义马矿区大型逆冲断层防冲方法研究

李一哲，张宁博，王 寅，任伟光，秦 凯，郝其林，孙彦宁

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.河南大有能源股份有限公司，河南 义马 472300；3.鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 014300)

断层是地下煤岩层中普遍赋存的一种地质构造，当煤矿开采活动接近断层时，由于煤岩层完整性被破坏，断层周边应力场出现异常，冲击地压灾害时常发生，这类冲击地压被称为断层冲击地压[1]。与小型断层相比，大型断层落差大、影响范围广，往往更易诱发冲击地压[2]。

围绕大型断层冲击地压问题，国内外学者分别从发生机理和防治技术两方面展开了大量研究。在断层冲击地压发生机理方面，目前学术界尚未形成统一的认识，超低摩擦效应、静载应力集中、动载触发以及断层煤柱失稳等被认为是诱发断层冲击地压的原因，其中超低摩擦效应指的是断层摩擦力在应力波作用下显著降低的一种现象，该效应可能会诱发断层活化，并导致冲击地压[3]；断层构造应力、采动引起的支承压力等多种静载应力叠加可能诱发煤体冲击[4，5]；坚硬顶板断裂或断层突然滑移激发的动载扰动也可能诱发采掘围岩失稳[6-8]；断层冲击地也可表现为断层煤柱的失稳[9]。虽然学者们对断层冲击地压本质原因的认识有所分歧，但大家均接受的一种观点是：断层的存在造成煤岩体应力环境的恶化[10]，使得工作面煤岩体出现应力积聚现象[11]；同时断层活化过程产生了强烈的动载扰动，动静载共同作用诱发了煤体冲击[12]。

针对断层冲击地压防治技术，目前主要有区域防控和局部解危两大类，其中区域防控技术适用于煤层开采前，即矿井、水平(采区)设计阶段，从矿井、水平(采区)等区域大范围角度考虑断层冲击地压防治问题，以避免形成应力集中为根本原则，具体包括：开采保护层[13]、优化开拓布局[14，15]、合理布置断层煤柱等[16，17]。局部解危技术适用于工作面回采阶段的巷道围岩，以削弱或转移集中应力、加强围岩承载能力为目的，具体包括深孔爆破[18]、水力压裂[19]、吸能支护[20]、断底卸压[21]等。

目前关于断层条件下防冲方法的研究，更多关注于断层条件下的区域和局部煤岩体卸压，在断层安全距离方面研究不充分，当井田存在大型断层时，断层的区域活化使得煤岩卸压效果大打折扣。笔者以义马矿区大型压扭性逆冲断层为例，基于矿区开采下的冲击显现归纳与断层滑移模拟，明确避免断层活化的工作面-断层安全距离，制定了逆冲断层条件下的井间工作面接续方案，通过微震评价了远断层开采下的防冲效果。研究结果为大型断层条件下冲击地压防控技术的应用提供基础。

1 工程背景

1.1 断层发育特征

义马矿区南部的井田边界存在控制四个煤矿的大型压扭性逆冲断层，断层走向近东西，倾向南略偏东，落差50～500 m，延展长度约45 km，水平错距120～1080 m。经过10余条勘探线和30余个钻孔揭露特征可知，逆冲断层的控煤构造样式分为5类：叠瓦型、切割-褶皱型、倒转-褶皱型、倒转型和不完全铲失型[22，23]，其中典型的断层构造形态如图1所示，其中2004和2005为地质钻孔。可知断层断裂面呈上陡下缓的犁式，多条组合呈叠瓦状，剖面或平面上皆表现显著的波状起伏。断裂面向南倾，浅部倾角大，切层，向下逐渐平缓，受断层影响，局部地段煤岩层直立或倒转。

图1 逆冲断层典型构造形态Fig.1 Typical structural morphology of thrust faults

地质作用导致断层上盘地层时代早于下盘地层时代，断层附近的地层从下至上依次为：侏罗系中统义马组J21(深灰-灰黑色泥岩)和马凹组J22(砾岩，间夹砂泥岩，泥质和钙质胶结)，侏罗系上统J3(主要为巨厚的杂色砾岩，泥质和钙质胶结)。

1.2 断层影响下的地应力场特征

地应力是煤矿井下动力灾害的根本作用力，而大型逆冲断层对地应力有着重要的影响。义马矿区不同深度的地应力测试结果见表1。

表1 义马矿区地应力测试结果Table 1 Results of in-situ stress testing in Yima mining area

由表1可知，深度低于800 m时，最大水平主应力较高，最大为25.25 MPa；除了645 m深度外，其余测点最大水平主应力与垂直应力的比值均高于0.9，最高达到1.32。深度超过800 m时，测点的最大水平主应力均小于垂直应力，且二者比值均小于0.81。由此可知，断层对浅部的水平应力环境的影响不容忽视，甚至起主导作用，由此冲击地压成为该矿区的主要灾害之一。

2 断层活化与冲击地压相关性研究

断层活化及其与冲击地压的关系是煤矿安全领域常见的研究内容之一。义马矿区已有40余年的冲击地压发生历史，累计发生超过200余次冲击，其中相当一部分冲击地压受断层滑移的影响。逆冲断层在较高的水平构造应力和开采扰动的作用下，断层活化特征明显[24]。义马矿区13230工作面接近逆冲断层(距离断层150～530 m)，其回采初期发生了冲击地压事故，后又多次发生冲击地压事件，具有典型性，13230工作面与断层关系如图2所示。为了研究断层滑移特征，在工作面南侧布置断层运动观测线(28个测点)，用以长期观测(4a)断层滑移特征，其中21～37#、38～48#分别位于断层上盘和下盘的地表。

图2 耿村煤矿逆冲断层运动观测线Fig.2 Measuring line of thrust fault in Gengcun Coal Mine

13230工作面回采期间，逆冲断层附近地表沉陷特征如图3所示。由图3可知，断层上下盘存在相邻两次观测时间内多数测点“抬升”的现象，如21#—37#测点分别在2017年1—2月、7—8月，2018年12月—2019年1月，2019年10—11月均发生大范围多测点同时“抬升”。经统计，由南向北的21#—26#、27#—32#、33#—38#、39#—43#、44#—48#测点平均抬升量分别为0.58、0.61、0.65、0.32和-0.57 cm；最大抬升量分别为1、1.3、1.5、1.2和0.8 cm，可以看到断层下盘(地表露头北侧)抬升程度明显低于断层上盘(地表露头南侧)。地表抬升说明了断层断裂面发生了滑移错动，导致了高位岩层和地表的抬升，且断层上盘地表距离断面出露线越近，滑移错动抬升越明显。

图3 逆冲断层附近地表沉陷特征Fig.3 Characteristics of surface subsidence near thrust fault

经现场监测，在上述的断层滑移时期内发生多起冲击地压事件，分别为37次、4次、3次和4次，其中多数事件表现为巷道出现声响、震动、煤尘和底板落煤现象，3次较为剧烈的冲击表现为：底鼓0.3～1.4 m，液压抬棚滑移20～30 cm，液压抬棚和门式支架安全阀密封损坏、漏液，支架压力瞬间增加7.9 MPa，钻孔应力增加0.11～1.3 MPa，断层活化和冲击显现的时期同步特征表明了断层运动对于冲击地压的正反馈作用。

3 基于断层活化控制的防冲方法与实践

3.1 工作面与断层安全距离研究

由于断层滑移能够导致冲击地压的发生，因此在大型断层条件下，控制断层滑移是防治此类冲击地压的关键手段之一。众多研究表明，工作面与断层的空间距离与冲击地压的发生关系密切，距离断层越远，断层条件下的静载荷影响就越有限，且断层滑移产生的动载衰减就越明显，断层影响就越弱。为了研究义马矿区工作面-断层距离与冲击地压的关系，将义马矿区断层诱发的冲击地压进行归纳处理，对记录的200余次冲击进行筛选，选出断层滑移时期后1个月内的所有冲击事件，量取各冲击地压显现工作面与断层-煤层交面线的垂直距离，统计不同距离条件下的冲击事件数量和冲击产生的能量，如图4所示。

图4 工作面-断层距离与冲击地压的关系Fig.4 Relationship between distance of face-fault and coal bump events

由图4可知，工作面-断层距离超过1700 m时，断层滑移对工作面作用较弱，无冲击事件发生。当工作面-断层距离小于1700 m时，开始出现冲击地压事件，随着工作面逐渐靠近断层，冲击事件数逐渐增多，冲击事件能量整体升高；工作面-断层距离为0～100 m时，冲击事件数最多达到34次，冲击能量(工作面-断层距离174 m)最大达到3.5×108J，冲击次数与断层距离呈反比例型函数的关系，拟合结果为y=4939/(x+99)-0.56。

由于增大工作面与断层的距离能够有效减少冲击地压发生的频次与强度，为了进一步得到义马矿区避免断层滑移的工作面-断层最小安全距离，本节使用本课题组已开展的义马矿区逆冲断层滑移的相似模拟[25]进行分析。义马矿区逆冲断层形态、煤岩层形态和位移监测布置如图5所示。其中，模型几何相似比为1∶200，2-3煤工作面由左向右方向开采，模拟实际中煤层逐渐向深部开采的过程，共铺设5层位移测线，A测线和B—E测线的相邻两测点水平间距分别为10 cm和20 cm。

图5 模型表面位移测点布置Fig.5 Layout of measuring points for displacement on model surface

断层下盘断裂带附近测点(A1-A2、B9-B10、C11-C12、D11-D12、E11-E12)的沉降曲线如图6所示，其中横轴原点表示断层与2-3煤的交点。由图6可知，工作面靠近断层至远离断层的整个过程中，断层沉降量整体呈升高趋势，说明工作面开采导致断层活化程度逐渐增强。当工作面在断层下盘推进且距离断层455～1200 m时，断层未发生明显运动；当工作面距离断层小于455 m时，断层附近测点均发生明显沉降，由此认为控制断层活化的原则为尽可能保证工作面远离逆冲断层，且工作面与断层的距离不应低于455 m。

图6 断层附近测点沉降量曲线Fig.6 Settlement curve of measuring points near the fault

3.2 井间防冲实践与效果评价

跃进煤矿和常村煤矿井间区域煤炭开采前，存在如何选取合适的接续工作面的问题，井间区域开采特征如图7所示。

图7 跃进-常村煤矿井间开采特征Fig.7 Characteristics of mining between Yuejin and Changcun Coal Mine

跃进23采区共布置10个工作面，23070工作面回采完毕后，23090和23110工作面下分层3.7 m煤层以及23130工作面南部6.7 m实体煤未开采。常村21采区共布置21个工作面，21220工作面回采完毕后，21141和21161工作面下分层4 m煤层以及21220和21150工作面南部8 m实体煤未开采。在两矿井生产能力和采区一翼一采煤工作面的政策制约下，跃进23采区和常村21采区西翼可分别布置1个回采工作面，而23采区可选的接续工作面为23092、23150、23170工作面，21采区西翼为21162、21240工作面，因此需各选取一个工作面作为接续工作面。

23采区23092工作面距离断层最远，达到754 m，而23150和23170工作面距离断层分别为320 m和150 m，均小于455 m的安全距离，尤其23150工作面历史掘进期间发生了17次剧烈的冲击显现，且23170工作面局部更是直穿断层，危险程度较高。21采区西翼21162和21240工作面距离断层分别为1481 m和560 m，虽均大于455 m的安全距离，但21162距离断层最远。综上分析，该区域的23092和21162工作面是未来接续工作面的最佳方案。基于此，23092工作面与21162工作面分别于2018-3-18和2018-5-1开始回采。

通过对比分析远断层开采的23092、21162工作面和近断层开采的耿村13230工作面，使用工作面开采过程中的断层滑移频次和冲击显现特征作为防冲效果评价的参量。其中若断层断裂面附近短时间内存在微震事件，则认为断层发生活化，冲击显现特征包括冲击地压发生次数，工作面微震事件数及微震事件最大能量。

统计结果可知，13230、23092、21162工作面断层活化次数分别为93次、1次和0次，13230工作面回采期间共发生47次冲击事件和1次冲击地压事故，而23092和21162工作面回采期间均未发生冲击地压事件。从工作面回采期间的微震事件数及最大能量来看，13230、23092、21162工作面微震事件数分别为24537个、111个和280个，微震最大能量分别为4.4×107J、3×106J和9.9×104J。

分析表明，相比于近断层开采的13230工作面，距离断层较远的23092和21162工作面断层滑移频次显著降低甚至未滑移，微震数量和能量低于13230工作面1～3个数量级，避免了冲击地压的发生，基于断层活化控制的远断层开采防冲效果明显。

4 结 论

1)逆冲断层发生滑移错动，表现为断层下盘抬升程度明显低于断层上盘，且断层上盘地表距离断面出露线越近，滑移错动抬升越明显。断层滑移时期诱发多次剧烈冲击显现。

2)义马矿区冲击事件的强度与频次随着工作面与断层距离的减小而整体升高，冲击次数与工作面-断层距离关系为y=4939/(x+99)-0.56，避免断层活化的工作面-断层的最小距离为455 m。

3)跃进-常村井间23092和21162工作面是井间最优的接续工作面，远断层开采防冲效果明显，断层滑移频次显著降低甚至未滑移，微震数量和能量降低1～3个数量级，避免了冲击地压的发生。