1 采区概况

矿井二采区东部为六采区采空区，北部为采区集中皮带巷，南部为BG断层，西部为四采区准备回采工作面。采区煤层标高为-480～-600m，煤层平均倾角为9.5°，平均厚度为2.7m。煤层可采走向长度为790m，倾斜长度为219m。

采区范围内直接顶板为1.8m的中砂岩。基本顶为12.6m的细、粉砂岩互层，灰黑色，中部有裂隙发育。直接底为1.5m细砂岩，灰白色，完整。在距离工作面停采线123m处揭露一条逆断层，断层落差为3m，倾角为53°。

2 工作面冲击地压状况

根据对该矿一工作面9煤冲击倾向性鉴定结果，综合判定9号煤层属于弱冲击倾向性煤层。根据二采区工作面矿压灾害实录，工作面在生产过程中发生过多次冲击地压灾害。在2012年12月30日至2013年4月4日仅仅3个月的时间里，该片工作面回采过程中发生冲击地压的次数已经超过10次。其中2013年1月27日，工作面采煤机在下行割煤到82号支架时，由于顶板突然垮塌，造成临近两支架工作面人员受伤，81-83号支架产生底鼓量达到200mm，同时在工作面超前密集支护前方2m内，在短时间内产生200～800mm的底鼓量，同时造成工作面78-87号支架前方煤壁片帮，通过微震监测记录仪记录到冲击地压发生时能量达到1.97×106J，随着工作面不断向断层靠近，威震监测记录仪记录的能量有所增加。2013年3月11日，工作面回风巷道超前煤壁20m处发生巷道围岩大变形，监测到瞬间释放约2.7×107J的冲击能量，2台超前支架侧倾。2013年4月4日，综采工作面回风巷超前煤壁15m处发生冲击地压，超前支架往外24m发生巷道底鼓，监测能量达1.45×107J。

3 含断层工作面冲击失稳预测预警

根据矿方对该区域矿压观测记录分析，二采区工作面在回采过程中冲击地压事故频发，随着工作面不断接近断层，冲击地压发生的频率越来越高，并且伴随地压释放能量不断加大。为保障工作面的安全回采，需要采用科学的手段进行冲击地压的合理预测。本节用FLAC3D数值模拟软件，采用缺陷扰动引起分叉现象来预测断层冲击失稳，并结合现场电磁辐射监测数据实现对该采区工作面断层冲击失稳预测预警。

3.1 冲击失稳的数值模拟预测

 

表1 模型各层力学物理参数

  

剪胀角/°下粉砂岩 2250 19.6 11.2 3.5 3.2 35下细砂岩 2100 19 10 1.5 2.9 30 15煤层 1310 7.2 5.6 1.2 2.1 25上中砂岩1 2490 18.1 13.7 1.8 2.8 31上粉砂岩1 2500 30 21.2 3.2 3.5 34上中砂岩2 2330 27.3 18.6 2.8 3 32上粉砂岩2 2200 23.3 18.3 2 2.5 31断层 2000 4.2 2.5 0.1 0.4 10 12单元名称 密度kg/m3体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa内聚力/MPa内摩擦角/°

 

表2 煤层内聚力、内摩擦角及剪胀角与塑性应变的关系

  

塑性应变 内聚力/MPa 内摩擦角/° 剪胀角/°0 7.2 25 15 0.05 3.2 28 8 0.1 1 34 0 1 1 34 0

根据工作面推进进度，模拟过程中设置每次开挖2m，直到工作面到达断层，如图1和图2为监测点峰前扰动时断层面应力和位移分叉变化曲线，如图1、图2所示。

耕翻、浅旋、免耕秸秆还田条件下，小麦苗期杂草发生种类几乎没有差异，但耕翻秸秆还田在拔节前期杂草种类增加明显，杂草种类由7种增加到13种，增加接近1倍，分析认为这种变化可能由于耕翻扰动了土壤杂草种子库，将本来分布在土壤较深层的杂草种子移动在土壤浅层，有利于种子萌发。而浅旋、免耕表现一致，变化不大，这与樊翠芹等研究[9]一致。耕翻、浅旋无秸秆还田条件下， 虽然小麦苗期杂草发生种类较多，但是拔节前期杂草发生种类仍然显著增加，超过20种。

 

表3 断层弱单元内聚力、内摩擦角及剪胀角与塑性应变的关系

  

塑性应变 内聚力/MPa 内摩擦角/° 剪胀角/°0 0.4 10 12 0.05 0.2 14 6 0.1 0.01 20 0 1 0.01 20 0

 

表4 接触面的物理力学参数

  

法向刚度(GPa/m) 切向刚度(GPa/m) 内摩擦角/° 内聚力/MPa 2 2 15 0.01

  

图1 监测点2的位移变化曲线

  

图2 监测点2的应力变化曲线

从图1和图2中可以看出，当工作面距离断层35m左右，在数值模拟过程中，施加扰动时，断层面上监测点的位移和应力开始出现分叉，说明此时断层开始活化。图中可以发现，随着工作面接近断层，断层面监测点的位移和应力分叉现象越来越明显。当距离断层35m时，加扰动后监测1.01倍；而当距离断层6m时，加扰动后监测点2的位移为0.119m，是未扰动时的1.24倍，应力为28.2MPa，未扰动时的1.09倍，分叉现象明显。

CCD测量结果见表3。可见两组患者术后即刻CCD均较术前显著减少，差异有统计学意义（P＜0.05）。然而两组末次随访CCD均较术后即刻比较略有增加，但两时间点的差异均无统计学意义（P＞0.05)。术前两组间CCD差异无统计学意义（P＞0.05），但术后即刻和末次随访时钩板组的CCD均小于复合组，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

3.2 采区含断层工作面电磁辐射监测预警

研究证明，电磁辐射强度或脉冲数值明显由大变小，但一段时间后又突然增大。此种方式最为危险，特别是对于冲击地压，应立刻采取措施。

  

图3 冲击地压前后电碰辐射变化规律

有动力灾害危险时，工作面煤体电磁辐射信号强度比较强，脉冲数也比较高，都超过临界值；没有突出危险，煤体电磁辐射强度较弱，脉冲数较低，均低于临界值。图3为某工作面发生冲击地压前后电磁辐射变化情况。从图3可以看出，在3月8日夜间监测到电磁辐射强度和脉冲数明显增大，之后电磁辐射强度和脉冲数维持在高水平状态，说明此时有冲击危险性。

图4 为对7月份每日电磁辐射强度总值进行统计所得变化曲线图，工作面向前推进过程中，电磁辐射强度呈先增大后降低的变化，并在距断层42m时，电磁辐射强度迅速降低，距离断层37m时，电磁辐射强度降到最低值，之后电磁辐射强度又呈增加趋势。图5为同时间电磁辐射脉冲总值进行统计所得变化曲线图，工作面向前推进过程中，距断层42～37m时，脉冲数降低最快，之后又呈增加趋势。

  

图4电磁辐射强度随工作面回采变化曲线

本次监测采用KBD5矿用本安型煤与瓦斯突出（冲击地压）电磁辐射监测仪，对煤岩体进行定点长时实时监测和多点动态跟踪监测，对于回采工作面，上、下顺槽进行监测。对于现场工作面预测，以多点动态跟踪监测为主，每点监测时间为2～30min即可，如条件允许，最好进行长时定点监测。

式中，Qv为爆热，TNT炸药的爆热为4 180 kJ·kg-1, Q为等效TNT当量，kg, 按式(16)进行计算[15-16]：

  

图5 电磁辐射脉冲随工作面回采变化曲线

电磁辐射监测实际监测表明，断层冲击发生位置验证了数值模拟结果的合理性。

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4 结论

结合西二采区某一工作面地质条件，采用数值模拟手段，利用临界微小扰动时断层滑移量分叉准则作为判断断层冲击失稳预警的指标，对断层进行冲击地压临界距离的有效预测，预测的预警距离是工作面距断层35m时。并且通过现场电磁辐射实测证明，当工作面推至距断层37m时，电磁辐射强度或脉冲数值明显由大变小，但一段时间后又突然增大，此种方式最为危险，极有可能引发冲击灾害。从而证明用断层应力、位移分叉来判断断层冲击危险区域具有一定的合理性。

参考文献：

[1]李志华.采动影响下断层滑移诱发煤岩冲击机理研究[D].中国矿业大学，2009.

[2]王学滨，等.基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据[J].岩石力学与工程学报，2004，3（4）：77-81.

[3]潘岳，等.非均匀围压下矿井断层冲击地压的突变理论分析[J].岩石力学与工程学报，2001，7（3）：132-137.

[4]赵扬锋，潘一山，于海军.基于剪切梁层间失效模型的断层冲击地压分析[J].岩土力学，2007，9（8）：92-97.

[5]郭晓强，窦林名，陆菜平，等.采动诱发断层活化的微震活动规律研究[J].煤矿安全，2011，42（1）：26-30.