Research on quantitative monitoring of underground fault activity and its influence on rock burst
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摘要:
为建立断层活动与冲击地压之间的定量关系，实现煤矿冲击地压有效防控。通过理论分析义马矿区地质构造环境，以及耿村煤矿13200工作面与断层影响带的相对位置关系，研究了断裂构造对冲击地压的宏观控制作用。计算了井田构造应力并进行了构造应力区划分，分析了构造应力分区对冲击地压的控制作用。提出了井下断层活动性的定量监测方法，构建了“震源区煤岩体与动力核区尺度等量，震源能量随传递距离逐渐衰减”的模型，建立了大能量微震事件与断层活动的关系，确定了断层活动性对冲击地压的影响。研究结果表明：义马煤田内相对复杂的逆冲推覆构造体系，构成了义马矿区冲击地压的地质构造背景条件。F16断层的影响带范围为7 000～7 600 m，13200工作面全部处于F16断层的影响带内，在开采活动的影响下进一步增大了冲击地压的发生危险。Ⅰ-2断裂、Ⅲ-4断裂和Ⅳ-7断裂等控制的区域是冲击地压和大能量微震事件显现的主要区域，且冲击地压和大能量微震事件大多位于应力梯度区范围内。在大能量微震事件孕育和发生期间，F16断层位移分别增长50 mm和45 mm；大能量微震事件发生前，断层活动拉力的增幅均相对最高，分别为2.58 kN和2.93 kN，断层位移量的快速增加和较高的应力增幅构成了大能量微震事件的主要能量来源。表明大能量微震事件和冲击地压的发生均与断层的活动联系紧密。井下断层的实际定量监测方法可以广泛应用于矿井冲击地压预测与防控的指导工作中。
Abstract:In order to establish a quantitative relationship between fault activity and rock burst, realize the effective prevention and control of rockburst. We analyzed the geological structure environment of rockburst in Yima mining area theoretically, and analyzed the relative position relationship between panel 13200 and fault influence zone in Gengcun coal mine by taking the evaluation method of geo-dynamic conditions of rockburst. We further discussed the macro-control effect of the fault structure on rock burst. On this basis, we calculated the tectonic stress in the minefield and divided the tectonic stress into different zones, and analyzed the control effect of tectonic stress on rockburst. We designed the actual quantitative monitoring method of underground fault, monitored the activity of F16 fault in Gengcun mine field directly, analyzed the changes of fault displacement and stress increase during the preparation and occurrence of high-energy microseismic events quantitatively. We constructed a model of “the scale of coal and rock mass in the focal area is equal to that of the dynamic core area, and the energy of the focal area gradually attenuates with the transmission distance,” which provides an important tool for establishing the relationship between large-energy microseismic events and fault activities, establishes the relationship between high-energy microseismic events and fault activities, and determines the influence of fault activity on rock burst. The research results show that in Yima coalfield, the complex thrust nappe structure system constitutes the geological tectonic background of rockburst in Yima mining area. The width of F16 fault influence zone is 7 000 to 7 600 m, and the whole panel 13200 is within the influence zone of F16 fault, which further increases the risk of rockburst under the influence of mining activities. The areas controlled by Ⅰ-2 fault, Ⅲ-4 fault and Ⅳ-7 fault are the main areas for the occurrence of rockburst and large energy microseismic events in Gengcun Coal Mine. Most of the rockburst and large energy microseismic events are located in stress gradient areas. During the preparation and occurrence of large energy microseismic events, the displacement of F16 fault increased by 50 mm and 45 mm respectively. Before the two large energy microseismic events occur, the increase of fault activity tension are relatively the highest, which are 2.58 kN and 2.93 kN. The rapid increase of fault displacement and higher stress increase constitute the main energy source of large energy microseismic events. The occurrence of large energy microseismic events and rockburst are closely related to the activity of faults. The actual quantitative monitoring method of underground faults can be widely used in the guidance of mine rockburst prediction and prevention and control.
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0. 引 言
冲击地压是世界范围内最严重的矿井动力灾害之一，同时受到特定地质条件和开采活动的影响[1]。断层是冲击地压矿井中的主要地质构造，其活化将对冲击地压的发生产生重要影响[1]。针对断层的活化规律及对冲击地压的影响，学者们采用不同方法，从不同角度开展了相关研究，取得了丰硕的成果：潘一山等[2]认为断层冲击地压源于断层带与上下盘围岩系统的变形失稳，并建立了稳定性判别准则和粘滑失稳模型。曹安业等[3]通过数值模拟和理论分析，研究了邻地堑开采条件下冲击地压的致灾机制，得到顶板结构阻碍了工作面支承压力向岩体深部转移，导致断层处应力集中和煤柱区弹性能量积聚的结论。魏世明等[4]通过数值模拟研究了正断层的上、下盘开采过程中的冲击地压危险性，得到了工作面与断层的距离与断层活化程度和冲击地压危险性的关系。李一哲[5]运用理论分析和数值模拟，研究了断层控制下的覆岩结构特征、扰动规律和冲击机制。王同旭等[6]采用理论分析和数值模拟，研究了采动影响下的断层活化趋势、能量释放和对冲击地压的影响。苗海周[7]用数值模拟研究了采场顶板稳定性和冲击地压危险性，认为正断层工作面与断面距离小于开采高度时可能导致冲击地压。张宁博等[8]研究了F16断层对义马矿区冲击地压的影响，得到断层卸载时正应变和剪应变呈突降→突增→稳定的趋势。田雨桐等[9]分析了断层活化的影响因素，揭示了采动环境下断层构造的致冲机理。蔡武等[10]研究了以采动应力和矿震动载为主的断层活化类型，并分析了其力学机制和动静载叠加诱冲机理。任政等[11]运用数值模拟方法，根据G-R地震活动幂次分布规律和微震监测数据，分析了开采扰动下逆断层冲击地压矿震活动的时空分布规律。李忠华等[12]构建了“断层−煤柱”变形系统，得到了断层错动型冲击地压的发生条件。曾林生等[13]采用数值模拟方法，研究了采动影响下断层活动诱发煤矿冲击地压的机理。贺志龙[14]采用数值模拟方法，揭示了断层活化规律和其对冲击地压的影响。吕进国等[15]基于逆断层形成机制，运用理论分析、相似材料模拟等方法，揭示了逆断层对冲击地压的诱导机制。曹明辉等[16]运用理论分析和数值模拟等方法，研究了断层煤柱宽度对断层活化失稳与断层煤柱内部能量变化的影响。廖志恒[17]采用数值模拟分析方法，研究了断层对深井巷道围岩应力变化的影响，得出掘进工作面冲击地压发生危险的规律。王宏伟等[18]采用相似材料模拟和数值模拟等方法，分析了开采扰动下断层滑动面切应力的动态演化特征，研究了断层滑移失稳诱冲机理及前兆信息。
在上述研究中，主要应用理论分析、数值模拟和相似材料模拟等方法对断层活动性和活化规律进行研究，建立断层活动与冲击地压之间的联系。目前，大多数相关研究是从间接角度和定性角度开展，从直接角度和定量化角度开展研究的报道相对较少，可支撑的数据尚不充分。为了建立断层活动与冲击地压之间的定量关系，在分析义马矿区产生冲击地压的地质构造环境基础上，采用冲击地压地质动力条件评价方法计算F16断层影响带的范围，采用地质动力区划方法划分耿村井田内的断裂构造，进行构造应力分区，研究构造断裂和高构造应力对矿井冲击地压的控制作用。开展F16断层活动性的井下定量监测工作，定量监测大能量微震事件孕育和发生期间断层活动位移量和应力增长幅度，分析大能量微震事件的主要能量来源，建立大能量微震事件与断层活动的定量关系，确定断层活动性对冲击地压的影响。以期为耿村煤矿13200工作面和类似条件工作面冲击地压预测和防控工作提供指导。
1. 矿井概况及地质构造环境分析
1.1 矿井概况
耿村煤矿位于河南省三门峡市渑池县境内，区域主体位于义马向斜的北翼，整体呈现向南倾斜的单斜构造。在煤矿南部边界，地层局部直立或倒转。F16为区域性逆冲断层，断层经耿村井田南缘通过，为井田深部边界断层。耿村煤矿主要开采2-3煤层，现开采13采区，煤层平均厚度19.3 m。采用走向长壁后退式采煤方法和综采放顶煤工艺，采用全部垮落法管理顶板。13200工作面位于13采区，工作面长度243 m，走向长度718 m，F16断层推覆构造对2-3煤层厚度及结构具有较大影响，随着耿村煤矿13200工作面运输巷及工作面的推进，已穿过F16断层推覆影响带。F16断层在耿村井田范围内沿近东西方向（195°）延伸，断层平均倾角50°。F16断层与耿村井田13采区的相对位置关系如图1所示。
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图 1 F16断层与耿村井田13采区的相对位置关系Figure 1. Relative positional relationship between F16 fault and 13th mining area of Gengcun mine field截至目前，耿村煤矿累计发生冲击地压（包括大能量微震事件）34次，给矿井安全生产造成了严重影响。
1.2 区域地质构造环境分析
义马煤田由东北部的岸上平移断层、西北部的扣门山—坡头断层及南部边界的南平泉断层和F16断层所组成的三角形断块构成，大体组成一个不完整的向斜，如图2所示。华北板块南缘中生代以来经历了强烈的构造挤压作用，形成了复杂逆冲推覆构造体系。
耿村煤矿位于此构造板块中，必然会受到板块构造运动的影响。冲击地压等矿井动力灾害的发生可以说是现代构造运动和现代构造应力场的具体显现[19]。
2. F16断层对耿村井田冲击地压控制作用的理论分析
2.1 断层影响带对冲击地压的控制作用分析
罗浩和田富军等[20-21]运用理论和模拟等方法分析了F16断层形成机理及其诱发冲击地压机理，认为F16断层的形成是由于应力的叠加，并对义马矿区冲击地压的发生起控制作用，开采扰动将导致F16断层活化，并诱发严重的冲击地压灾害。根据统计结果，义马矿区92.5%的冲击事件发生在距F16断层小于1 000 m的范围内[8,22]。对于耿村煤矿，大部分冲击事件集中在离F16断层较近的工作面，并且98.15%的冲击地压发生在距F16断层小于868 m的区域，77.78%的冲击地压发生位置距F16断层小于537 m[8]。
根据冲击地压地质动力条件评价方法[23-24]，断层带的影响范围如式（1）所示。
$$ b = 10 k h $$ (1) 式中：k为活动性系数（k=1，2，3），断裂活动性强时k=3，中等时k=2，弱时k=1；h为断裂垂直落差，m。
耿村煤矿13采区附近F16断层落差为350～380 m。F16断裂具有中等活动性[23-24]，根据式（1）计算方法，其影响带范围为7 000～7 600 m。根据工作面与F16断层的相对位置关系，13200工作面全部处于F16断层的影响带内。在F16断层的影响下，工作面的开采活动容易使断层上下盘产生错位和滑移，引起冲击地压等矿井动力灾害的发生。
2.2 区划断裂对冲击地压的控制作用分析
由于板块研究的尺度标准和空间范围较大，目前尚不能直接应用于解决矿山开采工程出现的动力灾害问题。地质动力区划理论的提出，将研究范围划定至井田尺度上，建立了现代构造运动与工程应用之间的联系[24-27]。
采用地质动力区划方法[24-27]划分了耿村井田内的断裂构造。根据Ⅴ级区划图确定的断块构造边界，建立耿村井田地质构造模型，为井田构造应力计算和分区奠定了基础。同时将耿村煤矿已发生的冲击地压（包括大能量微震事件）与地质构造模型相结合，如图3所示。
已发生在耿村井田内的34次冲击地压（包括大能量微震事件）主要分布在3个区域：①Ⅰ-2断裂、Ⅴ-9断裂和Ⅴ-13断裂包围区域；②Ⅰ-2断裂、Ⅳ-7断裂、Ⅴ-11断裂和Ⅴ-14断裂包围区域；③Ⅰ-2断裂、Ⅲ-4断裂和Ⅴ-17断裂包围区域。在各级区划断裂中，Ⅰ-2断裂与地质界和地震界已查明的新安断裂和鲁叶断裂联系紧密，该断裂横穿耿村井田中部，由于其规模大，影响范围广，对耿村井田的地质动力环境具有重要影响。Ⅰ-2断裂、Ⅲ-4断裂、Ⅳ-7断裂、Ⅴ-9断裂、Ⅴ-11断裂、Ⅴ-13断裂、Ⅴ-14断裂和Ⅴ-17断裂对耿村井田冲击地压和大能量微震事件的发生具有控制作用。
2.3 构造应力分区对矿井冲击地压的影响
依据耿村井田的地应力测量结果，最大水平主应力为13.83 MPa，方向N36°E。应用自主研发的“岩体应力状态分析系统”软件，依据最大水平主应力测定结果，进行耿村井田构造应力计算。根据计算结果，耿村井田内2-3煤层顶板水平最大主应力为9～21 MPa，按岩体应力分布情况和应力大小进行构造应力区的划分，划分为高应力区、应力梯度区和低应力区。当应力集中系数k>1.2时，主应力等值线圈定的范围为高应力区；当k<0.8时，主应力等值线圈定的范围为低应力区；应力梯度区位于高应力区与正常应力区之间。在高应力区和应力梯度区内，岩体承受较高的应力，岩体脆性增大、破坏强度降低，容易诱发冲击地压；处于低应力区范围内的岩体，不易产生能量的积聚，冲击地压发生危险性最低[23,27]。
将耿村煤矿已发生的冲击地压（包括大能量微震事件）与井田构造应力划分结果进行合并，如图4所示。在已发生的34次冲击事件中，位于应力梯度区的有20次，占比58.8%；位于应力正常区的有9次，占比26.5%；位于低应力区的有5次，占比14.7%。由此表明，耿村煤矿冲击地压（大能量微震事件）大多位于应力梯度区，高构造应力对矿井冲击地压具有控制作用。
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图 4 2-3煤层顶板构造应力区划分与冲击地压（大能量微震事件）位置Figure 4. Division of tectonic stress zone and location map of rockburst (large energy microseism event) in roof of 2-3 coal seam3. 耿村煤矿F16断层活动性的井下定量监测
3.1 监测方案设计与现场施工
3.1.1 断层活动性监测内容及监测地点
对F16断层活动性的井下实际监测内容包括对位移监测和拉力监测2个部分。应用贴好刻度尺的测管，进行位移监测；应用加长锚索和锚索测力计，进行拉力监测。监测地点为13200工作面运输巷距开切眼145～160 m处。测区布置如图5所示，监测时间为2021年1月25日至2021年4月1日，至测力计和测管全部失效时结束。
3.1.2 断层活动性监测方案
在测区内向三叠系坚硬顶板施工监测钻孔，定量测定煤岩交界面拉力和位移的变化量。13200工作面测区测孔施工剖面模型如图6所示。
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图 6 13200工作面测区测孔施工剖面模型Figure 6. Profile model of borehole construction in monitoring area of panel 13200 working face在测区内沿走向布置4个测试钻孔。A、B测孔布置形式相同，用于断层活动的拉力测定；C、D测孔用于断层活动的位移测定。在C测孔中，测管的锚固端穿过煤岩交界面，固定在岩层中；在D测孔中，测管的锚固端固定在靠近煤岩交界面附近的煤层中，测孔布置方案如图7所示。根据与断层的相对位置，测点C测管锚固端在F16断层的上盘岩层中，测点D测管锚固端在F16断层的下盘煤层中。当断层面产生滑动时，C、D测孔必然产生读数上的差异，两者的读数差值可视为F16断层上下盘位移变化量，因此可根据C、D测孔的读数差值计算断层的位移量。
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图 7 13200工作面测区测孔布置方案Figure 7. Layout plan of monitoring holes in monitoring area of No.13200 working face在每个测试孔中，在距离孔底6 m处设置挡片和封孔袋；将锚索或测管的锚固端送入孔底，用注浆泵向锚固端注水泥浆，将锚固端固定。
当拉力测孔安装完毕后，待水泥浆完全固化，用拉拔器测试锚索是否满足要求，若满足安装锚索锁具；在锚索外端安装锚索测力计，用于测量煤岩交界面产生滑动后的拉力变化。
当位移测孔安装完毕后，将测管最外端标记刻度，用于测量煤岩交界面产生滑动后的位移变化。
拉力测管A从2021年1月25日开始监测，初始读数为6.30 kN，2021年4月1日，测力计A损坏，监测工作结束，末次读数为65.30 kN。拉力测点A监测结束时距离工作面10.2 m。
拉力测管B从2021年1月25日开始监测，初始读数为5.80 kN，至2021年3月7日，测力计B损坏，监测工作结束，末次读数为105.96 kN。拉力测点B监测结束时距离工作面21.2 m。
位移测管C、D从2021年1月26日开始计数，至2021年3月7日，由于巷道维修，导致测管损坏，位移监测工作结束，监测结果见表1。
表 1 F16断层活动性监测期间的断层位移量监测结果Table 1. F16 fault displacement monitoring results during fault activity monitoring日期（月−日） C测点与
工作面距离/mC测管外露长度
变化量/mmD测管外露长度
变化量/mmF16断层
位移/mm备注 01−25 45.0 0 0 0 1月29日对应F16断层煤岩交界面滑移量为−5 mm，分析原因是安装初期，监测仪器位移与巷道表面位移需要经过一段适应期，产生的数据波动，分析时可排除此数据 01−29 42.6 15 20 −5 01−31 41.0 25 20 5 02−02 39.4 25 20 5 02−06 37.0 85 30 55 02−19 29.8 165 110 55 02−22 27.4 165 110 55 02−26 25.0 165 110 55 03−02 21.8 185 130 55 03−05 19.4 195 130 65 03−06 18.0 230 130 100 03−07 18.0 230 130 100 3.2 大能量微震事件与断层活动的关系分析
3.2.1 大能量微震事件与冲击地压关系分析
冲击地压的发生是时间和空间的相互统一，在冲击地压发生的过程中，常伴生着较高能量的微震事件。当某一区域出现大能量微震事件后，特别是对于矿井冲击地压临界能量以上的“高能量”微震事件，表明煤岩体具备冲击地压发生的可能，具备冲击地压发生的能量基础，该区域或一定范围内的煤岩体经过一段时间的能量积聚后，具备发生冲击地压或再次发生大能量微震事件的危险[23,25,28]。
根据统计规律，普遍认为106 J为我国煤矿冲击地压发生的临界能量[25]。对较高能量微震事件的准确预测预报是预警冲击地压的关键所在[23,28-29]。
在开展断层活动性井下实际监测期间，运输巷附近的煤体于2月10日和3月6日分别出现1次大能量微震事件（能量106 J以上），这2次微震事件的详细信息如图8和表2所示。
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图 8 断层活动性监测期间大能量微震事件分布Figure 8. Distribution of high-energy microseismic events during fault activity monitoring表 2 断层活动性监测期间大能量微震事件信息统计Table 2. Information statistics of the high-energy microseismic events during fault activity monitoring序号 发生日期 发生时刻 事件地点 距离测区中心点距离/m 能量/J 1 2021−02−10 09:59:45 距离开切眼328.6 m，运输巷以下48.9 m，
顶上68 m的煤体中182.8 7.10×106 2 2021−03−06 15:41:59 距离开切眼449.2 m，运输巷以下1.3 m，
顶上56 m的煤体中296.7 1.20×106 3.2.2 断层活动性监测结果分析
对于煤岩体释放能量的计算，可用断层活动产生的位移量与区域煤岩体的拉力增幅的积分结果进行表示。在大能量微震事件的孕育和发生期间，断层活动产生的位移量监测结果见表1。2月2日至2月6日，断层位移量由5 mm迅速增至55 mm，增长幅度为50 mm，此后近1个月时间内断层未产生新的位移量。表明2月10日发生的大能量微震事件，其能量来源之一是2月2日至2月6日断层位移量的迅速积累；3月2日至3月6日，断层位移量由55 mm增至100 mm，增长幅度为45 mm，构成了3月6日大能量微震事件的断层位移基础。与其他时间段相比，这2次大能量微震事件孕育期间的断层活动位移增长幅度显著增大。
大能量微震事件的另一项能量来源是相对较高的应力增幅。A、B两测点的拉力增幅监测结果见表3和图9。根据微震监测结果，在大能量微震事件的孕育期间，发生其他单次微震事件的能量为1.5×103～5.4×104 J，能量相对较小。断层活动性拉力监测每2 h读数1次，2月10日8：00和3月6日14：00（即2次大能量微震事件发生前的整点读数），A、B两测点对于拉力增幅的监测结果均相对最高，分别为2.58 kN和2.93 kN。这也为大能量微震事件的发生提供了应力基础。
表 3 A、B两测孔的拉力增幅监测结果Table 3. Monitoring results of tension increase at measuring points A and B日期（月−日） A测孔拉力
增幅/kNB测孔拉力
增幅/kN断层活动拉力监测
平均增幅/kN01−25 0 0.17 0.09 01−29 0.46 1.56 1.01 01−31 0.86 0.91 0.89 02−02 0.17 0.3 0.24 02−06 0.15 2.65 1.40 02−10 2.28 2.87 2.58 02−19 0.33 2.62 1.48 02−22 0.55 2.86 1.71 02−26 0.98 2.44 1.71 03−02 1.46 1.47 1.47 03−05 0.97 2.44 1.71 03−06 0.98 4.88 2.93 03−07 1.13 2.93 2.03 为方便后续分析计算，将监测点的拉力与应力进行换算，锚索承受拉力与应力的转换关系如式（2）所示[30]：
$$ \mathop R\nolimits_0 = \mathop \eta \nolimits_0 n \mathop S\nolimits_{\mathrm{n}} \mathop R\nolimits_{\mathrm{m}} $$ (2) 式中：R0为锚索承受的拉力，N；η0为锚具效率系数（取0.95）；n为钢绞线根数；Sn为单根钢绞线参考截面面积，mm2；Rm为锚索承受的应力，MPa。
由式（2）计算得到，监测锚索承受拉力与应力的转换关系可表示为Rm=2.86R0或R0=0.35Rm。
因此，根据A、B两个测孔的监测结果和式（2）所示的转换结果，大能量微震事件发生期间的断层拉力增幅和应力增幅监测结果见表4。
表 4 大能量微震事件发生期间的断层拉力增幅和应力增幅监测结果Table 4. Monitoring results of fault tension amplitude and stress amplitude during high-energy microseismic events日期（月−日） A测孔拉力
增幅/kNA测孔应力
增幅/MPaB测孔拉力
增幅/kNB测孔应力
增幅/MPa02−10 2.28 6.52 2.87 8.20 03−06 0.98 2.80 4.88 13.96 3.2.3 大能量微震事件与断层活动的关系分析
前已述及，对于煤岩体释放能量的计算可用断层活动产生的位移与区域煤岩体的拉力增幅的积分结果进行表示，而区域煤岩体的拉力增幅可由单点的应力增幅和受断层活动影响区域煤岩体的面积进行积分计算得到。因此确定受断层活动影响区域煤岩体的面积是计算上述2次大能量微震事件能量来源的关键。
为冲击地压等矿井动力灾害提供能量及受到影响的煤岩体构成了“煤岩动力系统”，冲击地压的影响范围可以通过煤岩动力系统进行描述，对于研究冲击地压孕育、发生和发展过程具有重要意义。将煤岩动力系统的结构假定为“球形体”进行研究，煤岩动力系统的结构由内向外可以划分为动力核区、破坏区、损伤区和影响区。动力核区为冲击地压震源激发区，动力灾害释放的能量全部汇聚于动力核区内。破坏区、损伤区和影响区尺度的确定均以动力核区尺度为基础[23,25,31-32]。
因此，为计算受断层活动影响区域煤岩体的等效面积，以“煤岩动力系统”模型为基础，构建“震源区煤岩体与动力核区尺度等量，震源能量随传递距离逐渐衰减”的模型进行计算，模型示意如图10所示。“煤岩动力系统”动力核区的面积与受断层活动影响区域煤岩体的等效面积相等。分析思路如下：① 根据2次大能量微震事件的位置和能量值，构建煤岩动力系统模型，分别计算动力核区半径，进而计算得到受断层活动影响区域煤岩体的等效面积；② 根据动力核区中心距离测区中心距离和能量衰减计算公式，反演震源区的能量值；③ 根据断层活动性的位移和应力监测结果，结合等效面积计算结果，计算震源区的能量值；④ 将②、③步的计算结果进行对比，若计算结果和反演结果相等或相近，则表明模型构建合理。
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图 10 受断层活动影响区域煤岩体的等效面积计算模型Figure 10. Calculation model for equivalent area of coal and rock mass in area affected by fault activity煤岩动力系统半径计算结果如式（3）所示，能量衰减计算公式如式（4）所示，震源激发区的能量计算如式（5）所示，13200工作面煤岩体物理力学参数测试结果见表5。
表 5 13200工作面煤岩体物理力学参数测试结果Table 5. Test results of physical and mechanical parameters of coal and rock mass of panel 13200 working face序号 岩层 视密度/
（kg·m-3）单轴抗压强度/
MPa单轴抗拉强度/
MPa内摩擦角/(°) 黏聚力/MPa 弹性模量/GPa 泊松比 1 煤层 1 344 12.12 0.80 43.53 2.08 3.82 0.25 2 顶板岩层 2 697 51.62 4.67 47.47 4.66 32.31 0.24 $$ R = \sqrt[3]{{\frac{{3E(1 - \mu )\Delta U}}{{2\pi [2\mathop \mu \nolimits^2 (\mathop K\nolimits_1 \mathop K\nolimits_2 + \mathop K\nolimits_1 \mathop K\nolimits_3 + \mathop K\nolimits_2 \mathop K\nolimits_3 + 1) - \mu (2\mathop K\nolimits_1 \mathop K\nolimits_2 + 2\mathop K\nolimits_1 \mathop K\nolimits_3 + 2\mathop K\nolimits_2 \mathop K\nolimits_3 + \mathop {\mathop K\nolimits_1 }\nolimits^2 + \mathop {\mathop K\nolimits_2 }\nolimits^2 + \mathop {\mathop K\nolimits_3 }\nolimits^2 - 1) + \mathop {\mathop K\nolimits_1 }\nolimits^2 + \mathop {\mathop K\nolimits_2 }\nolimits^2 + \mathop {\mathop K\nolimits_3 }\nolimits^2 - 1] \mathop \gamma \nolimits^2 \mathop H\nolimits^2 }}}} $$ (3) 式中：R为煤岩动力系统“动力核区”半径，m；E为煤岩体的弹性模量，GPa；H为煤岩体的埋藏深度，m；μ为煤岩体的泊松比；ΔU为大能量微震事件的能量值，J；γ为煤岩体容重的平均值，N/m3；k1为最大主应力与垂直应力的比值；k2为中间主应力与垂直应力的比值；k3为最小主应力与垂直应力的比值。
$$ \mathop E\nolimits_{\text{r}} = \mathop E\nolimits_0 \mathop {\mathrm{e}}\nolimits^{ - \alpha r} $$ (4) 式中:Er为测点处的能量值，J；E0为震源区的能量值，J；α为能量衰减指数；r为微震点距离测区中心点距离，m。能量传递受多种因素影响，根据相关文献统计结果[33-36]，在本文中能量衰减指数取值0.007 5。
$$ U = \int \int \int \sigma \Delta xS $$ (5) 式中:U为震源区煤岩体的能量值计算结果，J；σ为断层监测的应力增幅，MPa；Δx为断层位移，m；S为受断层活动影响区域煤岩体的等效面积，m2。
13200工作面煤体的埋藏深度为607 m，根据地应力测量结果，k1取值0.89，k2取值1，k3取值0.47，体积力取值
25600 N/m3。2次大能量微震事件均发生在煤体中，将表5中的煤层参数测试结果代入式（3）和式（4），计算得到2月10日大能量微震事件对应的煤岩动力系统“动力核区”半径为5.57 m，受断层活动影响区域煤岩体的等效面积为97.42 m2，能量衰减系数为0.254；3月6日大能量微震事件对应的煤岩动力系统“动力核区”半径为3.08 m，受断层活动影响区域煤岩体的等效面积为29.79 m2，能量衰减系数为0.108。震源区能量值的反演结果和计算结果见表6。表 6 震源区能量值的反演结果和计算结果Table 6. Inversion results and calculation results of energy values in source area序号 日期（年−月−日） 监测能量/J 能量衰减系数 震源激发区的
能量反演值/JA测孔能量
计算值/JB测孔能量
计算值/JA、B测孔能量
计算平均值/J1 2021−02−10 7.10×106 0.254 2.80×107 3.18×107 4.00×107 3.59×107 2 2021−03−06 1.20×106 0.108 1.11×107 3.76×106 1.87×107 1.12×107 根据表6所示结果，2月10日大能量微震事件的震源区能量反演值为2.80×107 J，A测孔的能量计算值为3.18×107 J，B测孔的能量计算值为4.00×107 J，平均值为3.59×107 J，反演值与计算值位于同一数量级；3月6日的能量反演值为1.11×107 J，A测孔的能量计算值为3.76×106 J，B测孔的能量计算值为1.87×107 J，平均值为1.12×107 J，反演值与计算值基本一致。
由此表明，大能量微震事件的发生与断层的活动联系紧密，与断层活动产生的位移和应力增幅的积分结果呈正相关。构建的“震源区煤岩体与动力核区尺度等量，震源能量随传递距离逐渐衰减”模型可以较为准确反映两者之间的联系。与震源区能量反演值相比，震源区能量计算值略高的主要原因有2点：① 能量衰减系数取值源于经验，存在误差；② 煤岩体积累的能量主要以大能量微震进行释放，同时还伴随一些能量较小的微震事件，计算过程中未予计算。
3.2.4 高能微地震事件与开采的关系分析
在确定高能微震事件受断层活动控制的同时，有必要分析工作面开采对微震事件的影响。微震监测结果可以反映出工作面超前支承压力的分布情况[37-38]。因此，在工作面超前支承压力影响范围内的微震事件将受到工作面开采的影响。2次高能微震事件发生时，微震事件点与测区中心点距工作面的距离如图11和表2所示。数值模拟是计算工作面超前支承压力影响范围的常用方法[39]。根据数值模拟结果，13200工作面超前影响范围为170 m，超前支承压力峰值点为工作面前方33 m[40]。2次高能微震事件距离13200工作面分别为222.83 m和322.21 m，均在工作面超前影响范围外。这表明，2次大能量微震事件的发生主要受断层活动的影响，工作面开采对2次微震事件发生未产生直接影响。
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图 11 微震事件点、测区中心点与工作面距离示意Figure 11. Schematic of distance between microseismic event points, center point of survey area and working face3.2.5 断层活动对冲击地压的影响分析
2月10日和3月6日的2次大能量微震事件，监测能量值均高于106 J，高于我国煤矿冲击地压发生的临界能量[25]，表明煤岩体具备冲击地压发生的能量基础，该区域或一定范围内的煤岩体经过一段时间的能量积聚后，具备发生冲击地压的危险[23,25,29]。根据上述分析结果，断层活动是这2次大能量微震事件的主要影响因素，因此，F16断层的活动对耿村井田冲击地压的发生产生重要影响。
3.3 断层活动性随工作面开采的变化规律分析
3.3.1 监测点拉力与应力数据分析
监测点对断层位移和拉力载荷监测原始数据分别如图12和图13所示。
2021年1月25日至2021年4月1日期间，监测过程中测孔A拉力值由初始值6.3 kN增至65.3 kN，增长59 kN，比初始值增长了10.4倍，总体增长趋势平稳，在此期间工作面开采37 m。2021年1月25日至2021年3月7日，测孔B拉力值由初始值5.8 kN增至105.96 kN，增长100.16 kN，比初始值增长17.3倍，增长幅度较大，期间工作面开采了27 m。
对比两拉力测点的读数，测孔A拉力增长相对稳定，幅度较小，增长速度较小；测孔B拉力增长不连贯，有间断，但增长幅度较大，拉力增长较快。测点A与测孔B的拉力增幅和变化趋势存在差异，主要由于测孔孔深存在差异、岩性不均匀分布等原因所致。A、B两监测孔拉力与工作面距离的关系如图14所示。
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图 14 监测点的拉力与工作面距离的关系Figure 14. Relationship between tension of monitoring points and distance of working face根据图14所示结果，随着工作面的开采，工作面与测孔A和测孔B的距离逐渐减小，监测的拉力和应力均呈现明显的线性增长，通过数据拟合得到A、B两个监测孔的拉力与工作面距离的关系，分别如式（6）和式（7）所示；通过数据转换得到A、B两个监测孔的应力与工作面距离的关系，分别如式（8）和式（9）所示：
$$ {{\displaystyle F}}_{{\mathrm{A}}}=1.242\;1{{\displaystyle X}}_{{\mathrm{A}}}+72.32 $$ (6) 式中：FA为测孔A的拉力监测值，N；XA为测孔A距工作面距离，m。
$$ \mathop F\nolimits_{\mathrm{B}} = 4.725\;6\mathop X\nolimits_{\mathrm{B}} + 195.96 $$ (7) 式中：FB为测孔B的拉力监测值，N；XB为测孔B距工作面距离，m；
$$ \mathop P\nolimits_{\mathrm{A}} = 3.499\;2\mathop X\nolimits_{\mathrm{A}} + 206.58 $$ (8) 式中，PA为测孔A的应力监测值，MPa。
$$ \mathop P\nolimits_{\mathrm{B}} = 11.12\mathop X\nolimits_{\mathrm{A}} + 491.52 $$ (9) 式中，PB为测孔B的应力监测值，MPa。
由式（6）和式（8）得到，工作面每开采1 m，测孔A的锚索拉力增加1.24 kN，锚索应力增加3.50 MPa。
由式（7）和式（9）得到，工作面每开采1 m，测孔B的锚索拉力增加4.73 kN，锚索应力增加11.12 MPa。
由此表明工作面开采引起F16断层活动，锚索拉力和应力都有较大幅度的增加，对工作面矿压显现和冲击地压将产生重要影响。
3.3.2 监测点位移量数据分析
2021年1月26日至2021年3月7日为C、D测孔监测期，期间工作面开采了27 m。测孔C测管读数由1 625 mm变化至1 395 mm，位移为230 mm，测点D测管读数由1 230 mm变化至1 100 mm，位移量为130 mm，表明监测期间F16上下盘位移变化量为100 mm。随着工作面的开采，工作面与位移测孔C、D的距离逐渐减小，断层位移呈现线性增长趋势。监测期间F16上下盘位移变化量为100 mm，当工作面距离监测点40 m开始，监测点位移增幅明显；工作面每开采1 m，断层位移增加5.3～8.5 mm。
由此表明，13200工作面的开采引起了F16断层活动，使断层的上下盘出现位移。监测点位移监测结果与测点距工作面距离的关系如图15所示。
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图 15 监测点位移与测点离工作面距离的关系Figure 15. Relationship between displacement monitoring results of monitoring points and distance between measuring points and working face3.3.3 工作面开采对断层活动的影响分析
根据上述分析结果，工作面开采会引起F16断层活动，工作面开采是造成断层活动的主要影响因素。前已述及，可用断层活动产生的位移与区域煤岩体的拉力增幅的积分结果表示煤岩体释放的能量。由3.2节研究所得，大能量微震事件的发生与断层活动产生的位移和应力增幅的积分结果呈正相关。因此断层活动与大能微震事件的发生联系紧密。
4. 结 论
1) 义马煤田经历了强烈的构造挤压作用，形成了复杂逆冲推覆构造体系，这是义马矿区产生冲击地压的地质构造背景条件。
2) 耿村煤矿13采区附近F16断层落差为350～380 m，具有中等活动性，F16断层影响带宽度为7 000～7 600 m，13200工作面全部处于F16断层的影响带内。在开采活动的影响下，F16断层活动性增加，进一步增大了工作面发生冲击地压的危险。
3) 采用地质动力区划方法划分了耿村井田内的断裂构造，并进行了构造应力分区。Ⅰ-2断裂、Ⅲ-4断裂和Ⅳ-7断裂等控制的区域是耿村煤矿冲击地压和大能量微震事件发生的主要区域，耿村煤矿冲击地压和大能量微震事件大多位于应力梯度区，表明高构造应力对矿井冲击地压具有控制作用。
4) 在耿村煤矿开展了F16断层活动性的井下定量监测工作。在2次大能量微震事件孕育和发生期间，F16断层活动位移增长幅度显著增大，分别增长50 mm和45 mm，表明断层位移的迅速积累是大能量微震事件的主要能量来源之一；在大能量微震事件发生前，断层活动拉力增幅的监测结果均相对最高，分别为2.58 kN和2.93 kN，较高的应力增幅是大能量微震事件的另一项能量来源。断层活动所造成的位移积累和应力增幅与大能量微震事件之间有着关联，对于冲击地压的防控具有重要的指导意义。
5) 明确了断层活动对冲击地压的影响。大能量微震事件的发生表明煤岩体具备冲击地压发生的能量基础，大能量微震事件的震源区能量反演值分别为2.80×107 J和1.11×107 J，测点能量计算结果的平均值分别为3.59×107 J和1.12×107 J，震源区能量反演值和计算值处于同一数量级，证明了F16断层的活动与耿村井田大能量微震事件的发生密切相关。因此F16断层的活动对耿村井田冲击地压的发生产生重要影响。
6) 在断层活动监测过程中，监测点的位移和应力都产生了较大的变化。监测过程中，拉力分别增长了10.4倍和17.3倍。位移分别变化了230 mm和130 mm，表明F16上下盘位移变化量为100 mm。工作面开采所造成的应力和位移积累为井田发生冲击地压提供了能量基础。
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图 1 F16断层与耿村井田13采区的相对位置关系
Figure 1. Relative positional relationship between F16 fault and 13th mining area of Gengcun mine field
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图 4 2-3煤层顶板构造应力区划分与冲击地压（大能量微震事件）位置
Figure 4. Division of tectonic stress zone and location map of rockburst (large energy microseism event) in roof of 2-3 coal seam
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图 6 13200工作面测区测孔施工剖面模型
Figure 6. Profile model of borehole construction in monitoring area of panel 13200 working face
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图 7 13200工作面测区测孔布置方案
Figure 7. Layout plan of monitoring holes in monitoring area of No.13200 working face
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图 8 断层活动性监测期间大能量微震事件分布
Figure 8. Distribution of high-energy microseismic events during fault activity monitoring
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图 10 受断层活动影响区域煤岩体的等效面积计算模型
Figure 10. Calculation model for equivalent area of coal and rock mass in area affected by fault activity
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图 11 微震事件点、测区中心点与工作面距离示意
Figure 11. Schematic of distance between microseismic event points, center point of survey area and working face
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图 14 监测点的拉力与工作面距离的关系
Figure 14. Relationship between tension of monitoring points and distance of working face
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图 15 监测点位移与测点离工作面距离的关系
Figure 15. Relationship between displacement monitoring results of monitoring points and distance between measuring points and working face
表 1 F16断层活动性监测期间的断层位移量监测结果
Table 1 F16 fault displacement monitoring results during fault activity monitoring
日期（月−日） C测点与
工作面距离/mC测管外露长度
变化量/mmD测管外露长度
变化量/mmF16断层
位移/mm备注 01−25 45.0 0 0 0 1月29日对应F16断层煤岩交界面滑移量为−5 mm，分析原因是安装初期，监测仪器位移与巷道表面位移需要经过一段适应期，产生的数据波动，分析时可排除此数据 01−29 42.6 15 20 −5 01−31 41.0 25 20 5 02−02 39.4 25 20 5 02−06 37.0 85 30 55 02−19 29.8 165 110 55 02−22 27.4 165 110 55 02−26 25.0 165 110 55 03−02 21.8 185 130 55 03−05 19.4 195 130 65 03−06 18.0 230 130 100 03−07 18.0 230 130 100 
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表 2 断层活动性监测期间大能量微震事件信息统计
Table 2 Information statistics of the high-energy microseismic events during fault activity monitoring
序号 发生日期 发生时刻 事件地点 距离测区中心点距离/m 能量/J 1 2021−02−10 09:59:45 距离开切眼328.6 m，运输巷以下48.9 m，
顶上68 m的煤体中182.8 7.10×106 2 2021−03−06 15:41:59 距离开切眼449.2 m，运输巷以下1.3 m，
顶上56 m的煤体中296.7 1.20×106
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表 3 A、B两测孔的拉力增幅监测结果
Table 3 Monitoring results of tension increase at measuring points A and B
日期（月−日） A测孔拉力
增幅/kNB测孔拉力
增幅/kN断层活动拉力监测
平均增幅/kN01−25 0 0.17 0.09 01−29 0.46 1.56 1.01 01−31 0.86 0.91 0.89 02−02 0.17 0.3 0.24 02−06 0.15 2.65 1.40 02−10 2.28 2.87 2.58 02−19 0.33 2.62 1.48 02−22 0.55 2.86 1.71 02−26 0.98 2.44 1.71 03−02 1.46 1.47 1.47 03−05 0.97 2.44 1.71 03−06 0.98 4.88 2.93 03−07 1.13 2.93 2.03
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表 4 大能量微震事件发生期间的断层拉力增幅和应力增幅监测结果
Table 4 Monitoring results of fault tension amplitude and stress amplitude during high-energy microseismic events
日期（月−日） A测孔拉力
增幅/kNA测孔应力
增幅/MPaB测孔拉力
增幅/kNB测孔应力
增幅/MPa02−10 2.28 6.52 2.87 8.20 03−06 0.98 2.80 4.88 13.96
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表 5 13200工作面煤岩体物理力学参数测试结果
Table 5 Test results of physical and mechanical parameters of coal and rock mass of panel 13200 working face
序号 岩层 视密度/
（kg·m-3）单轴抗压强度/
MPa单轴抗拉强度/
MPa内摩擦角/(°) 黏聚力/MPa 弹性模量/GPa 泊松比 1 煤层 1 344 12.12 0.80 43.53 2.08 3.82 0.25 2 顶板岩层 2 697 51.62 4.67 47.47 4.66 32.31 0.24
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表 6 震源区能量值的反演结果和计算结果
Table 6 Inversion results and calculation results of energy values in source area
序号 日期（年−月−日） 监测能量/J 能量衰减系数 震源激发区的
能量反演值/JA测孔能量
计算值/JB测孔能量
计算值/JA、B测孔能量
计算平均值/J1 2021−02−10 7.10×106 0.254 2.80×107 3.18×107 4.00×107 3.59×107 2 2021−03−06 1.20×106 0.108 1.11×107 3.76×106 1.87×107 1.12×107
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