中在推进至断层位置时，超前位移值达到最大值。不难发现，回采过程中超前应力及位移演化特征与掘进前后三向应力和位移增量演化趋势基本一致。

2 微震活动规律及信号特征

自2022年4月1日工作面接近FQ23断层开始，微震事件及大能量事件频次开始明显增加，断层与向斜构造区域巷道变形量明显增加，因此，基于该阶段微震监测数据，对该区域煤岩体应力分布及变形破坏特征等进行分析。

2.1 微震事件分布及参量演化规律

根据2022年4月1日—5月24日微震监测数据，做出工作面微震事件及其核密度分布，如图7所示。

根据图7，工作面接近FQ23断层时（2022年4月1—30日），微震事件主要集中在断层及向斜下坡沿空侧，特别是大能量事件，主要集中在轨道顺槽附近，微震事件核密度高值区主要集中在断层附近，说明该阶段煤体破坏主要受采空区和断层构造叠加作用影响，同时向斜构造也是造成煤体破坏的因素之一。工作面过FQ23断层期间（2022年5月1—24日），断层前方整个向斜构造区微震事件均比较多，大能量事件主要集中在断层与向斜轴部之间，特别是工作面沿空侧，微震事件核密度非常高。此外，该阶段事件核密度峰值明显高于上一阶段，说明该阶段向斜区域发生了明显破坏，主要受断层构造、向斜构造及采空区叠加作用影响。

根据图8所示微震事件震动频次及能量峰值演化曲线，从距离断层120 m开始，工作面微震频次及能量峰值出现明显增加，说明自断层前120 m开始，采动应力开始对断层与向斜区域产生扰动影响。工作面推进至距断层60 m时，微震频次及能量峰值再次增加，推断开采扰动造成了断层与向斜区域的明显破坏。工作面揭露断层时，微震频次及能量峰值出现了明显降低，随后进一步增加，这与数值模拟所得断层区域变形量突降相吻合，推断与正断层走向拉伸应力有关。

2.2 大能量事件频谱特征

为了分析断层与向斜构造叠加区煤体破坏特征，分别取断层两侧、向斜下坡及向斜轴部等区域4次大能量震动事件，分析其震动波频谱特征，如图9所示。

根据图9，不难发现，相对其余事件断层左侧微震事件频谱分布较集中，主频分布在30 Hz附近，整体位于10～100 Hz。向斜轴部微震事件频谱分布范围稍有扩大，主频位于20～30 Hz，且存在一定的低频成分（5～10 Hz）。断层右侧及向斜下坡微震事件频谱分布较宽，主频位于10～30 Hz，且存在明显低频成分（0～10 Hz）。根据微震频谱分布，可大致判断4次事件均包含压缩和剪切破坏成分，但断层右侧及向斜下坡区域微震事件低频成分较明显，说明煤体破坏主要受剪切作用影响，这与断层和向斜构造应力叠加作用下水平剪切作用有关，与数值模拟结果相吻合。