某礦上覆采空區(qū)條件下礦震發(fā)生規(guī)律

毛懷昆　蘇雁軍

(1.山東能源新礦集團孫村煤礦；2.山東裕隆礦業(yè)集團義能煤礦有限公司)

?

某礦上覆采空區(qū)條件下礦震發(fā)生規(guī)律

毛懷昆1蘇雁軍2

(1.山東能源新礦集團孫村煤礦；2.山東裕隆礦業(yè)集團義能煤礦有限公司)

分析了某礦103下04工作面礦震發(fā)生的影響因素，認為巖性條件、開采深度及地質構造是工作面礦震發(fā)生的主要影響因素。通過對103下04工作面回采期間礦震事件進行統(tǒng)計，分析了礦震發(fā)生的時空關系、礦震發(fā)生的頻率和次數(shù)與工作面推進速度的關系、礦震事件空間演化規(guī)律，并進一步分析了該礦上覆采空區(qū)條件下的礦震發(fā)生規(guī)律，即強礦震事件范圍“窄”、回采空間礦震顯現(xiàn)“弱”。

采空區(qū)沖擊地壓礦震

沖擊地壓是礦山開采中發(fā)生的煤巖體動力災害之一，隨著煤炭開采深度和開采強度的不斷增加，沖擊地壓問題日趨嚴重，特別是在大震級、大能量的礦震事件頻發(fā)的采區(qū)，易發(fā)生礦震誘發(fā)的沖擊地壓事故[1]。但目前對于礦震誘發(fā)沖擊地壓的發(fā)生機制和防沖研究尚未形成合理有效的技術體系。某礦十采區(qū)3上工作面上覆存在巨厚紅層(主關鍵層)，隨著采動的影響，上覆巖層發(fā)生斷裂、下沉和回轉，上覆巖層運動穩(wěn)定后將形成穩(wěn)定的承載結構。十采區(qū)3下工作面與3上工作面間距9.3～11.5 m，3下工作面回采將對3上工作面采空區(qū)上方已穩(wěn)定的巖層造成二次擾動，易誘發(fā)礦震甚至強震事件的發(fā)生，嚴重威脅了工作面的安全生產(chǎn)。因此，研究上覆采空區(qū)條件下的礦震發(fā)生規(guī)律，對于類似地質及開采條件下礦井的安全回采具有重要意義。

1　工作面地質概況

某礦103下04工作面為十采區(qū)3下煤層工作面，工作面地面標高+41.87～+44.21 m，平均+42.81 m，井下標高-423～-556 m，平均-489 m，煤層埋深約520 m，煤層厚度3.0～3.6 m，平均3.42 m，工作面走向長1 547 m，傾向長206 m，面積319 445 m2。103下04 工作面位于礦井東南部，工作面西部上方為白馬河。工作面設計停采線位于白馬河西河堤以西390～434 m，工作面切眼位于白馬河東河堤以東958～998 m，地表主要為農(nóng)田及河流。

2　礦震發(fā)生的影響因素

2.1巖性條件

一般來說，巖石堅硬而強度大時，其彈性能量指數(shù)(巖石單軸加卸載試驗時彈性變形能與耗損應變能之比)和彈性變形能指數(shù)(巖石儲存能量的特性與單軸抗壓強度的平方成正比，與彈性模量成反比)等參數(shù)較大，易孕育并發(fā)生礦震[2-3]。103下04工作面上方巖層以砂巖為主，因此該工作面覆巖易積聚能量，覆巖破斷易發(fā)生礦震事件。此外，3上煤層上方高位存在巨厚紅層砂巖(主關鍵層)，紅層砂巖破斷、運移，易誘發(fā)強震事件。

2.2開采深度

主應力強度與巖石的埋藏深度成線性關系，最大主應力σ1與埋藏深度H的關系為

(1)

式中,a0、b0為擬合參數(shù)。

式(1)表明，隨采深加大，應力水平增加，變形增大，礦震強度呈增加趨勢。

2.3地質構造

礦震主要發(fā)生在地質構造較復雜、構造應力較大、斷裂活動較顯著的區(qū)域。采掘活動是礦震發(fā)生的誘發(fā)因素，是外因；地質構造是礦震發(fā)生的控制因素，是內因。地質構造復雜、斷裂活動明顯的區(qū)域，存在較大的應力集中，積聚較大的變形能。同時該類區(qū)域的巖層經(jīng)歷了復雜的地質作用，其物理力學性質發(fā)生了較大變化，處于峰值強度后的軟化變形階段，成為非穩(wěn)定介質，與周圍區(qū)域的巖體構成非穩(wěn)定的變形系統(tǒng)，在采掘活動和上覆巨厚巖層運動的作用下釋放能量，從而產(chǎn)生礦震。

3　礦震發(fā)生規(guī)律

3.1礦震能量分析

103下04工作面開采期間，臨近工作面和采區(qū)周圍會有不同程度的礦震事件發(fā)生，對工作面的開采造成一定的影響，對2013年11月29日—2014年8月20日微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在十采區(qū)及臨近區(qū)域共監(jiān)測到礦震1 160個，其中最大能量為1.93×107J，最小能量為14.8 J，平均能量為1.28×105J，震動能量分級統(tǒng)計結果見表1。由表1可知：震動能量主要集中于102～103J，占總礦震數(shù)量的77.58%，說明全礦微震強度較小，以小能量釋放的微震事件為主。

表1　微震數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2礦震事件時間序列分析3.2.1強礦震事件發(fā)生的時空關系

103下04工作面(2013年11月28日—2014年8月8日)微震事件震動頻率、能量時間序列、能量隨工作面推進的變化特征見圖1。由圖1可知：礦震事件能量及頻次呈現(xiàn)周期性變化，平均周期約為30 d，周期推進距離為100～150 m，另外，強礦震也主要發(fā)生在高頻次、高能量時期，即主關鍵層裂斷時，發(fā)生下沉移動，導致強礦震的發(fā)生。

圖1　103下04工作面微震事件震動頻次、能量時間序列 ———能量;■—頻次

3.2.2礦震發(fā)生的頻率與工作面推進速度的關系

礦震發(fā)生的頻率與工作面推進速度、開采強度有關。工作面推進速度越快、開采強度越高，礦震發(fā)生頻率越大、次數(shù)越多，反之越少，工作面停產(chǎn)檢修期間基本無礦震事件發(fā)生，特別是102～103J、103～104J等小能量礦震事件更加符合該規(guī)律。開采速度與礦震發(fā)生頻率的關系如圖2所示。由圖2可知：3下煤層工作面推進速度超過6 m/d時，各能量級的日震動能量增加加快。因此，綜合考慮工作面的微震活動特點，認為將3下工作面推進速度控制在(4～6)m/d以內，可確保工作面的安全回采。

圖2　工作面開采速度與礦震發(fā)生頻率的關系

3.3103下04工作面礦震事件空間演化規(guī)律

103下04工作面回采期間礦震事件分布情況見圖3。由圖3可知：①104～105J的礦震在斷層線附近發(fā)生頻繁，說明該處存在一定的沖擊地壓危險性，但由于斷層落差為3～5 m，積聚的能量不大，因此未造成大的礦震事件發(fā)生；②3下煤層大礦震事件一開始便發(fā)生于上部巨厚巖層，特別是5×105J以上的礦震事件，在下部巖層中未出現(xiàn)；③3下煤層大礦震事件深入巨厚巖層中，部分震中距地表僅約111 m；④3上煤層開采完畢后，煤層頂板垮落完全，上覆巨厚巖層已破斷，位置區(qū)域穩(wěn)定，但已處于裂斷狀態(tài)，開采3下煤層時，隨著采空區(qū)面積的增大，上覆巨厚巖層會發(fā)生下沉和回轉，易導致巨大能量強礦震事件的發(fā)生，此時的能量大于3上煤層開采時。

103下04工作面開采時的礦震規(guī)律為：①強礦震事件范圍“窄”，開采3下煤層過程中，強礦震事件基本都發(fā)生在上覆巨厚巖層(主關鍵層)中，其他部位基本無強礦震事件發(fā)生；②回采空間礦震“弱”，強礦震事件主要發(fā)生于上覆巨厚巖層中，而3下煤層工作面區(qū)域幾乎無大能量礦震事件的發(fā)生，是因為上覆采空區(qū)內的破碎巖層發(fā)揮了緩沖作用，但此時地表震動較強烈，回采空間礦震呈現(xiàn)“弱”的規(guī)律。

4　結　語

在分析某礦礦震發(fā)生影響因素的基礎上，研究了該礦103下04工作面回采期間礦震能量分布規(guī)律、礦震發(fā)生的時間序列規(guī)律及空間分布規(guī)律，總結了103下04工作面開采時礦震的發(fā)生規(guī)律，對于類似地質和開采條件下的工作面沖擊地壓防治有一定的參考價值。

[1]潘一山，李中華，章夢濤.我國沖擊地壓分布、類型、機理及防治研究[J].巖石力學與工程學報，

圖3　103下04工作面開采時的礦震事件工作面走向剖面

2003，22(11)：1844-1851．

[2]潘一山，趙揚鋒，馬瑾.中國礦震受區(qū)域應力場影響的探討[J].巖石力學與工程學報，2005，24(16)：2847-2853．

[3]袁子清.礦震地震活動響應規(guī)律及其危險性預測研究[D].長沙：中南大學，2007．

2016-05-19)

毛懷昆(1986—)，男，助理工程師，碩士，271219 山東省新泰市。