Influencing factors and distribution characteristics of rock burst under complex geological dynamic environment
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摘要:
冲击地压是多项因素耦合作用的结果。冲击地压的发生不仅与开采工程效应有关，还与矿井所处的地质动力环境紧密相关，特别是在复杂地质动力环境下，冲击地压的发生更加频繁。为研究复杂地质动力环境下冲击地压的影响因素，采用理论分析、微震监测分析、地质勘探等方法，以耿村煤矿12240工作面作为研究对象，分析耿村煤矿地质动力环境特征，评判耿村煤矿发生冲击地压的危险性。计算12240工作面冲击地压发生的临界深度，采用已发生冲击地压和大能量微震事件对临界深度进行验证，揭示冲击地压发生震源深度的关系。采用“冲击地压的三条件准则”对微震事件的发生频次、能量，以及空间位置的分布规律进行分析。通过分析12240工作面顶板预裂爆破前后的微震事件频次及能量的变化规律，以及顶板预裂爆破后孔壁的窥视结果，对12240工作面采取的远场解危措施的效果性进行验证。结果表明：耿村煤矿具备中等矿井动力灾害的地质动力环境，属于严重冲击地压矿井。耿村煤矿冲击地压发生的临界深度为标高−545.79 m，12240工作面埋深已临近冲击地压发生临界深度，具备冲击地压发生危险。F16断层作为耿村煤矿的主要地质构造因素，是地质动力环境的重要构成，为大能量冲击地压的孕育和发生提供了能量基础；采动效应是冲击地压发生的充分条件，对12240工作面初采期间冲击地压的影响较小；解危措施是控制条件，有效降低了12240工作面冲击地压发生的危险。研究成果可为防治复杂地质动力环境下冲击地压等矿井动力灾害提供依据和参考。
Abstract:Rock burst results from the interaction of multiple factors. Its occurrence is not only related to mining engineering effects but also closely linked to the geo-dynamic environment of the mine. In complex geodynamic conditions, rock burst occurs more frequently. To study the influencing factors of rock burst in such environments, methods such as theoretical analysis, field monitoring, and geological exploration are employed, with 12240 working face of Gengcun Coal Mine as the research subject. The study analyzes the geodynamic environment characteristics of Gengcun Coal Mine and assesses the risk of rock burst. The critical depth for rock burst at 12240 working face is calculated, and this depth is verified using rock burst and large energy microseismic events, revealing the relationship between the occurrence depth of rock burst and its source. The “three-condition criterion for rock burst” is used to analyze the frequency, energy, and spatial distribution of microseismic events. By analyzing changes in the frequency and energy of microseismic events before and after roof pre-splitting blasting at 12240 working face, and examining the results from borehole inspections after pre-splitting blasting, the effectiveness of the far-field hazard mitigation measures for 12240 working face is verified. The research results indicate that Gengcun Coal Mine has a medium level of geo-dynamic disaster environment and is a serious rock burst mine. The critical depth for rock burst occurrence at Gengcun Coal Mine is an elevation of −545.79 meters. The burial depth of 12240 working face is close to this critical depth, indicating a risk of rock burst. The F16 fault, as a major geological structural factor at Gengcun Coal Mine, is an important component of the geo-dynamic environment and provides an energy basis for the formation and occurrence of high-energy rock burst. Mining effects are a sufficient condition for rock burst but have little impact on 12240 working face during the initial mining period. Hazard mitigation measures are control conditions that effectively reduce the risk of rock burst at 12240 working face. The research results provide a basis and reference for preventing and controlling dynamic disasters such as rock burst in complex geodynamic environments.
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0. 引 言
冲击地压是采掘工作面煤岩体积聚的弹性变形能突然释放，产生强烈震动，造成煤岩体剧烈破坏的动力灾害[1]。我国是世界上冲击地压灾害最为严重的国家之一，自1985年至今，冲击地压矿井已由32个增至2024年的138个[2]。随着我国能源需求扩大以及浅层煤炭资源日益枯竭，深部煤炭资源开采已成为必然趋势[3]。然而，随着开采深度加大，复杂的地质构造环境给矿井安全开采带来了巨大挑战[4]，导致以冲击地压为代表的矿井动力灾害日益凸显，发生频次和强度亦在上升[5-6]，预防矿井动力灾害的发生，已成为当前亟待解决的问题。
目前，国内外学者从微震方面对冲击地压的预警防治开展了许多研究工作，取得了大量的研究成果。崔峰等[7]分析了急倾斜巨厚煤层巷道掘进期间各微震信息指标的时空演化规律，优选出预测冲击发展趋势性能较高的6项微震信息指标。郭伟耀等[8]根据地层微震活动强度指数，对断层构造区微震活动的空间连续性进行评价，进而评价微震活动频繁发生的区域。孙文超等[9]通过分析微震事件的频次和能量分布规律得到高充实率条件可避免由应变能释放引起的顶板断裂型冲击地压。王超等[10]基于微震数据和动载因素给出动载影响下支承应力的计算表达式，得到了顶板岩层冲击危险性评价方法。钟涛平等[11]通过分析微震事件的分布规律，验证了增加超前预裂爆破孔数量、顶板处理高度等措施可避免顶板和煤体的应力和能量集中。RB SMITH等[12]基于桑尼赛德煤矿区的微震数据和声发射数据，研究了微震与采矿之间的关系，表明微震的主要能量可能来自区域构造应力。MAJID K等[13]基于微震数据，引入了一种绘制诱发裂缝和相关谱线的新方法，有助于识别和预测可能导致发生冲击地压的风险区域。LYU等[14]通过理论分析、数据分析等方法，研究了微震在坚硬顶板、断层、开采影响下的发生规律，提出了不同类型煤矿地震诱发冲击地压的统一机理。KHAN等[15]探讨了非均质环境下微震对岩石力学行为的时空响应，通过能量和频率的高偏差证明了岩石压力和微裂缝的增加对宏观裂缝发育具有影响。
目前，大多数对于微震与冲击地压之间的联系研究成果主要集中在断层、坚硬岩层、急倾斜煤层等单一地质背景条件。而冲击地压矿井往往具有相对复杂的地质条件。冲击地压是受多因素耦合作用影响，不仅与开采效应有关，还与矿区地质动力条件紧密相关[16−17]，孕育和引发冲击地压的动力源和能量源的范围，远超过采掘空间的尺度[18]。地质动力区划理论是分析复杂地质条件影响的方法之一，许多学者从地质动力环境角度对不同煤矿动力灾害进行了研究。曹代勇等[17]从中国煤田构造格局的时空差异性出发，在赋煤构造单元框架内进行煤矿主要动力地质灾害风险区带划分。张建国等[19]利用地质动力区划方法将平顶山矿区划分为Ⅰ～Ⅴ级活动构造后，确定了区域断裂构造的分布特征和相互作用关系。张宏伟等[6]基于地质动力区划方法，确定了乌东煤矿冲击地压主要影响因素及其相互作用关系，对乌东井田发生冲击地压的地质动力环境进行了评价。荣海等[20]应用地质动力区划法将红庆梁井田划分为Ⅰ～Ⅴ级断裂构造，确定了井田尺度的断块构造，建立了构造与工程应用间的联系。荣海等[21]应用瓦斯地质分析法、地质动力区划法等方法，划分煤与瓦斯突出发生危险区域，从地质和应力等方面揭示煤与瓦斯突出发生的原因。因此需要从宏观角度出发，进一步分析影响矿井冲击地压的地质动力环境条件[22]，为冲击地压区域预测提供指导[23-24]。
笔者根据地质动力区划理论，对耿村煤矿12240工作面地质动力环境条件进行评判，对耿村煤矿冲击地压发生临界深度进行计算。应用“冲击地压三条件准则”对12240工作面现场微震数据进行分析研究，建立了微震事件与冲击地压之间的联系。以期为耿村煤矿和具有类似条件工作面冲击地压防控工作提供参考。
1. 矿井及工作面概况
1.1 矿井地质构造特征概况
耿村煤矿位于河南省三门峡市渑池县义马矿区，义马矿区是我国典型的冲击地压矿区，具有复杂的地质构造特征，受到煤层埋深、煤层厚度变化、高应力环境、F16逆冲断层及上覆厚层坚硬砾岩等多种因素共同影响，在开采过程中多次发生过冲击地压及大能量微震事件。
1）耿村煤矿主要地质构造特征及其对矿井冲击地压的影响
总体构造：耿村煤矿位于义马煤田，整体位于华北赋煤构造区。赋煤区周缘为强挤压环境，构造复杂程度高、地质动力灾害风险较大[17]。
F16断层：F16断层位于井田南缘，为区域性逆冲断层，走向近东西，倾向南略偏东，浅部倾角70°，深部倾角15°～35°，落差0～900 m。F16断层翻转带影响范围内，产状变化较复杂，开采过程中，易使工作面附近围岩应力显著升高，增加冲击地压的风险。
巨厚砾岩：耿村煤矿隶属于义马矿区，其煤田赋存一层巨厚砾岩层。巨厚砾岩的存在易造成顶板大面积悬顶，导致采空区应力集中。当顶板发生失稳时，积聚的弹性能和原有重力势能将瞬间释放，形成强烈的冲击震动。
煤层厚度：耿村煤矿主采煤层为2-3煤层，煤层结构较为复杂，其厚度在不同区域存在较大变化。当煤层较厚时，煤岩体稳定，有利于开采；当煤层较薄或变化大时，稳定性差，易发生变形和破坏，增加冲击地压等灾害的风险。
工作面埋深：耿村煤矿现采12240工作面最大埋深602.8 m，接续12250工作面最大埋深648 m，均处于深部开采（开采深度>600 m）范围，工作面煤岩体受到地应力逐渐增大，易造成应力集中和积聚大量弹性能。应力集中和能量突然释放不仅可能诱发冲击地压，还可能使冲击地压的强度和频率增加。
耿村煤矿转入深部开采后，受巨厚砾岩、F16逆冲断层、特厚煤层等地层结构等因素影响，面临着诸多环境和技术难题，冲击地压灾害发生机理亦变得复杂。因此，本文选择耿村煤矿作为研究对象，其地质条件、煤层赋存状态等方面均具有一定的代表性和特殊性。
2）耿村煤矿的代表性
地质复杂性：耿村煤矿所处地质条件复杂多变，包括煤层厚度变化、断层发育、上覆巨厚砾岩等特点，这些地质因素对于开采过程中的安全、效率具有重要影响，因此其研究结果对于类似地质条件下的煤矿具有广泛的借鉴意义。
灾害多样性：耿村煤矿位于华北赋煤构造区，属于华北南部Ⅲ级地质灾害风险区带[17]，存在冲击地压、煤与瓦斯突出、冒顶等2种及以上的矿井动力灾害。对于复杂地质条件下矿井复合灾害的研究，也将是未来我国煤炭行业发展的新方向。
3）耿村煤矿的特殊性
复杂地质构造：耿村煤矿地质构造具有一定的复杂性，其具有的巨厚砾岩、F16逆冲断层、厚煤层、高应力等，这些条件在行业内具有一定的普遍性但又各具特色，因此对该煤矿的研究能够为解决复杂地质条件下矿井冲击地压提供新思路和新方法。
特定技术难题：耿村煤矿面临一系列独特的技术难题，这些难题包括但不限于复杂的地质构造、特殊的煤层物理性质等。这些独特性使得耿村煤矿的开采过程需要特别的技术手段，从而形成了其技术上的特殊性。
1.2 12240工作面概况
耿村煤矿现开采12240工作面，主采2-3煤层，平均埋深547.45 m，平均煤厚9.6 m，煤层倾角平均14°。工作面共布置3条巷道，分别是工作面回风巷、工作面运输巷及工作面高抽巷。12240工作面布置如图1所示，钻孔柱状如图2所示。
如图2所示，根据坚硬岩层结构失稳运动规律理论[25]判断12240工作面上覆坚硬岩层分布情况，判别结果见表1。
表 1 耿村煤矿12240工作面关键坚硬岩层层位分布情况Table 1. Distribution of hard rock strata in 12240 working face of Gengcun Coal Mine序号 岩层 坚硬岩层类别 厚度/m 距离2-3煤层顶板距离/m 1 中粒砂岩 高位坚硬岩层 33.65 94.29 2 细粒砂岩 中位坚硬岩层3 13.45 47.64 3 细粒砂岩 中位坚硬岩层2 9.25 27.39 4 中粒砂岩 中位坚硬岩层1 5.25 16.79 5 中粒砂岩 低位坚硬岩层 2.65 2.69 2. 矿井工作面地质动力条件分析
2.1 地质动力环境判别结果
矿井发生冲击地压必须具备相应的地质动力条件[26]。地质动力区划理论认为地质动力环境是客观存在的，并对煤炭开采过程中每个环节产生重要影响[27]。鉴于冲击地压错综复杂的发生机理及其受多项因素耦合作用的特性，矿井所处的地质动力环境构成了冲击地压发生的基础要素。为此，基于地质动力环境评价方法，在复杂多变的地质条件下，有效确定内动力地质作用对矿井区域内冲击地压风险的影响。为解决耿村煤矿的复杂地质动力环境和在开采中遇到的冲击地压问题，应用矿井地质动力环境评价方法[28-29]，量化评估耿村煤矿地质动力环境，揭示其类型与强度特性。耿村煤矿地质动力环境评价结果见表2。
表 2 耿村煤矿地质动力环境评价结果Table 2. Geological dynamic environment evaluation results of Gengcun coal mine序号 评价指标 影响程度级别 分项评价指标值 综合评价指标值 评价指标值 1 断块构造垂直运动条件 强 3 $ A = \displaystyle\sum \limits_{i = 1}^n {{a}}_i = 14 $ $ n = \dfrac{A}{{3i}} \approx 0.58 $ 2 断块构造水平运动条件 强 3 3 构造应力条件 无 0 4 构造凹地地貌条件 弱 1 5 断裂构造影响范围条件 弱 1 6 开采深度条件 弱 1 7 上覆坚硬厚岩条件 中等 2 8 本区及邻区判据条件 强 3 地质动力环境类型 中等 冲击地压矿井类型 严重冲击地压矿井 由表2可知，耿村煤矿地质动力环境综合计算评价指标值n为0.58，表明耿村煤矿具备中等矿井动力灾害的地质动力环境，且属于严重冲击地压矿井。
2.2 冲击地压矿井发生临界深度
根据冲击地压矿井发生临界深度判别方法[30]，如式（1）所示。
$$ \begin{gathered} \mathop H\nolimits_{\min } = \\ \sqrt {\frac{{\rho \mathop {{v}}\nolimits_0^2 E + \mathop \sigma \nolimits_{\mathrm{c}}^2 }}{{\left[\left(\mathop k\nolimits_1^2 + \mathop k\nolimits_2^2 + \mathop k\nolimits_3^2 \right) - 2\mu (\mathop k\nolimits_1 \mathop k\nolimits_2 + \mathop k\nolimits_2 \mathop k\nolimits_3 + \mathop k\nolimits_1 \mathop k\nolimits_3 ) - \dfrac{{1 - 2\mu - \mathop \mu \nolimits^2 + 2\mathop \mu \nolimits^3 }}{{\mathop {(1 - \mu )}\nolimits^2 }}\right]\mathop \gamma \nolimits^2 }}} \end{gathered} $$ (1) 式中：ρ为煤岩体的平均密度，kg/m3；v0为抛出煤岩体的平均初速度，m/s；σc为煤岩体的单轴抗压强度，MPa；E为煤体的弹性模量，GPa；γ为上覆岩层容重的平均值，kN/m3；μ为泊松比；k1为最大水平主应力σ1与自重应力的比值；k2为垂直应力σ2与自重应力的比值；k3为最小水平主应力σ3与自重应力的比值。
结合煤岩物理力学参数测试结果，以及天地科技股份公司的地应力测定结果，对耿村煤矿冲击地压发生临界深度进行计算，具体参数见表3。
表 3 耿村煤矿冲击地压发生临界深度参数选取Table 3. Selection of critical depth parameters of rock burst in Gengcun Coal Mine序号 参数 数值 1 ρ/(kg·m−3) 1344 2 v0/(m·s−1) 10 3 σc/MPa 12.12 4 E/GPa 3.82 5 γ/(kN·m−3) 27000 6 μ 0.25 7 k1 1.65 8 k2 1.86 9 k3 0.87 将表3中参数代入式（1）中，得到耿村煤矿冲击地压矿井的发生临界深度为标高−545.79 m。选取2009—2023年期间耿村煤矿发生的40次冲击地压、大能量微震事件（微震事件能量>1×106 J）进行验证，验证结果如图3所示。
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图 3 耿村煤矿冲击地压发生临界深度验证结果Figure 3. Verification results of critical depth of rock burst in Gengcun Coal Mine由图3可知，在40组耿村煤矿冲击地压、大能量微震事件中，有35组数据位于临界深度以下，表明耿村煤矿冲击地压发生临界深度计算结果准确性达到87.5%。
综上所述，耿村煤矿具备中等冲击地压发生的动力环境，12240工作面埋深已临近耿村煤矿冲击地压发生的临界深度阈值。采用地质动力区划理论中的“冲击地压的三条件准则”对耿村煤矿12240工作面微震事件进一步分析研究，旨在揭示微震事件的时空分布特征及其与冲击地压之间的潜在联系，为精准预测和有效防治工作面冲击地压提供参考价值。
3. 12240工作面微震事件特性分析
若井田范围内某一位置出现大能量微震事件，则说明煤岩体具备冲击地压发生的危险[31]，对微震事件进行分析，准确识别微震事件特征对于冲击地压矿井动力灾害的监测预警与防控具有重要意义[32]。
根据耿村煤矿ARAMIS微震监测系统，对耿村煤矿12240工作面在2023−10−26—2024−05−07期间的微震事件进行分析，得到了微震事件的频次、能级、时间以及空间的分布规律，结果如图4—图7所示。在此期间，12240工作面共发生563次微震事件。
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图 4 各能量量级微震事件数据统计情况Figure 4. Statistics of microseismic event data of each energy level![]()
图 7 103 J和104 J级别微震事件震源层位分布Figure 7. Focal horizon distribution map of 103 J and 104 J level microseismic events由图4可知，101、102、103 J的微震事件发生频次分别为85、353、120次，工作面初采期间101、102、103 J微震事件覆盖全工作面，位置较分散，对工作面开采无显著影响；工作面初采期间，微震事件能量量级较小104 J的微震事件共发生5次，均位于超前工作面577～841 m区域，对工作面开采无显著影响。
考虑到12240工作面虽然受F16断层影响，但由于工作面初采期间距F16断层较远，初采期间发生大能量微震事件的危险性较小。根据12240工作面微震数据可知，12240工作面初采期间微震事件频次和量级整体处于较小层级，以能量低于104 J的小能量微震事件为主，初采期间整体微震活动性较弱，无显著冲击危险性。
由图5可知，12240工作面微震监测数据中，能量为102 J的数量占比最多为62.52%，所占能量为总能量的21.78%；大于等于104 J的微震数量占比不足1%，但能量却占比27.6%。这表明微震事件在能量级别上存在较大的不均衡性，大部分微震事件处于较低能量级别，在总能量中所占比例相对较小，未对实际生产过程造成显著影响。而少量能量较大的微震事件却贡献了大部分的总能量，亦是导致冲击地压发生的主要因素。因此，研究较高能量微震事件的分布规律是预警冲击地压的关键所在。对于工作面回采过程中的微震事件，不仅要关注微震事件的频次，还应关注微震事件的能量级别和能量分布情况。
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图 5 不同能级微震记录数量和能量统计Figure 5. Quantity and energy statistics of microseismic records with different energy levels由图6和图7可知，103 J和104 J级别的微震事件多发生在顶板0～20 m和20～30 m范围内，分别为48次和30次。其中5次104 J微震事件，4次发生在顶板2～18 m区域内，1次发生在底板0～10 m区域内。表明距离煤层较近的低位和中位1坚硬岩层对工作面开采具有显著影响。因此，耿村煤矿12240工作面在回采工作开始前，针对坚硬岩层失稳可能引起的“坚硬顶板型冲击地压”，在顶板区域内采取了以预裂爆破为主的解危措施，通过弱化坚硬岩层，以降低冲击地压发生的危险。
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图 6 103 J和104 J级别微震事件空间分布Figure 6. Spatial distribution of 103 J and 104 J level microseismic events综上所述，目前已发生的最大能量微震事件位于12240工作面底板区域9 m（地面标高−556.45 m）处，结合2.2节研究结果可知该区域在理论计算的临界深度以下，表明耿村煤矿12240工作面具备发生冲击地压的危险。
4. 12240工作面冲击地压“三条件“研究
4.1 冲击地压“三条件”理论
地质动力区划理论认为，冲击地压等矿井动力灾害是地质动力环境和开采扰动耦合作用的结果[16]。在冲击地压矿井要具备“煤层（或者其顶底板岩层）具有冲击倾向性和评价具有冲击危险性[33]”这一基本条件的基础上，张宏伟等[16]创新性的提出“冲击地压的三条件准则”，即“地质动力环境是冲击地压等矿井动力灾害发生的必要条件，开采扰动是冲击地压发生的充分条件，防治措施是冲击地压发生的控制条件”（图8）。
4.2 12240工作面冲击地压的必要条件
在复杂的地质动力环境中，断层作为一种特殊的地质构造，当其失稳活化时，易引发冲击地压等矿井动力灾害[34]。与此同时，大能量微震事件及冲击地压的发生均与断层的活动联系紧密[35]。义马矿区内冲击事件的强度与频次，随着工作面与断层距离的减小而升高[36]。选取义马矿区典型工作面进行统计分析，统计结果见表4。
表 4 义马矿区工作面与断层距离冲击事件强度/频次统计Table 4. Statistics of intensity / frequency of impact events from working face and fault distance in Yima mining area煤矿 工作面 工作面与断层距离/m 微震事件频次/个 微震事件最大能量/J 冲击事件
(冲击地压事故)/个常村煤矿 21162 1481 280 9.9×104 0（0） 跃进煤矿 23092 754 111 3.0×106 0（0） 耿村煤矿 13230 369 24537 4.4×107 47（1） 由表4可知，距离断层较近的13230工作面的微震事件频次和能量均高于距离断层较远的23092和21162工作面，表明近断层开采易导致大能量微震事件甚至冲击事故的发生。
根据冲击地压地质动力条件评价方法，断层影响范围[35]见式（2）。
$$ b=10\;kh $$ (2) 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为断裂落差，m。F16断层具有弱活动性[37]，12240工作面附近F16断层落差h为7.5 m。
根据式（2）计算可得F16断层影响带范围约为75 m。根据工作面与F16断层的相对位置关系，F16断层影响带与工作面回风巷相交范围为287～720 m，与工作面运输巷相交范围为807 m～终采线，12240工作面处于F16断层的影响范围内。F16断层影响带范围如图9所示。F16断层作为耿村煤矿的主控断裂，为12240工作面发生冲击危险提供了“能量来源”。F16断层影响带内微震事件发生次数见表5。
表 5 F16断层影响带内微震事件发生次数Table 5. The number of microseismic events in the F16 fault affected zone序号 日期（月−日） 微震事件发生次数 占比/% 1 10−26—12−01 21 3.73 2 12−02—01−07 38 6.75 3 01−08—02−07 35 6.22 4 02−08—03−07 36 6.39 5 03−08—04−07 50 8.88 6 04−08—05−07 51 9.06 7 10−26—05−07 231 41.03 由图9和表5可知，截至2024年5月7日，在F16断层影响带内，累计微震事件发生231次，占微震总发生次数的41.03%。在F16断层影响带范围内，微震事件分布较密集，呈现“高频高能”分布。微震事件整体多为103 J能级微震事件，其中已发生的5次104 J微震事件均发生在F16断层影响带内。
从地质动力环境角度而言，当断层发生滑移错动时，是能量积聚与释放的集中区域。在F16断层影响带范围内12240工作面的微震事件发生频次增加，分布较密集，微震事件受到构造控制作用影响较大，发生冲击危险的可能性进一步增大。
4.3 12240工作面冲击地压的充分条件研究
开采扰动是冲击地压发生的充分条件，煤矿不开采不会发生冲击地压，一定条件下开采时会诱发冲击地压的发生[16]。根据《2022版煤矿安全规程》[38]第二百四十四条规定，超前支护区域重点在工作面前70～120 m范围内。同时，汤进宝等[39]研究得到工作面超前44、66、122 m范围内F16断层的活动受工作面开采影响较大。因此，笔者将工作面超前40、70、120 m作为采动影响的重点关注区域。
当工作面回采工作开始后，工作面采动效应影响区逐渐靠近F16断层影响带。自12240工作面回采工作开始后，截至2024年5月7日，12240工作面回风巷累计进尺167.4 m，运输巷累计进尺180 m，采动效应影响区域内（工作面超前40～120 m）微震事件频次与工作面距F16断层影响带关系如图10所示，平面分布如图11所示。
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图 10 采动效应影响区域微震频次与工作面距F16断层影响带关系Figure 10. Relationship between the microseismic frequency in the area affected by the mining effect and the distance from the working face to the F16 fault influence zone![]()
图 11 采动效应影响区域内微震事件发生平面分布Figure 11. Plane distribution of microseismic events in the area affected by mining effect由图10可知，采动影响区微震事件发生频次与工作面距F16断层影响带的距离呈负相关性。随着工作面回采工程的进行，采动影响区逐渐靠近F16断层影响带，当采动影响区距离F16断层影响带越近，采动影响区内微震事件发生次数越多。
随着工作面回采工作的进行，采动影响区逐渐靠近F16断层影响带区域，并在5月7日两个区域相交。随着采动影响区逐渐前移，并与构造影响带存在交汇区，在12240工作面采动影响区范围内微震事件频次整体呈现递增趋势，多为103 J级别微震事件。随着工作面回采工作的持续进行，12240工作面微震事件频次呈现递增趋势，工作面采动影响区内微震事件频次逐渐增加。
综上所述，由于构造影响带的存在为大能量微震事件提供了能量基础，当工作面采动影响区逐渐与构造影响带融合，微震事件发生频次呈现增加趋势，表明冲击地压等矿井动力灾害是地质动力环境和开采扰动耦合作用的结果。
4.4 12240工作面冲击地压的控制条件研究
地质动力区划理论指出，通过防治措施来控制能量的释放，改变煤岩体积聚的弹性变形能瞬时释放的情况，从而达到防止冲击地压的目的。
结合2.1节研究结果可知耿村煤矿地质动力环境类型为中等，应在采掘活动前采取局部性解危控制措施。目前耿村煤矿12240工作面局部解危措施主要以远场顶板预裂爆破和近场钻孔卸压为主，水力压裂和断底卸压为辅。耿村煤矿于2023−04−04—2023−05−05，在12240工作面高抽巷进行断顶爆破作业，12240工作面断顶爆破钻孔布置平面如图12所示。为排除工作面采动效应，对耿村煤矿12240工作面未开采状态下断顶爆破前后数据进行统计分析，12240工作面爆破前后微震能量对比结果如图13所示。爆破作业后，通过对观察孔和对比孔进行孔壁窥视，对比分析爆破效果，孔壁窥视结果如图14所示。
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图 12 12240工作面断顶爆破钻孔布置平面Figure 12. 12240 working face roof blasting borehole layout plan![]()
图 13 12240工作面爆破前后微震能量对比结果Figure 13. Comparison results of microseismic energy before and after blasting in 12240 working face![]()
图 14 观察孔和对比孔窥视效果Figure 14. Viewing effect through the observation and comparison holes由图13可知，爆破前单日最大能量为3.1×104 J，平均微震能量为5.5×103 J，最大震级为1.4，平均震级为0.89。爆破后单日最大能量为7.9×103 J，平均微震能量为2.98×103 J，最大震级为1.0，平均震级为0.8。相较于采取断顶爆破措施前，采取断顶爆破措施后，单日最大微震能量值降幅为74.84%、平均微震能量值降幅为45.82%、最大震级降幅为28.57%、平均震级降幅为10.11%。
由图14a、图14b对比可知，在观察孔孔深35～60 m处裂缝明显呈纵向延伸，在孔内60 m处呈现横向裂隙，对比孔孔内未见明显裂隙。表明12240工作面采取断顶爆破作业效果可行。耿村煤矿12240工作面在初采及来压期间矿压显现比较平稳，并且出现的5次104 J能量事件均在工作面超前支承应力影响区域外，未对工作面开采造成显著影响。表明耿村煤矿12240工作面采取的防治措施，有效降低了冲击地压发生危险。
5. 结 论
1）确定了耿村煤矿12240工作面具备中等矿井动力灾害的地质动力环境，属于严重冲击地压矿井。
2）计算得到耿村煤矿矿井冲击地压发生临界深度为标高−545.79 m。12240工作面已临近耿村煤矿冲击地压发生临界深度，具有冲击地压发生的危险。
3）明确了12240工作面复杂地质条件下微震事件的活动规律。为工作面冲击地压的预测和防治提供参考价值。
4）地质动力环境是冲击地压等矿井动力灾害发生的必要条件，其中F16断层作为12240工作面主要地质构造，为大能量微震事件和冲击地压的孕育和发生提供了能量基础；采动效是冲击地压发生的充分条件，对12240工作面初采期间大能量微震事件影响较小；远场采取的断顶爆破解危措施，作为冲击地压发生的控制条件，使12240工作面积聚的能量和应力提前得到了释放，降低了冲击地压发生危险。应用“冲击地压的三条件准则”可以实现冲击地压防治工作从“可知”到“可控”的科学途径。
5）耿村煤矿12240工作面开采至今，未发生冲击地压，矿压显现平稳，表明工作面采取的卸压爆破等解危措施效果明显。
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图 3 耿村煤矿冲击地压发生临界深度验证结果
Figure 3. Verification results of critical depth of rock burst in Gengcun Coal Mine
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图 4 各能量量级微震事件数据统计情况
Figure 4. Statistics of microseismic event data of each energy level
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图 7 103 J和104 J级别微震事件震源层位分布
Figure 7. Focal horizon distribution map of 103 J and 104 J level microseismic events
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图 5 不同能级微震记录数量和能量统计
Figure 5. Quantity and energy statistics of microseismic records with different energy levels
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图 6 103 J和104 J级别微震事件空间分布
Figure 6. Spatial distribution of 103 J and 104 J level microseismic events
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图 10 采动效应影响区域微震频次与工作面距F16断层影响带关系
Figure 10. Relationship between the microseismic frequency in the area affected by the mining effect and the distance from the working face to the F16 fault influence zone
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图 11 采动效应影响区域内微震事件发生平面分布
Figure 11. Plane distribution of microseismic events in the area affected by mining effect
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图 12 12240工作面断顶爆破钻孔布置平面
Figure 12. 12240 working face roof blasting borehole layout plan
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图 13 12240工作面爆破前后微震能量对比结果
Figure 13. Comparison results of microseismic energy before and after blasting in 12240 working face
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图 14 观察孔和对比孔窥视效果
Figure 14. Viewing effect through the observation and comparison holes
表 1 耿村煤矿12240工作面关键坚硬岩层层位分布情况
Table 1 Distribution of hard rock strata in 12240 working face of Gengcun Coal Mine
序号 岩层 坚硬岩层类别 厚度/m 距离2-3煤层顶板距离/m 1 中粒砂岩 高位坚硬岩层 33.65 94.29 2 细粒砂岩 中位坚硬岩层3 13.45 47.64 3 细粒砂岩 中位坚硬岩层2 9.25 27.39 4 中粒砂岩 中位坚硬岩层1 5.25 16.79 5 中粒砂岩 低位坚硬岩层 2.65 2.69 
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表 2 耿村煤矿地质动力环境评价结果
Table 2 Geological dynamic environment evaluation results of Gengcun coal mine
序号 评价指标 影响程度级别 分项评价指标值 综合评价指标值 评价指标值 1 断块构造垂直运动条件 强 3 $ A = \displaystyle\sum \limits_{i = 1}^n {{a}}_i = 14 $ $ n = \dfrac{A}{{3i}} \approx 0.58 $ 2 断块构造水平运动条件 强 3 3 构造应力条件 无 0 4 构造凹地地貌条件 弱 1 5 断裂构造影响范围条件 弱 1 6 开采深度条件 弱 1 7 上覆坚硬厚岩条件 中等 2 8 本区及邻区判据条件 强 3 地质动力环境类型 中等 冲击地压矿井类型 严重冲击地压矿井
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表 3 耿村煤矿冲击地压发生临界深度参数选取
Table 3 Selection of critical depth parameters of rock burst in Gengcun Coal Mine
序号 参数 数值 1 ρ/(kg·m−3) 1344 2 v0/(m·s−1) 10 3 σc/MPa 12.12 4 E/GPa 3.82 5 γ/(kN·m−3) 27000 6 μ 0.25 7 k1 1.65 8 k2 1.86 9 k3 0.87
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表 4 义马矿区工作面与断层距离冲击事件强度/频次统计
Table 4 Statistics of intensity / frequency of impact events from working face and fault distance in Yima mining area
煤矿 工作面 工作面与断层距离/m 微震事件频次/个 微震事件最大能量/J 冲击事件
(冲击地压事故)/个常村煤矿 21162 1481 280 9.9×104 0（0） 跃进煤矿 23092 754 111 3.0×106 0（0） 耿村煤矿 13230 369 24537 4.4×107 47（1）
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表 5 F16断层影响带内微震事件发生次数
Table 5 The number of microseismic events in the F16 fault affected zone
序号 日期（月−日） 微震事件发生次数 占比/% 1 10−26—12−01 21 3.73 2 12−02—01−07 38 6.75 3 01−08—02−07 35 6.22 4 02−08—03−07 36 6.39 5 03−08—04−07 50 8.88 6 04−08—05−07 51 9.06 7 10−26—05−07 231 41.03
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