兗州礦區(qū)深部開采大能量礦震規(guī)律和發(fā)生機(jī)理研究

朱振雷，魏永啟，高 鑫

（1.山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 272000；2.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城273500）

兗州煤田位于山東省濟(jì)寧市境內(nèi)，地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)，含煤地層為華北型石炭-二疊系太原組和山西組，平均厚度271.65m，含煤28 層，含煤系數(shù)3.7%～6.47%。目前主采3 煤層，厚度2.30～11.83m，平均厚度8.35m。兗州煤田為一軸向北東、向北東傾伏的不對稱向斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀整體平緩，傾角一般2°～15°，次一級褶皺較發(fā)育，為多期次的疊加褶皺構(gòu)造。區(qū)內(nèi)斷層較為發(fā)育，探查控制落差5m 以上的斷層近600 條，多為正斷層。隨著開采深度的增加，礦震事件總體呈現(xiàn)出頻次增加、能量加大的趨勢，對礦井正常安全生產(chǎn)造成影響。研究原巖應(yīng)力重塑影響下斷層應(yīng)力和能量的演化規(guī)律，揭示原巖應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力耦合作用下礦震發(fā)生機(jī)理，對于采取有效技術(shù)手段防止大能量礦震發(fā)生具有重要意義。

1 研究背景

1.1 工作面開采情況

兗州礦區(qū)東灘煤礦六采區(qū)3 上煤共布置10 個工作面，63 上03 工作面位于六采區(qū)中部，2018 年11 月16 日工作面開始生產(chǎn)。該工作面南鄰63 上04 采空區(qū)，北鄰63 上02 工作面（未采），工作面傾斜寬250m，標(biāo)高為-581.9～-715m，平均為-650.3m；地面標(biāo)高為+46.87～+49.17m，平均+47.91m。六采區(qū)3 上煤各工作面位置布置如圖1 所示。

圖1 六采區(qū)3 上煤各工作面位置布置圖

1.2 工作面煤層及上覆巖層

63 上03 工作面設(shè)計回采3 上煤層，面內(nèi)煤層厚度4.30～5.50m，總體西厚東薄，最薄處位于工作面中北部，平均煤厚5.06m，煤層賦存較穩(wěn)定，煤層普氏硬度f=2～3。

根據(jù)170 鉆孔柱狀圖，可以看到六采區(qū)3 上煤上覆巖層的分布情況。3 上煤的直接頂為5.73m 的粉砂巖；距煤層9.24m 處，存在一組30.87m 的長石石英中粒砂巖，由于這組較厚的中粒砂巖距離3 煤較近，因此，它的斷裂可以直接影響到工作面的安全生產(chǎn)。此外，通過鉆孔柱狀圖還可以發(fā)現(xiàn)，3 上煤上覆巖層中存在著多組較厚的巖層，最厚的一組巖層為260m 左右巨厚砂巖，根據(jù)實際推采過程中監(jiān)測到的微震數(shù)據(jù)和其它鉆孔柱狀圖，可知這組巨厚的細(xì)砂巖存在分層的情況，上分層厚度較大，下分層厚度較小，因此，可以把這一巨厚的巖層劃分成兩組關(guān)鍵層，如表1 所示。

表1 六采區(qū)170 鉆孔

此外，從發(fā)生礦震區(qū)域井田地質(zhì)條件可以看出，開采煤層上部普遍沉積發(fā)育巨厚的侏羅系砂巖地層，總體上由西南向東北方向逐漸變厚，最厚處可達(dá)536m。根據(jù)63 上05 工作面附近鉆孔資料分析，3 上煤層頂板至侏羅系砂巖層的間距10-60m，層間距變化較大，總體上由切眼位置向停采線方向逐漸變厚，工作面開切眼附近最薄。

2 原巖應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力耦合型礦震機(jī)理研究

2.1 實測礦震規(guī)律

根據(jù)六采區(qū)首采63 上04 工作面回采期間實測資料，工作面回采前100m 段，共發(fā)生礦震事件62次，實測發(fā)生礦震位置大多處于采空區(qū)、切眼外側(cè)和斷層附近。據(jù)統(tǒng)計，里氏1 級以上礦震事件12次，最大震級1.93 里氏，總能量為0.8MJ。通過對比六采區(qū)已回采2 個工作面礦震事件的能量及頻次，發(fā)現(xiàn)回采初期和前半段，礦震呈現(xiàn)多發(fā)、震級較大等異?，F(xiàn)象，采區(qū)首采面前500m 范圍內(nèi)，礦震總能量較大，但礦震頻次略小于后續(xù)回采工作面，如圖2所示。

圖2 六采區(qū)礦震頻次和對比圖

根據(jù)實測礦震資料統(tǒng)計看，六采區(qū)首采面附近均存在斷層構(gòu)造且礦震多發(fā)于構(gòu)造附近，初步分析首采面出現(xiàn)的這些礦震與原巖應(yīng)力的破壞以及構(gòu)造發(fā)育由密切聯(lián)系，也就是原巖應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力耦合型礦震。

2.2 應(yīng)力耦合機(jī)理分析

六采區(qū)63 上04 工作面為該區(qū)域首采工作面，未采動影響條件下，該區(qū)域圍巖的原巖應(yīng)力場處于平衡狀態(tài)。首采工作面開始推采之后，該區(qū)域圍巖平衡應(yīng)力場遭到擾動破壞，原巖應(yīng)力場隨開采活動進(jìn)行，處于動態(tài)重新構(gòu)筑平衡狀態(tài)，圍巖或巖層出現(xiàn)變形、破斷，特別是在工作面斷層構(gòu)造發(fā)育位置，圍巖原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)較為脆弱，構(gòu)造應(yīng)力變化極易發(fā)生剪切、巖層相對移動等活化運動現(xiàn)象，此時原巖應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力變量也會耦合疊加，從而成為誘發(fā)礦震的重要因素。

2.2.1 圍巖應(yīng)力重新分布

在巖體內(nèi)掘進(jìn)施工切眼或順槽等巷道，圍巖的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到擾動破壞并重新分布，此時，圍巖應(yīng)力由單項壓縮狀態(tài)逐漸變?yōu)槿驊?yīng)力壓縮狀態(tài)，遠(yuǎn)離巷道方向的巖塊最終會處于彈性狀態(tài)，即通常所說的巖體為極限平衡狀態(tài)，如圖3 所示。

圖3 巷道一側(cè)圍巖單元體的應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)極限平衡公式：

式中：r為平衡區(qū)內(nèi)的半徑；σr、σt為徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力。

根據(jù)莫爾應(yīng)力圓- 強度曲線的幾何關(guān)系以及圍巖控制理論，可分析獲得掘進(jìn)施工切眼或順槽等巷道后，原巖應(yīng)力遭到破壞并重新分布，如圖4 所示，一般會出現(xiàn)3 個區(qū)域，比原巖應(yīng)力小的區(qū)域減力區(qū)，比原巖應(yīng)力高的區(qū)域增力區(qū)，與原巖應(yīng)力相似的區(qū)域穩(wěn)定區(qū)。在增力區(qū)內(nèi)，如存在斷層等構(gòu)造異常發(fā)育地段，原巖應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力會發(fā)生疊加、耦合，兩種應(yīng)力的重新分布從而增強誘發(fā)礦震的可能。

圖4 掘進(jìn)施工巷道應(yīng)力圖

2.2.2 斷層構(gòu)造附近應(yīng)力分布情況

斷層一般是受水平應(yīng)力擠壓而形成，并且處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，斷層中集聚了大量的彈性能，當(dāng)采掘活動靠近或通過斷層構(gòu)造發(fā)育區(qū)域時，斷層構(gòu)造應(yīng)力平衡被打破，斷層彈性能得到釋放，斷層自身應(yīng)力和采掘擾動應(yīng)力相互疊加影響，疊加后的應(yīng)力波及范圍和波及高度明顯增加，進(jìn)而誘發(fā)沖擊地壓或礦震。采掘擾動破壞應(yīng)力分布如圖5 所示。

圖5 原巖應(yīng)力及采掘擾動應(yīng)力分布示意圖

根據(jù)采掘擾動破壞后應(yīng)力分布，建立了圖6 所示的斷層活化力學(xué)模型。斷層受到垂直方向上的應(yīng)力σ1和水平方向的應(yīng)力σ3，斷層面的傾角為α，埋深為H，高差為h，在外界擾動力的作用下，將沿著剪切面形成法向應(yīng)力σn和切向應(yīng)力τn，斷層產(chǎn)生的抵抗變形的剪切應(yīng)力τf和斷層面的正應(yīng)力p。

圖6 斷層活化誘發(fā)礦震的力學(xué)模型

根據(jù)彈性力學(xué)和材料力學(xué)和謝建敏的研究，可求得斷層活化時的擾動力p活，如式所示：

式中：c為內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角；k0為最大應(yīng)力集中系數(shù)；γ為開采上覆巖層容重均值，MN/m3；H為開采巖層的埋深，m；λ為側(cè)壓系數(shù)。

根據(jù)上式可以求得斷層活化時，需要的活化力p活。

下式為斷層活化誘發(fā)礦震的判據(jù)：

其中，在定量計算時，原巖應(yīng)力和斷層應(yīng)力疊加的擾動力p擾可以在自重應(yīng)力的基礎(chǔ)上取一個集中系數(shù)，近似的表征擾動應(yīng)力的大小，如下式所示：

式中：K1為疊加應(yīng)力集中系數(shù)，一般大于K0。

六采區(qū)首采工作面斷層較為發(fā)育，采掘擾動破壞后，導(dǎo)致原巖應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力相互疊加，工作面采動區(qū)域影響范圍內(nèi)的應(yīng)力，在不同方向上動態(tài)重構(gòu)、相互影響、重新分布，從而加大了對煤層上覆巨厚侏羅系砂巖層的應(yīng)力破壞，造成釋放能量增大，誘發(fā)多起震級較大的礦震事件。

3 結(jié) 論

通過對兗州礦區(qū)東灘煤礦六采區(qū)多層關(guān)鍵層斷裂型礦震和原巖應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力耦合型礦震的機(jī)理進(jìn)行了研究，揭示了原巖應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力耦合影響作用下的應(yīng)力場演化規(guī)律及礦震發(fā)生機(jī)理。得出以下結(jié)論：

1）原巖應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力耦合型礦震多發(fā)于首采工作面，其主要機(jī)理是斷層構(gòu)造應(yīng)力平衡被打破，導(dǎo)致原巖應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力相互疊加影響、動態(tài)重構(gòu)、重新分布，疊加后的應(yīng)力波及范圍和波及高度明顯增加，加大了對煤層上覆巨厚砂巖層的破壞，斷層彈性能釋放得到增強，釋放能量增大，進(jìn)而誘發(fā)多起震級較大的礦震事件。

2）從應(yīng)力的角度來說，原巖應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力耦合型礦震是斷層系統(tǒng)應(yīng)力不斷積累，超過了其活化應(yīng)力線，誘發(fā)斷層失穩(wěn)的一種現(xiàn)象。

3）從能量的角度來說，原巖應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力耦合型礦震是一個能量轉(zhuǎn)移、積累和釋放的過程。