采空區(qū)關(guān)鍵層運(yùn)動對震級的影響分析

陳學(xué)華 劉奉超

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)煤礦動力災(zāi)害防控學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

采空區(qū)關(guān)鍵層運(yùn)動對震級的影響分析

陳學(xué)華1劉奉超2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)煤礦動力災(zāi)害防控學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

為有效預(yù)防采空區(qū)上覆關(guān)鍵層運(yùn)動誘發(fā)工作面礦震事故的發(fā)生，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)并通過有限元數(shù)值模擬軟件對采空區(qū)形成過程中上覆關(guān)鍵層破裂區(qū)范圍的大小進(jìn)行了模擬。得出鮑店煤礦103上04 工作面影響礦震震級大小的根源為賦存在煤層底板上方100～220 m范圍內(nèi)致密堅固細(xì)砂巖、中砂巖組成的關(guān)鍵層的破裂失穩(wěn)，破裂區(qū)面積大小對應(yīng)震級大小。依據(jù)103上04工作面實(shí)際震級發(fā)生情況提出針對性的解危措施：對工作面后方懸空頂板進(jìn)行深孔大直徑爆破技術(shù)改善巖體應(yīng)力狀態(tài)，釋放關(guān)鍵層積聚過多的彈性能，能夠有效防止關(guān)鍵層的整體運(yùn)動，減小礦震事故發(fā)生的強(qiáng)度和頻次。

關(guān)鍵層 破裂區(qū) 礦震震級 懸空頂板 深孔大直徑爆破

隨著中國煤礦開采深度和強(qiáng)度逐年增加，礦井相繼進(jìn)入深部開采階段，與淺部開采相比礦壓顯現(xiàn)表現(xiàn)為非線性特征，其中以礦震、沖擊地壓等重大礦井動力災(zāi)害最為突出和復(fù)雜[1-2]。 礦震是由礦山開采引起的一種地震活動，采掘礦震見諸報道的最高震級為波蘭Belchatow煤礦的震級為4.6級，國內(nèi)最高為遼寧北票臺擊礦的4.3級[3-5]。一些學(xué)者通過對深部采區(qū)工作面覆巖結(jié)構(gòu)的分類及其破裂方式對礦震的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了研究：如馬志峰等[6]對礦震震源機(jī)制、發(fā)震前兆進(jìn)行了研究；賀虎等[7]研究了覆巖關(guān)鍵層運(yùn)動誘發(fā)沖擊礦壓的規(guī)律；谷新建等[8]研究了冒落型礦震成因機(jī)制；蘆東平，潘一山[9]則主要對礦山微震的可視化原理及成像方法進(jìn)行了歸納總結(jié)。

地下采空區(qū)頂板垮落時，冒落物沖擊煤層底板產(chǎn)生沖擊動能，沖擊能對采場附近構(gòu)筑物及設(shè)施產(chǎn)生一定的影響[10]。以往探討的目標(biāo)多限定于采場附近的基本頂巖層范圍內(nèi)以及煤層前數(shù)10米支承壓力區(qū)?，F(xiàn)場事故的發(fā)生卻顯示與礦震等動力災(zāi)害有關(guān)的巖層范圍厚度上已超出傳統(tǒng)概念上的基本頂范圍[11]。采空區(qū)頂板誘發(fā)礦震是近年來出現(xiàn)的與開采技術(shù)有關(guān)的礦井動力災(zāi)害現(xiàn)象，它誘發(fā)的原因是現(xiàn)代化采礦工程面臨的重要難題之一[12]。采空區(qū)關(guān)鍵層運(yùn)動對工作面開采過程中誘發(fā)礦震的影響及震級大小的規(guī)律還缺乏相應(yīng)研究。因此開展深部礦井采空區(qū)關(guān)鍵層運(yùn)動對礦震震級影響的研究有助于避免煤礦動力災(zāi)害事故的發(fā)生及弱化災(zāi)害帶來的強(qiáng)度。本研究以鮑店煤礦-525 m水平的103上04開采工作面為研究對象，基于關(guān)鍵層控制理論[13]，結(jié)合該礦實(shí)測礦震震級采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對厚煤層開采過程中采空區(qū)上部關(guān)鍵層運(yùn)動引發(fā)震級大小進(jìn)行探究。并提出具體的解危措施，為預(yù)防礦震的發(fā)生和控制礦震危害提供理論支持。

1 103上04工作面覆巖地質(zhì)概況

鮑店煤礦十采區(qū)為一向斜構(gòu)造，最深處接近600 m，為該礦3上煤層開采深度最大的地點(diǎn)。103上04工作面開采3上煤層，厚度7.60～11.83 m，平均約8.76 m，絕大部分見煤點(diǎn)在8 m以上。直接頂主要為粉砂巖或砂質(zhì)泥巖厚4.30～11.78 m，平均8 m?；卷斠灾屑?xì)砂巖為主以及細(xì)粉砂巖互層厚33.06～56.37 m，平均35 m。直接底板為鋁質(zhì)泥巖、粉砂巖互層厚度5.53～15.21 m，平均8 m。工作面仰斜開采，從切眼至停采線從東向西推進(jìn)了1 000 m左右。103上04開采工作面與其他相臨工作面布置情況見圖1所示。

圖1 10采區(qū)工作面布置

供分析十采區(qū)工作面巖層巖性的鉆孔共5個，其中有18勘探線上的鮑61孔、99-1孔、鮑60孔和15勘探線上的195孔、鮑77孔。由5個鉆孔柱狀圖得出的采空區(qū)上覆巖層巖性列于表1。

從表1可以看出采空區(qū)上方的主體巖層為細(xì)砂巖和中砂巖，沉積穩(wěn)定，厚度較大，平均105.15 m占到巖層總厚的87%。大厚堅硬巖層懸空一定程度時，一旦巖層整體運(yùn)動，即可形成礦震災(zāi)害。礦震發(fā)生時震區(qū)巖層平均埋深351.86 m，距3上煤約174.57 m。

2 采空區(qū)上覆巖層礦震發(fā)生情況

表1 采空區(qū)上覆巖層巖性統(tǒng)計

隨著礦井開采深度與強(qiáng)度的加大，鮑店煤礦地震臺網(wǎng)監(jiān)測到的礦震活動十分頻繁且震級較大具有瞬時性。釋放能量巨大：1 mm厚(模型厚度)、面積為3 000 m2的巖體脆性破壞釋放的能量為2×104J。若按工作面傾斜方向有100 m長的彎曲帶巖層發(fā)生脆性破壞折算，則3.0×105m2的巖體釋放的能量為2.0×109J，相當(dāng)于里氏3.0級礦震。研究中只涉及大于2.0級的里氏震級，震級小于2.0級的礦震對回采空間無明顯危害，頻次很多，可不予考慮。表2為鮑店煤礦103上04工作面隨推進(jìn)過程采空區(qū)上覆巖層發(fā)生較大礦震情況。

表2 103上04工作面采空區(qū)礦震發(fā)生情況

由表2可知隨著103上04工作面推進(jìn)距離的不斷加大頂板巖層垮落不斷向上發(fā)展，平均37.8 m采空區(qū)上覆巖層即發(fā)生1次大的礦震，平均震級3.2級。礦震發(fā)生時引起工作面及軌道順槽有明顯震感，整個工作面支架安全閥幾乎全部開啟，軌道順槽有明顯下沉現(xiàn)象，超前支護(hù)段普遍揚(yáng)塵，工作面端頭附近壓死單體4棵，損壞十字梁10架，有數(shù)10棵單體下縮量100～200 mm。煤炮劇烈，伴隨頂板運(yùn)移向外傳遞，機(jī)尾端頭支架下縮130 mm。震源位置所處平均層位為-350～-450 m，由致密堅固的細(xì)砂巖、中砂巖構(gòu)成，表明這一水平巖層的變形破壞情況誘導(dǎo)了礦震事故的發(fā)生。同時，根據(jù)關(guān)鍵層理論判定方法進(jìn)行計算[12]，確定這一水平的巖層為關(guān)鍵層，見圖2。

圖2 上覆關(guān)鍵層斷裂引發(fā)礦震

礦震發(fā)生在彎曲帶關(guān)鍵層中，由裂隙帶巖層的采動破壞所誘發(fā)。誘發(fā)的實(shí)質(zhì)在于裂隙帶巖層的間斷拉裂、離層及斷裂時力學(xué)性質(zhì)的驟然變化，導(dǎo)致關(guān)鍵層處于臨界狀態(tài)的應(yīng)力發(fā)生急劇變化。關(guān)鍵層在力學(xué)屬性上集中表現(xiàn)為彈性模量大、強(qiáng)度高。采空區(qū)上覆部分巖層或全部巖層的斷裂步距即為關(guān)鍵層的斷裂步距。如圖2所示，關(guān)鍵層的跨斷引起大范圍的巖層移動，在其破斷和失穩(wěn)垮落的過程中誘發(fā)劇烈震動以應(yīng)力波的形式對煤巖體施加載荷。同時，壓縮下方氣體產(chǎn)生沖擊氣浪，形成高壓氣體動能作用于采空區(qū)周邊，使處于極限應(yīng)力平衡狀態(tài)下的煤巖體系失穩(wěn)破壞，形成大規(guī)模的礦震顯現(xiàn)。因此，關(guān)鍵層的運(yùn)動是直接誘發(fā)103上04回采工作面礦震的原因以及決定震級大小的主導(dǎo)因素。

3 關(guān)鍵層運(yùn)動與震級大小的分析

3.1 關(guān)鍵層運(yùn)動的數(shù)值模擬

為進(jìn)一步分析關(guān)鍵層運(yùn)動誘發(fā)礦震震級大小的機(jī)理和規(guī)律。采用RFPA有限元二維數(shù)值模擬軟件，對這一期間103上04工作面采空區(qū)關(guān)鍵層破裂范圍進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬條件：采深550 m，上覆巖層容重0.000 025 N/mm3，巖樣單向抗壓強(qiáng)度110.56 MPa，彈性模量35 000 MPa。裂隙帶巖層彈性模量30 000 MPa。垮落帶巖層彈性模量10 000 MPa。采高8 m，垮落帶高度20 m，裂隙帶高度52 m。采空區(qū)巖體彈性模量500 MPa。采空區(qū)上覆巖層活動區(qū)長300 m。關(guān)鍵層最大水平主應(yīng)力26.29 MPa。采動裂縫形成區(qū)(沿工作面推進(jìn)方向的剖面上，回采工作面與裂隙帶邊界的水平距離)長度為90 m。煤層為近水平煤層。將基本平面模型定在采場立體空間的走向剖面，垂直工作面軸向上，建立初始模型見圖3。本次數(shù)值模擬巖層屬性的采樣地點(diǎn)主要在十采區(qū)103上04工作面的軌道順槽。材料本構(gòu)模型為莫爾-庫倫模型。

圖3 模型定義示意

3.2 關(guān)鍵層數(shù)值模擬與震級的關(guān)系

隨著工作面的不斷推進(jìn)及表2實(shí)測工作面采空區(qū)發(fā)生較大礦震情況，以開采進(jìn)尺為標(biāo)準(zhǔn)建立了8個不同震級大小的模型，如圖4所示。由于篇幅的限制，這里僅選取5個較大震級進(jìn)尺時的圖片，并不影響結(jié)論的得出。

從圖4可以看出103上04回采工作面震級大小有明顯的規(guī)律性：當(dāng)采空區(qū)距上次礦震發(fā)生后工作面進(jìn)尺23 m時上覆關(guān)鍵層發(fā)生運(yùn)動，破裂范圍瞬間增大誘發(fā)2.9級礦震事故。隨工作面進(jìn)尺距離的加大，誘發(fā)震級呈增大趨勢。當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)57 m時裂隙帶上位巖層逐次產(chǎn)生多條拉裂縫組，拉裂縫組之間存在一定距離。由于采動累積，工作面后方的裂縫組數(shù)量增加，關(guān)鍵層受裂隙帶上位巖層采動裂縫擾動的影響力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。內(nèi)部積聚的彈性能瞬間爆發(fā)形成大破裂區(qū)，從而在工作面誘發(fā)3.7級較大礦震事故，直接威脅煤礦職工的生命安全。

工作面進(jìn)尺大小不同時，后方采空區(qū)懸頂面積相應(yīng)發(fā)生變化。在裂隙帶采動裂縫數(shù)量的影響下導(dǎo)致懸頂上方關(guān)鍵層發(fā)生運(yùn)動破裂，破裂范圍的大小直接關(guān)乎震級大小。這即在一定程度上顯示了關(guān)鍵層運(yùn)動與震級大小的關(guān)系。

4 關(guān)鍵層運(yùn)動的預(yù)防措施

采空區(qū)關(guān)鍵層運(yùn)動誘發(fā)礦震，震源放出能量的1%～10%以震動的方式向外傳遞，并以應(yīng)力波的形式對煤巖體施加動力[4]。由煤巖動力破壞的能量轉(zhuǎn)變原理可知，當(dāng)煤巖體自身具有的彈性能量(E1)與外來應(yīng)力波加載能量(E2)重疊之后超過煤巖自身破壞釋放能量(E3)與沖擊發(fā)生時具備最小沖擊能量(E4)之和后，即E1+E2≥E3+E4，煤巖體瞬間破壞產(chǎn)生礦震。由此能夠看出，要預(yù)防采空區(qū)關(guān)鍵層運(yùn)動導(dǎo)致工作面及回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽的損壞，首先要減小巖層自身存儲的彈性能與震動波的擾動能量，即增大關(guān)鍵層裂隙數(shù)量降低巖層釋放的彈性能，增大巖層阻尼系數(shù)，加速震動波在傳播過程中的衰減力度；其次應(yīng)增加煤巖接觸面破壞時能量的耗散以及最小沖擊能量。因此先提出對采煤工作面后方采用頂板深孔大直徑爆破技術(shù)改善關(guān)鍵層應(yīng)力狀態(tài)，即切斷采空區(qū)較長懸空頂板，降低關(guān)鍵層積聚的彈性能及破壞斷裂后誘發(fā)礦震的能量。同時，向工作面煤體進(jìn)行注水軟化使應(yīng)力增高區(qū)轉(zhuǎn)移到煤壁深部，增大103上04工作面發(fā)生較大礦震的難度。上述解危措施通過現(xiàn)場實(shí)踐，均取得較好效果。

圖4 震級大小模擬圖

5 結(jié) 論

(1)103上04回采工作面發(fā)生礦震震源為賦存在煤層底板上方100～220 m范圍內(nèi)的均質(zhì)、致密細(xì)砂巖和中砂巖組成的關(guān)鍵層，其平均厚度105.15 m。

(2)關(guān)鍵層運(yùn)動導(dǎo)致震級差異的主要原因是由裂隙帶上位巖層形成采動裂縫組的數(shù)量決定的。裂縫組數(shù)量越多，關(guān)鍵層破裂范圍越大，失穩(wěn)越明顯，越容易導(dǎo)致強(qiáng)礦震的發(fā)生。

(3)根據(jù)103上04工作面采空區(qū)關(guān)鍵層運(yùn)動規(guī)律以及能量轉(zhuǎn)換機(jī)理，提出具體解危措施，達(dá)到減小震級、降低礦震發(fā)生頻率的目的。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Analysis of Influence of Gob's Key Strata Movement on Mine Earthquake Magnitude

Chen Xuehua1Liu Fengchao2

(1.CollegeofCoalPowerDisasterPreventionandControl，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China;2.CollegeofMiningEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China)

In order to effectively prevent mine earthquake induced by key strata movement in the gob，and according to actual data in the field，the size of fracture region in overlying key strata of the gob is simulated with application of the finite element numerical simulation software.Accordingly，the cause for influencing the earthquake magnitude of 103up04 working face in Baodian coal mine is:fracture and instability of key strata which constituted by fine standstone and middle standstone that are hard or dense at the coal seam floor about 100～220 m，and the size of the fracture region corresponds to the earthquake magnitude.Based on the occurrence of actual magnitude in the 103up04 coal face，the preventing measures are put forward:the deep hole large diameter blasting at the behind of coal face is applied to improve the stress state of rock mass and a large amount of elastic energy accumulated in key strata is released.Thid method can effectively stop the whole movement of key strata，thus，reduce the occurrence frequency of disaster and the intensity of the mine earthquake.

Key strata，F(xiàn)racture region，Mine earthquake magnitude，Suspending roof，Deep hole large diameter blasting

2015-02-07

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51304110)。

陳學(xué)華(1972—)，男，教授，博士。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-021-05