采动影响下断层活化规律及其诱发冲击地压的防治

毛德兵，陈法兵

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013)

1 问题提出

断层活化是一个能量的逐渐积累继而释放，最终分散的过程。断层活化导致断层面上的胶结物被剪断，断层由粘结状态变为开裂状态，同时伴随巨大的能量释放，断层周围介质也会做适应性调整运动。对于采掘工作面，断层的存在使工作面超前支承压力产生了显著的不连续［1］(图1)，在断层附近产生应力与能量的积聚，当断层发生活化时，大量能量瞬间释放，造成人员伤亡和财产损失。近年来，断层影响下的冲击地压灾害事故明显增多，断层活化导致的冲击地压由于潜在震源体积较大，释放能量较大，震级较高，破坏性极大。国内学者姜福兴［2－3］、窦林名［4－7］、任勇［8］、韩荣军［9］、闫宪磊［10］等人利用微震监测方法对断层冲击地压进行了研究，得出了断层活化与微震事件丛集分布具有很好的相关性的结论，并对不同条件下断层活化导致的微震事件分布规律进行了研究。本文基于微震监测数据分析了采动影响下断层活化规律，并提出防治断层构造型冲击地压的基本原则。

2 基于微震监测的断层活化规律研究

图1 采动影响下断层附近应力峰值与工作面至断层距离的关系

以华丰煤矿1410工作面和千秋煤矿21141工作面的微震监测数据为依据，对采动过程中断层附近微震事件的分布规律进行了研究。根据数据分析结果可知，工作面推进过程中断层附近的微震事件具有以下3个主要特征:超前显现;范围集中;能量巨大。但是现场断层错综复杂，微震事件的规律也要复杂得多。

2.1 断层延展长度对微震事件分布规律的影响

地震学上，断层的最大位移量 (D)与断层的延展长度 (L)具有线性比例关系:

式中，K为常数，其大小取决于断层围岩的剪切强度;c为普通系数［11］。

图2统计了典型断层发生活化的能量大于1×106J的微震事件数目与断层延展长度的关系。图2表明断层延展长度越长，发生活化释放的能量就越大，能量的最大震级越大。随着断层延展长度的继续增大，断层活化释放的能量最终达到一个稳定值。大断层的断层面面积比较大，能够储存更多能量，因此活化强度大，释放能量多。图3中的华丰煤矿断层F28和F31为大断层，其中F31断层延展长度超过590m，其附近微震事件较为密集 (图中圆点表示微震事件位置，直径越大，表示事件能量越大)，且大能量事件较多。

图2 断层延展长度与大能量事件数的关系

图3 F28，F31断层微震事件分布

2.2 断层落差对微震事件的影响

图4统计了典型断层发生活化的能量大于1×106J的微震事件数目与断层落差的关系。由图4可知断层落差越大，断层活化时释放能量就越大。断层落差越大，表明断层形成时发生的错动越强烈，因而储存的构造应力也越大，因此断层活化时释放能量就越多。

图4 断层落差与大能量事件数的关系

2.3 断层走向对微震事件的影响

根据断层走向与工作面的相对位置关系，可把断层分为倾向断层和走向断层。

2.3.1 倾向断层活化规律

图5为千秋煤矿21141工作面在2010年1月份的微震事件分布图。图6所示为工作面过断层期间断层附近每个月微震频次和总能量变化直方图。

图5 微震事件分布

图6 微震频次和总能量变化

由图5、图6可以得出以下规律:

(1)断层活化是一个过程，不是一次完成的。断层活化具有明显的周期性，这个周期性与能量的积累和释放具有一致的对应关系，如图7所示。

图7 断层活化过程的能量统计

(2)断层活化过程可以分为局部预活化、整体破坏性活化和余活化3种类型，这3种类型分别对应断层周期性活化的3个阶段。

图7为千秋煤矿F3－9断层活化的能量统计。可见能量释放具有明显的周期性，每个周期包含4个阶段:

(A)波动段:能量剧烈波动。最大能量较大，最小能量较小。

(B)低能稳定段:总能量较低，波动不大，最大能量值较小。

(C)剧烈活化段:大能量活化事件，发生冲击地压。

(D)断层活化完毕之后，微震事件的能量水平较低，波动弱。

(3)整体破坏性活化发生在工作面距断层一定距离处，过了此处，断层活化减弱。并不是工作面距离断层越近，断层活化越严重。

(4)工作面过断层后断层仍然在活化，只是比较微弱。断层冲击地压发生前，微震事件的频次逐渐增大。冲击地压一般发生在频次的峰值或者峰值过后不久。

(5)微震事件的频次逐渐增大。冲击地压一般发生在频次的峰值或者峰值过后不久。

2.3.2 走向断层活化规律

工作面内走向断层两盘受力较均匀，活化作用不强。但是对于落差较大、上下盘应力差较大的断层则不同，活化非常强烈。

走向断层活化的微震事件的分布规律如下:

(1)走向断层随着工作面的不断推进，会受采动应力场影响，断层逐段发生活化。

(2)受力较小的走向断层，受采动应力场影响以小能量事件的形式释放能量，不会积聚大能量，相对危险程度较小。

(3)上下盘应力差较大的走向断层，受超前支承压力影响存在局部高应力。断层在高应力的作用下极易活化释放高强度能量，形成较强的岩体震动。

(4)断层活化不是因为受到了很高的超前应力和构造应力，而是因为受到了较高的上下盘应力差。

2.4 断层性质对微震事件的影响

断层是地壳的薄弱带，在区域应力场作用下，各断层的活化行为是不同的。这取决于主应力的方向与大小、断层物理力学性质。断层活化有时能够引起强烈的冲击地压，造成人员伤亡，巷道和设备损毁，有时只是引起断层两盘之间的轻微滑动，仅会造成地层的进一步移动，不会产生灾害。

断层按物理性质可以分为坚硬断层和软弱断层，如图8。

图8 不同类型断层的活化特点

一般情况下，软弱断层 (如图8(b))为塑性断层，围岩较破碎，强度不大。这种断层常发生连续蠕滑，没有突然的应力降低［12］，常以小能量微震事件居多，一般不会发生断层冲击地压。当工作面距离断层较远时，软弱断层附近就出现了许多小能量的微震事件，随着工作面接近断层，微震事件逐渐增多，但以小能量的微震事件居多。而对于断层面较粗糙，咬合力较大的坚硬断层 (如图8(a))，随着应力逐渐升高，到达峰值之后就发生显著的应力降，断层快速破裂，发生黏滑式活化［12］，常出现大能量的微震事件，甚至引发断层冲击地压。当工作面离断层较远时，坚硬断层附近一般微震事件不多，只有工作面接近断层，才会发生微震事件，而且以大能量的微震事件居多。活化之后又进入了下一循环的能量积聚阶段。往复循环，呈脉冲式变化。应力的积累和释放与断层冲击地压有着一致的对应关系。

图9为F9断层和F13断层活化的微震事件平面投影图。两者均为正断层，且都是从工作面外部进入工作面下部很快尖灭，因此具有很好的可比性。A区域为F9断层活化微震事件，B区域为F13断层活化微震事件。可知F9断层微震事件频次少，能量大。F13断层微震事件频次多，能量小。而且F13断层超前工作面很长距离就开始活化，而F9断层则工作面临近时才发生活化。

可以推断，F9断层为坚硬断层，抗剪能力强，最大承压能力大，能量积聚到相当程度后才能活化，但一旦活化必释放巨大能量，2006年“9.9”事件就是由此断层所致。F13断层为软弱断层，最大承压能力小，抗剪能力差，受采动影响很容易达到临界承压值，易于活化，这种类型的断层会随着工作面的推进不断以小能量事件的形式释放能量，所以不会储存很多能量，不会导致强烈的冲击地压事故。

图9 微震事件分布

3 断层构造型冲击地压防治原则

3.1 加强冲击地压矿井断层构造探测

在冲击地压矿井探测并掌握断层构造的分布，对采区布置、冲击危险区域的确定、冲击地压的监测与防治具有重要的意义。目前大部分矿井通过地面钻孔勘探与地面三维地震勘探已基本掌握了落差5m以上断层的分布。对于冲击地压矿井关键是确定落差5m以下的断层在采掘工作面的分布情况。采掘工作面小断层的探测主要有巷探法、井下钻探法和矿井物探法。冲击地压矿井断层构造区域一般均属冲击危险区，为了避免井下探测过程中因近距离施工诱发冲击，因此应以能够远距离探测断层构造的物探方法为主，必要时在采取安全措施的情况下辅助钻探。对于采煤工作面内部断层构造的探测可采用槽波地震及震波CT勘探、直流电或无线电波透视法等，对于掘进工作面可采用瑞雷波、矿井地震 (MSP 法) 等［13］。

3.2 优化采掘工作面布置

在采区划分和工作面布置时，尽量避开断层尤其是大型断层。大型断层可以作为井田的边界，留有保护煤柱。采区内断层可以留保护煤柱以保证断层不会发生破坏性活化。当断层走向与工作面走向已知时，工作面推进方向应尽可能与断层倾向一致，以减小断层活化的危害。尽可能增大断层面与工作面的夹角，避免断层面断层在工作面倾向方向上一次性暴露面积过大。

确定合理的开采顺序，工作面遇到断层时，工作面最好背向断层开采。避免工作面在停采时接近断层。

3.3 提前卸压

加强断层宏观先兆的观察，提前做好相关措施。在工作面采动影响范围外对断层周边煤体和断层面进行软化，如煤层注水，煤体爆破以及大孔径卸压等措施。一方面减小了构造应力集中程度，另一方面诱发断层面滑动，提前释放断层构造积累的能量。

3.4 加强断层活化监测与预警

2006年9月9日10 :30在华丰煤矿1410上平巷掘进头发生一次2.0级冲击地压事故，释放能量2.2×107J，性质为断层活化引发的冲击地压事故。图10所示为“9.9”事件前后的微震频次和能量变化。可以看出，9月1－6日微震事件的能量和频次逐渐增大，6－8日微震频次继续升高，而微震能量则逐渐下降，小能量事件占据了主导地位。9日频次降低，积累的能量突然释放，形成了强烈的冲击地压。断层活化过程，微震事件的能量和频次明显增大，能量呈间歇性释放。因此，可以通过微震来预测预报断层冲击地压的发生。

图10 2006年9月微震能量和频次变化

由于工作面前方断层的存在，导致顶板的不连续，顶板传递上覆岩层压力的能力减弱，在倾向断层与工作面之间的区域为断层构造应力与工作面超前支承压力的应力叠加区，见图11。当超前支承压力与断层附近以远的高应力发生叠加，则叠加后的应力高峰区位置会在采动的影响下释放较大弹性能，诱发冲击。因此可通过监测煤体应力评价断层构造型冲击地压的危险性。

图11 应力叠加示意

综上所述，工作面在断层影响区应加强微震监测和采动应力监测，发现危险，及时预警，及时采取相关措施。特殊情况下，工作面停产撤人。

4 主要结论

(1)断层的存在扰乱了地应力场的分布，断层使工作面超前支承压力产生了显著的不连续。

(2)断层延展长度越长，发生活化时释放的能量就越大，能量的最大震级越大。断层落差越大，断层活化时释放能量就越大。

(3)倾向断层活化具有明显的周期性，走向断层活化程度取决于断层自身性质和上下盘应力差。

(4)软弱断层强度不大，常发生连续蠕滑，一般不会发生断层冲击地压;对于断层面较粗糙，咬合力较大的坚硬断层，常出现大能量的微震事件，引发断层冲击地压。

(5)为了防止断层构造型冲击地压，首先应优化采掘工作面布置，其次加强采掘工作面隐伏断层的探测及活化监测，提前卸压。

［1］陈法兵.采动影响下断层活化规律及其对冲击地压的影响［D］.北京:煤炭科学研究总院开采设计研究分院，2012.

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