高家明， 夏永學(xué)， 楊光宇， 陳學(xué)慧

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院， 北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

我國煤炭資源賦存情況相對復(fù)雜，井田構(gòu)造較發(fā)育，工作面構(gòu)造區(qū)域沖擊地壓事件頻發(fā)[1-2]。研究表明，構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力異常集中與沖擊地壓關(guān)系密切，研究工作面構(gòu)造區(qū)域煤巖體應(yīng)力分布特征是評價和防治沖擊地壓危險性的有效手段[3-4]。

基于煤巖體波速與應(yīng)力的良好相關(guān)性，近年來地震波CT探測技術(shù)廣泛用于煤礦井下沖擊地壓危險性評價與預(yù)警，評價指標(biāo)包括波速異常系數(shù)和波速梯度變化系數(shù)[5-7]。王書文等[8]提出了一種基于地震波波速異常率分布的采煤工作面沖擊地壓危險性評價方法，并采用地震波CT探測技術(shù)進(jìn)行工作面內(nèi)斷層探測和超前支承壓力分布劃定。曹安業(yè)等[9]分析了孤島工作面臨近斷層時煤柱受力狀態(tài)，并利用地震波CT探測技術(shù)對采掘現(xiàn)場進(jìn)行沖擊地壓危險性動態(tài)實時預(yù)警。孫劉偉等[10]采用地震波CT探測技術(shù)評價區(qū)段煤柱沖擊危險性，并提出綜合防控技術(shù)方案。上述研究僅針對簡單條件或單一構(gòu)造區(qū)域，未對斷層、褶曲、相變等復(fù)合構(gòu)造區(qū)域進(jìn)行探討。

山東某礦2305綜放工作面(以下簡稱2305工作面)內(nèi)微震事件在復(fù)合構(gòu)造區(qū)域集中，且集中區(qū)域所在巷道區(qū)段發(fā)生了沖擊地壓。目前工作面前方存在多個與沖擊地壓發(fā)生區(qū)段條件相似的微震事件集中區(qū)域，是否再次發(fā)生沖擊地壓難以評估。針對該問題，本文對2305工作面復(fù)合構(gòu)造影響下的微震事件集中區(qū)域進(jìn)行分類，并采用地震波CT探測技術(shù)獲取工作面內(nèi)復(fù)合構(gòu)造區(qū)域的靜態(tài)應(yīng)力分布情況，引入特征指數(shù)c[6]分析復(fù)合構(gòu)造區(qū)域的應(yīng)力分布特征及沖擊地壓危險性，為現(xiàn)場沖擊地壓評價與防治提供參考。

1 工程背景

1.1 工作面概況

山東某礦2305工作面埋深超1 000 m，其主采3號煤層平均厚度為9.2 m，煤層基本頂和底板均為砂巖，煤巖均具有弱沖擊傾向性。工作面西側(cè)為2304工作面采空區(qū)，東側(cè)為未回采的2306工作面。工作面回采巷道均布置在煤層中，其中2305上平巷為沿空巷道，區(qū)段煤柱寬度為5 m。

2305工作面平面布置如圖1所示。該工作面區(qū)域構(gòu)造發(fā)育，回采受到斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造及煤層分叉、煤種變化影響。工作面區(qū)域內(nèi)賦存FD8和FD11這2條落差較大的斷層(賦存情況見表1)。FD8斷層斜交切割2304，2305工作面，目前位于2個工作面采空區(qū)內(nèi)的斷層長度約占總長度的2/3，受采動影響強(qiáng)烈；FD11斷層大部分位于2305工作面內(nèi)，在2305二聯(lián)巷揭露落差約為15 m，在2304工作面揭露落差小于10 m，其小部分位于2304工作面采空區(qū)內(nèi)，受采動影響較弱。2305工作面大部分位于劉海向斜的西翼影響區(qū)域，劉海向斜軸部區(qū)域位于2305二聯(lián)巷以南。

圖1 2305工作面平面布置

表1 2305工作面斷層賦存情況

鉆孔勘測和實際揭露情況表明：2305工作面煤層賦存條件復(fù)雜，其主采3煤層在工作面東南部出現(xiàn)分叉，在3煤層分叉線以南分為3上煤層和3下煤層；2305三聯(lián)巷附近大面積受煤種(肥煤、1/3焦煤)變化帶影響，煤種分界線西南側(cè)和東北側(cè)分別為肥煤和焦煤，同采區(qū)2302下平巷掘進(jìn)期間曾發(fā)生以煤體相變?yōu)橹饕T因的動力現(xiàn)象。

1.2 構(gòu)造區(qū)域微震事件分布特征

受地質(zhì)構(gòu)造和側(cè)向采空區(qū)影響，2305上平巷附近區(qū)域圍巖在掘進(jìn)期間微震事件活躍且分布密集，自北向南集中分布在6個區(qū)域，如圖2所示。微震事件集中區(qū)域①為FD8斷層與煤種分界線交匯區(qū)域；②為受2304工作面采空區(qū)內(nèi)FD8斷層影響的2305上平巷區(qū)域；③為受2304工作面采空區(qū)內(nèi)FD11斷層影響的2305上平巷區(qū)域；④為FD11斷層與2305上平巷交匯區(qū)域；⑤為FD11斷層與2305上巷補(bǔ)巷交匯區(qū)域；⑥為FD11斷層、劉海向斜和3煤層分叉線交匯區(qū)域。以上微震事件集中區(qū)域附近均存在單一或復(fù)合構(gòu)造，表明構(gòu)造影響區(qū)域圍巖動載荷釋放強(qiáng)烈，與圍巖內(nèi)部靜載荷疊加后導(dǎo)致沖擊地壓危險性大大增強(qiáng)[11]。

圖2 2305上平巷區(qū)域微震事件分布

為充分評估各微震事件集中區(qū)域的構(gòu)造特征及其對微震事件分布的影響，按照區(qū)域附近存在的構(gòu)造數(shù)量，將構(gòu)造類型分為單一構(gòu)造(構(gòu)造數(shù)量為1)和復(fù)合構(gòu)造(構(gòu)造數(shù)量不少于2)，同時將主要構(gòu)造位于采空區(qū)的微震事件集中區(qū)域受擾動程度定義為強(qiáng)，其余區(qū)域受擾動程度定義為弱，得到微震事件集中區(qū)域①—⑥的構(gòu)造賦存特征，見表2。

表2 微震事件集中區(qū)域構(gòu)造賦存特征

在2305工作面推進(jìn)至距開切眼約250 m時，微震事件集中區(qū)域①附近的2305上平巷區(qū)段發(fā)生沖擊地壓，導(dǎo)致區(qū)域巷道嚴(yán)重破壞。為進(jìn)一步評估2305工作面前方構(gòu)造區(qū)域的潛在沖擊地壓風(fēng)險，采用地震波CT探測技術(shù)獲取煤巖體靜態(tài)應(yīng)力分布。

2 復(fù)合構(gòu)造區(qū)域地震波CT探測方案

2.1 理論基礎(chǔ)

研究表明，實驗室條件下煤巖體波速與應(yīng)力存在顯著的正相關(guān)性，礦震及地震發(fā)生規(guī)律驗證了高應(yīng)力梯度區(qū)域與高波速梯度區(qū)域的對應(yīng)性?；谠摻Y(jié)論，建立包含地震波波速和波速梯度的特征指數(shù)[6,12-15]：

(1)

2.2 探測方案

采用PASAT-M型便攜式微震探測系統(tǒng)采集地震波數(shù)據(jù)，設(shè)定系統(tǒng)采樣頻率為2 kHz，檢波器工作頻段為5～10 000 Hz，增益為20 dB，采樣長度為0.512 s。采用炸藥作為激發(fā)震源，炮間距為6 m。震源激發(fā)方式為單炮順序激發(fā)，多道同時接收。檢波器安裝在支護(hù)錨桿端部，以保證與圍巖的耦合效果。

根據(jù)探測區(qū)域內(nèi)構(gòu)造影響類型，將微震事件集中區(qū)域②—⑥所在的約1 320 m范圍近似均分為A，B，C，D 4個獨立探測區(qū)域(圖2)，激發(fā)震源和探測系統(tǒng)分別布置在2305下平巷和2305上平巷，各區(qū)域探測方案見表3。探測期間工作面處于停產(chǎn)狀態(tài)，且附近無采掘作業(yè)，可認(rèn)為工作面煤巖體應(yīng)力分布無大幅改變。

表3 各區(qū)域探測方案

3 復(fù)合構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力分布特征

3.1 數(shù)據(jù)處理

采用探測系統(tǒng)配套的PASAT-RHA軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，流程如圖3所示。① 數(shù)據(jù)導(dǎo)入：將采集的地震波數(shù)據(jù)導(dǎo)入PASAT-RHA軟件，根據(jù)現(xiàn)場情況和可視化波形圖像剔除無效及初至模糊的地震波數(shù)據(jù)，按時間順序?qū)⒂行?shù)據(jù)依次拼接。② 探測系統(tǒng)導(dǎo)入：錄入有效數(shù)據(jù)對應(yīng)的探測系統(tǒng)坐標(biāo)，進(jìn)行震源激發(fā)點射線模擬。③ 初至拾?。航Y(jié)合頻譜分析和數(shù)字濾波自動拾取初至，人工修正后確定每道數(shù)據(jù)的初至?xí)r間。④ 反演成像：設(shè)定離散像元尺寸、背景速度、邊界條件等反演參數(shù)，按照算法反演成像。

部分實測地震波波形及頻譜如圖4所示?？煽闯龅卣鸩úㄐ瓮噍S連續(xù)性較好，初至波起跳明顯，滿足初至到時拾取要求；頻譜分辨率高，雜波及背景噪聲影響較小?？傮w來看，實測地震波數(shù)據(jù)良好，滿足數(shù)據(jù)處理需要。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

(a) 波形

3.2 應(yīng)力分布特征分析

采用特征指數(shù)c對A，B，C，D 4個區(qū)域的實測結(jié)果進(jìn)行分析，c越大表明該處受采動影響的應(yīng)力增高程度越強(qiáng)[6]。為方便表述，以綠色、黃色、紅色和深紅色漸變代表探測區(qū)域內(nèi)c在[0，1]內(nèi)依次增大，相對應(yīng)的應(yīng)力增高區(qū)以Ⅳ、Ⅲ類、Ⅱ類和Ⅰ類表示。

A區(qū)域應(yīng)力分布受FD8斷層和煤種分界線復(fù)合構(gòu)造影響，其中FD8斷層受擾動程度較強(qiáng)，斷層周圍巖體穩(wěn)定性較差。A區(qū)域特征指數(shù)c分布如圖5所示。該區(qū)域整體應(yīng)力增高程度在整個探測區(qū)域內(nèi)最大，Ⅱ類及以上應(yīng)力增高區(qū)占比過半，僅存在2處小范圍Ⅳ類應(yīng)力增高區(qū)?？拷麱D8斷層的高水平應(yīng)力集中區(qū)與斷層走向近似平行，且分布范圍較廣；煤種分界線兩側(cè)應(yīng)力分布變化較大，但附近應(yīng)力增高區(qū)面積較小，表明A區(qū)域內(nèi)處于強(qiáng)擾動條件下的FD8斷層為導(dǎo)致煤巖體高水平應(yīng)力集中的主要因素。

圖5 A區(qū)域特征指數(shù)c分布

B區(qū)域應(yīng)力分布僅受FD11斷層單一構(gòu)造影響，局部斷層受擾動程度較強(qiáng)，但低于FD8斷層。B區(qū)域特征指數(shù)c分布如圖6所示。Ⅱ類及以上應(yīng)力增高區(qū)主要位于工作面內(nèi)部和下平巷區(qū)域。上平巷區(qū)域以Ⅲ類應(yīng)力增高區(qū)為主，分布較均勻，僅存在小面積的Ⅱ類及以上應(yīng)力增高區(qū)。

圖6 B區(qū)域特征指數(shù)c分布

C區(qū)域?qū)儆趩我粯?gòu)造和弱擾動影響區(qū)域，區(qū)域內(nèi)部分FD11斷層切割上平巷，減弱了側(cè)向采空區(qū)懸頂?shù)挠绊懀瑢χ車簬r體產(chǎn)生一定卸壓作用。C區(qū)域特征指數(shù)c分布如圖7所示。該區(qū)域高水平應(yīng)力集中程度在整個探測區(qū)域內(nèi)最弱，僅存在1處小面積Ⅱ類應(yīng)力增高區(qū)，位于二聯(lián)巷與上平巷交叉處。

圖7 C區(qū)域特征指數(shù)c分布

D區(qū)域內(nèi)復(fù)合構(gòu)造情況最復(fù)雜，F(xiàn)D11斷層、劉海向斜與3煤層分叉線于區(qū)域內(nèi)部交匯，但各構(gòu)造受擾動影響程度較弱。D區(qū)域特征指數(shù)c分布如圖8所示。Ⅱ類及以上應(yīng)力增高區(qū)主要集中在復(fù)合構(gòu)造交匯區(qū)，在低擾動條件下，向斜構(gòu)造和3煤層分叉線區(qū)域的應(yīng)力集中程度更高，且應(yīng)力分布在向斜軸部具有一定的對稱性；上平巷區(qū)域存在2處面積較小的Ⅱ類及以上應(yīng)力增高區(qū)，局部應(yīng)力變化不明顯。

圖8 D區(qū)域特征指數(shù)c分布

通過分析得出以下結(jié)論：① 強(qiáng)擾動條件下復(fù)合構(gòu)造區(qū)域高水平應(yīng)力集中程度最強(qiáng)，弱擾動條件下單一構(gòu)造區(qū)域高水平應(yīng)力集中程度最弱。② 單一構(gòu)造條件下，斷層構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力增高程度隨斷層受擾動程度增加而增強(qiáng)。③ 在受擾動程度較弱的條件下，向斜構(gòu)造相對于斷層構(gòu)造的應(yīng)力增高程度更強(qiáng)。

3.3 構(gòu)造區(qū)域沖擊危險性綜合評判

通過對比地震波CT探測結(jié)果與微震事件集中分布情況，驗證CT探測結(jié)果的可靠性[7]。除微震事件集中區(qū)域④外，其余微震事件集中區(qū)域均與地震波CT探測結(jié)果中的高水平應(yīng)力集中區(qū)相對應(yīng)。而微震事件集中區(qū)域④應(yīng)力增高不明顯的原因是FD11斷層切割上平巷頂板產(chǎn)生了卸壓作用?？梢姷卣鸩–T探測結(jié)果可靠性較高。

探測結(jié)果表明，構(gòu)造區(qū)域高水平應(yīng)力集中是圍巖受擾動時活動劇烈的原因，同時圍巖活動為沖擊地壓發(fā)生提供了動載荷，造成區(qū)域沖擊地壓危險性增大。對構(gòu)造區(qū)域的沖擊地壓危險性進(jìn)行綜合評判：① 存在強(qiáng)擾動復(fù)合構(gòu)造的A區(qū)域煤巖靜態(tài)應(yīng)力集中程度較高，上下平巷附近均存在大面積高水平應(yīng)力集中區(qū)，沖擊地壓發(fā)生門檻最低。② B區(qū)域受強(qiáng)擾動單一構(gòu)造影響，上平巷西南角應(yīng)力集中程度較高，且回采過程將對該處的FD11斷層進(jìn)一步擾動，導(dǎo)致該處沖擊地壓發(fā)生風(fēng)險較高。③ C區(qū)域受弱擾動單一斷層構(gòu)造影響，整體應(yīng)力集中程度較弱，上平巷和二聯(lián)巷交叉處靜載荷水平較高，在巷道開挖過程中該區(qū)域未出現(xiàn)微震事件集中，此處沖擊地壓危險性以靜載荷為主要因素。④ 類比上平巷微震事件集中區(qū)域①發(fā)生的沖擊地壓案例，可推測同屬于弱擾動復(fù)合構(gòu)造條件下的D區(qū)域在受到采動影響時微震事件集中，動載荷增量明顯，此時局部高水平應(yīng)力集中區(qū)的沖擊地壓危險性顯著增大。綜上得出微震事件集中區(qū)域②，③，⑤，⑥的潛在沖擊地壓危險性較大，應(yīng)作為重點關(guān)注區(qū)域并采取有針對性的防治措施。

4 結(jié)論

(1) 微震事件呈區(qū)域性集中現(xiàn)象與鄰近構(gòu)造關(guān)系密切，按照區(qū)域構(gòu)造數(shù)量可分為單一或復(fù)合構(gòu)造區(qū)域，根據(jù)受擾動程度可劃分為強(qiáng)擾動或弱擾動構(gòu)造區(qū)域。

(2) 構(gòu)造區(qū)域地震波CT探測結(jié)果表明：① 強(qiáng)擾動復(fù)合構(gòu)造區(qū)域靜態(tài)應(yīng)力集中程度最高，而弱擾動單一構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力集中程度最低。② 斷層單一構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力增高水平與其受擾動程度呈正相關(guān)關(guān)系。③ 低擾動復(fù)合構(gòu)造區(qū)域內(nèi)向斜構(gòu)造較斷層構(gòu)造的應(yīng)力增高更明顯。

(3) 地震波CT探測和微震監(jiān)測結(jié)果表明，構(gòu)造區(qū)域圍巖靜態(tài)應(yīng)力集中是造成圍巖劇烈活動的原因，使得圍巖動靜載荷整體水平較高。綜合考慮圍巖靜載荷與采動影響下潛在動載荷增量情況，得出微震事件集中區(qū)域②，③，⑤，⑥的沖擊地壓危險性較大，是沖擊地壓防治重點區(qū)域。