深埋構(gòu)造區(qū)實體煤巷道礦震機制及防治

秦子晗，陳存強，李福宏，張 勇，杜濤濤

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.華能慶陽煤電有限責(zé)任公司，甘肅 慶陽 745000)

0 引 言

礦震是礦山在采掘過程中采場圍巖應(yīng)力場失穩(wěn)的異常狀態(tài)，表現(xiàn)為局部彈性能突然釋放而造成煤巖體震動。礦震不同于沖擊地壓，但礦震會誘發(fā)沖擊地壓，研究表明，礦震能量達到104J時，便有可能誘發(fā)沖擊[1]。從沖擊地壓礦井現(xiàn)場采掘活動來看，礦震的產(chǎn)生很難避免，尤其是頻繁的大能量礦震將對采場圍巖穩(wěn)定和人員生命安全帶來最直接的威脅。礦震及沖擊地壓是當前煤礦的典型動力災(zāi)害之一，國內(nèi)外研究學(xué)者對其進行了大量深入的研究。曹安業(yè)[2]借鑒地震學(xué)參量，對礦震震源破裂機理進行了研究，并得到了礦震輻射能量的傳播模式與衰減規(guī)律。肖江等[3]認為急傾斜煤層中采場煤柱連鎖失穩(wěn)導(dǎo)致上覆堅硬巖層的大面積垮落是產(chǎn)生礦震的主要原因，并提出“空間結(jié)構(gòu)破壞型礦震”觀點。姜福興等[4]認為礦震發(fā)生一是采空區(qū)上方頂板“活化”，導(dǎo)致滑落或剪切失穩(wěn)；二是頂板巖層移動線外擴，造成高應(yīng)力集中區(qū)大范圍失穩(wěn)。潘俊鋒等[5]通過動靜加載組合試驗，發(fā)現(xiàn)在動載破壞中，原始靜載荷的大小對試件動力破壞起到加速作用。針對煤層上覆堅硬巖層活動誘發(fā)的礦震，研究人員主要從采掘活動造成頂板大面積懸頂角度考慮，并提出預(yù)裂頂板的防治措施[6-9]。文獻[10-14]認為地質(zhì)構(gòu)造帶尤其是斷層構(gòu)造是礦震的頻發(fā)區(qū)域，采掘活動引起的斷層活化是礦震產(chǎn)生的主要根源。上述研究在礦震發(fā)生機理及防治技術(shù)研究上均取得一定的成果，但對于既無法擾動厚硬頂板又很難促進斷層活化的實體煤巷道掘進過程中的礦震發(fā)生沒有給予很好的解釋。

以核桃峪礦千米采深條件下實體煤巷道掘進期間的礦震發(fā)生特征和誘發(fā)的沖擊破壞為基礎(chǔ)，對礦震發(fā)生時的巷道圍巖響應(yīng)狀態(tài)進行分析，結(jié)合理論分析與現(xiàn)場實際情況，對2804工作面礦震發(fā)生機制和誘沖機理進行研究。在此基礎(chǔ)上，開展2804工作面掘進期間沖擊地壓防治實踐。

1 工程概況

核桃峪井田位于甘肅省慶陽市正寧縣西南部，屬于寧正煤田，主采煤層為8號煤層，平均厚度12.74 m，傾角2°～7°，結(jié)構(gòu)簡單。根據(jù)井田內(nèi)鉆孔柱狀圖，首采盤區(qū)平均埋深為966.9 m，局部超過1 000 m。井田構(gòu)造總體上為一向北西方向平緩傾斜的復(fù)式單斜構(gòu)造，受其南側(cè)彬縣—黃陵坳褶曲構(gòu)造活動影響，呈現(xiàn)出向北東至北東東方向展布的寬緩隆起與凹陷，其主體為羅家堡背斜，背斜南側(cè)發(fā)育有間距1.0～2.5 km大致呈翅狀排列的2組背、向斜。根據(jù)核桃峪礦首采盤區(qū)三維勘探結(jié)果，首采盤區(qū)分布有28條斷層，其中落差在10 m以上的有13條。

首采盤區(qū)地應(yīng)力測試結(jié)果表明：該區(qū)域最大水平主應(yīng)力為30.34 MPa，最小水平主應(yīng)力為15.48 MPa，垂直應(yīng)力為24.32 MPa，屬于高應(yīng)力區(qū)域，最大水平主應(yīng)力方向為NNE方向，與巷道夾角38°。核桃峪煤礦所采8號煤層具有弱沖擊傾向性，經(jīng)評價煤層具有中等沖擊危險。目前尚未回采，正在進行首采工作面的掘進作業(yè)，工作面兩巷道沿底掘進，留設(shè)厚1.5～2.0 m底煤，掘進期間曾發(fā)生多次礦震事件，表現(xiàn)為巨大聲響和震動，并伴有頂板急劇下沉和底板瞬間鼓起等動力現(xiàn)象。

2 巷道礦震發(fā)生機制

2.1 礦震發(fā)生

2804工作面作為首采工作面，兩巷均為實體煤巷道，掘進初期，大部分微震監(jiān)測事件能量在104J以下，其中能量低于103J的微震事件占比達到94.6%。隨著巷道繼續(xù)掘進，開始出現(xiàn)聲響較為巨大的煤炮，并伴有采場震動，頂板掉渣等現(xiàn)象，對比微震監(jiān)測系統(tǒng)，造成礦震現(xiàn)象的微震事件能量均在104J以上。能量最大的一次微震事件發(fā)生在2019年9月21日回風(fēng)巷掘進工作面后方110 m處，位于向斜軸部區(qū)域，能量達到1.3×105J，此次震動造成巷道20 m范圍頂板瞬間下沉，下沉量300～400 mm，部分錨索托盤變形外翻，同時伴有200 mm左右底鼓，兩幫變形100～200 mm。

2.2 深埋構(gòu)造區(qū)巷道卸荷作用分析

2804工作面巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布并進入二次平衡狀態(tài)。圍巖由淺至深依次分為破壞區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)[15]。

由于煤體強度與圍壓強度呈正比關(guān)系，因此開挖前煤體在三向應(yīng)力作用下并未發(fā)生破壞，外力做功以彈性變形能的形式儲存在煤體之中。巷道開挖后，煤體發(fā)生卸壓破壞，根據(jù)能量守恒原理，巷道系統(tǒng)能量發(fā)生轉(zhuǎn)化，一部分轉(zhuǎn)化為巷道圍巖的可釋放變形能(彈性能)，造成圍巖局部能量的積聚，另一部分則為耗散能，用于劣化煤體、裂縫破壞、產(chǎn)生聲響、震動等。

2804工作面受大采深、地質(zhì)構(gòu)造影響，原巖應(yīng)力場呈現(xiàn)非均勻性，在構(gòu)造區(qū)域原巖應(yīng)力及積聚的變形能都遠高于其他區(qū)域。在上述高圍壓環(huán)境下，煤體的迅速開挖，一方面造成巷道塑性破壞區(qū)的卸壓速率高于其他區(qū)域，使得彈性能向耗散能迅速轉(zhuǎn)化，煤巖體更易發(fā)生破壞；而另一方面巷道彈性區(qū)內(nèi)仍受高圍壓作用，蓄能能力增強，產(chǎn)生的能量積聚也高于其他區(qū)域。同時，上述能量變化導(dǎo)致巷道彈塑性交界區(qū)兩側(cè)的能量壓降較大[16]，使得極限平衡區(qū)失穩(wěn)可能性增加。

2.3 實體煤巷道礦震發(fā)生機制

一般情況下，礦震主要發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜、構(gòu)造應(yīng)力較大、斷裂活動較顯著、巖層較堅硬的礦區(qū)。而在實體煤巷道掘進期間，對頂板及斷層的擾動較弱，頂板斷裂和斷層活化的可能性較小，因此其礦震發(fā)生主要來自巷道圍巖快速卸壓帶來的煤巖體破裂，造成煤巖體中聚集的彈性能以震動波形式向外釋放。根據(jù)前述分析，在千米采深和斷層、向斜構(gòu)造影響下的高地應(yīng)力異常區(qū)域，由巷道開挖帶來的卸壓破壞，使得塑性破壞區(qū)彈性能向耗散能迅速轉(zhuǎn)化，礦震甚至沖擊破壞便成為能量過快釋放的一種形式。

2804工作面區(qū)域內(nèi)斷層及向斜構(gòu)造帶來水平構(gòu)造應(yīng)力的不均勻分布，而應(yīng)力大小又與采深成正相關(guān)。在該區(qū)域進行巷道開挖必然帶來高差應(yīng)力，而根據(jù)摩爾準則，煤巖體破壞與差應(yīng)力大小是密切相關(guān)的[17]，因此，高應(yīng)力區(qū)是核桃峪礦實體煤巷道掘進時礦震發(fā)生的必要條件，在不存在高應(yīng)力條件時，即便存在斷層構(gòu)造，也很難出現(xiàn)礦震現(xiàn)象。

根據(jù)前述分析和工作面礦震顯現(xiàn)情況，實體煤巷道掘進期間的礦震現(xiàn)象主要源于巷道圍巖卸壓作用下彈性變形能的突然釋放，其震源位置較淺，釋放能量相對較小，大部分情況僅表現(xiàn)為聲響和震動，并未造成沖擊破壞。但由于巷道圍巖應(yīng)力重新分布需要一定周期，在穩(wěn)定之前，礦震現(xiàn)象較為頻繁，單次礦震雖不足以造成沖擊破壞，但局部區(qū)域的頻繁礦震則會造成沖擊危險性的增加。

3 巷道圍巖的礦震響應(yīng)特征

3.1 微震事件分布特征

根據(jù)2804工作面巷道掘進期間10個月的微震監(jiān)測分析，能量在104J以上微震事件的共有72次，分布如圖1所示。從空間位置來看，大能量微震事件主要集中在鄰近斷層和向斜軸部區(qū)域，從掘進位置來看，微震發(fā)生又主要集中在掘進工作面后方150 m范圍內(nèi)。

圖1 2804工作面掘進期間104 J以上微震事件分布情況Fig.1 Distribution of large energy microseisms during driving of No.2804 working face (microseisms above 104 J)

3.2 圍巖變形及礦震響應(yīng)特征

2804工作面礦震事件發(fā)生時除能量1.3×105J微震事件造成巷道顯著變形外，其他僅表現(xiàn)為巨大煤炮和震動，巷道并未發(fā)生肉眼可見的破壞和變形。為掌握礦震對巷道破壞的影響，利用現(xiàn)場巷道圍巖變形監(jiān)測系統(tǒng)對大能量微震發(fā)生時的巷道圍巖響應(yīng)情況進行分析。此處以2019-06-26—06-28發(fā)生的2次大能量微震事件為例，分析巷道圍巖響應(yīng)情況，2次微震事件情況見表1。

表1 能量104 J以上微震事件詳情Table 1 Details of microseismic events with energy more than 104 J

根據(jù)微震發(fā)生時間，對應(yīng)微震發(fā)生地點查詢鄰近巷道圍巖監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，圖2為2次大能量微震事件發(fā)生時，圍巖監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)響應(yīng)情況。

圖2 圍巖監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)響應(yīng)情況Fig.2 Data response of surrounding rock monitoring system

由圖2圍巖監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)響應(yīng)情況可得，6月26日大能量微震事件發(fā)生時，頂板淺基點位移從6 mm跳增至12 mm，深基點位移則從20 mm突降至4 mm，錨索受力情況未發(fā)生明顯變化。而6月28日微震事件發(fā)生時，該區(qū)域頂板深基點位移數(shù)據(jù)從不足5 mm跳增至46 mm，淺基點變化不明顯，頂板錨索所受阻力直接由34 kN跳增至46 kN。結(jié)合其他微震數(shù)據(jù)及現(xiàn)場情況分析，當?shù)V震能量超過104J時，現(xiàn)場在表現(xiàn)為聲響和震動的同時，巷道圍巖在同一時間也會發(fā)生肉眼難以觀察的變形和破壞，并且上述變化均為瞬間出現(xiàn)且無任何前兆；當微震事件能量超過105J時，現(xiàn)場則會發(fā)生明顯破壞現(xiàn)象。

3.3 實體煤巷道礦震誘沖危險性分析

礦震發(fā)生時對巷道產(chǎn)生沖擊破壞的影響主要表現(xiàn)在以下2個方面。

1)礦震震源對煤巖體的破壞作用。根據(jù)震源破裂機制，礦震本身就以煤巖體的破裂為表現(xiàn)形式。由于煤體的原生裂縫存在，采掘影響下的礦震震源表現(xiàn)為形成破裂面并沿破裂面錯動，即一般位錯震源[18-19]，主要表現(xiàn)拉張破裂與剪切破裂。因此，位于巷道附近的礦震發(fā)生時可直接對巷道圍巖造成破壞，甚至誘發(fā)沖擊。

2)礦震波疊加靜載對煤巖體的破壞作用。礦震發(fā)生后，其釋放能量以礦震波的形式向四周傳播，對周邊煤巖體的擾動形式表現(xiàn)為壓縮和拉伸[20]。礦震波在傳播過程中，在巷道邊界會發(fā)生反射作用，并與入射波進行疊加，使得巷道圍巖的震波傳播路徑極為復(fù)雜，但最終會造成所傳播能量與圍巖內(nèi)初始積聚能量的疊加，當實際疊加能量超過圍巖承載極限時，便會造成破壞并可能引發(fā)沖擊。

核桃峪煤礦巷道低應(yīng)力區(qū)，在礦震擾動下，圍巖塑性破壞范圍會進一步增加，能量全部用于劣化煤體，不會發(fā)生沖擊，但會產(chǎn)生累計損傷，降低圍巖的抗沖擊能力；對于巷道高應(yīng)力區(qū)，疊加礦震產(chǎn)生的能量超過圍巖平衡極限后，便會轉(zhuǎn)化為動能進而引發(fā)沖擊破壞。礦震誘沖機制從能量轉(zhuǎn)化及傳播角度其流程如圖3所示。

圖3 核桃峪礦實體煤巷道沖擊破壞能量傳遞流程Fig.3 Energy transfer process of impact failure of solid coal roadway in Hetaoyu Mine

4 掘進沖擊地壓防治技術(shù)

根據(jù)核桃峪煤礦巷道礦震發(fā)生機制及誘沖原理，2804工作面掘進期間的防沖工作主要從以下方面開展：①降低巷道開挖時的能量壓降，從而減少礦震發(fā)生；②耗散巷道圍巖高應(yīng)力區(qū)的積聚能量，避免疊加后能量超限；③提高巷道破碎區(qū)支護強度，增加抗沖擊能力。通過采取針對性的現(xiàn)場防治措施，保障2804工作面安全貫通。

4.1 構(gòu)造區(qū)超前大直徑鉆孔

針對掘進工作面前方煤巖體積聚的原始變形能，通過大直徑卸壓鉆孔達到耗能調(diào)壓的目的。一方面降低開挖后巷道邊界的能量壓降，另一方面提前調(diào)整前方應(yīng)力分布，降低開挖時巷道圍巖的卸壓強度。通過上述措施，均可以緩和能量釋放，從而減少大能量礦震現(xiàn)象。

具體施工方式：在掘進工作面施工3個超前大直徑卸壓鉆孔，孔徑153 mm，孔深50 m，兩側(cè)鉆孔向巷幫偏移20°，孔深為52 m，其布置參數(shù)如圖4所示。當掘進工作面至卸壓孔底部距離小于10 m時，補打下一輪鉆孔，如此循環(huán)，即始終保證掘進工作面前方10 m處于卸壓范圍。

圖4 掘進工作面鉆孔布置Fig.4 Layout of head-on drilling

4.2 幫部大直徑鉆孔

巷道開挖后，應(yīng)力重新分布，在圍巖內(nèi)會形成應(yīng)力集中區(qū)。高應(yīng)力區(qū)在礦震擾動下存在沖擊危險，因此采取幫部卸壓，耗散圍巖內(nèi)的積聚能量。幫部卸壓措施為：巷道兩幫各施工1排卸壓孔，孔深20 m，間距1.6 m，孔徑?153 mm(圖5)。

圖5 巷道幫部卸壓鉆孔Fig.5 Pressure relief drilling of roadway side

4.3 巷道支護參數(shù)優(yōu)化

受大采深及多次礦震的累加損傷影響，巷道存在圍巖破碎、頂板下沉等情況，針對上述問題，提出錨索補強的支護優(yōu)化方案，增加巷道圍巖系統(tǒng)的抗沖擊能力。具體措施為，在原錨桿支護基礎(chǔ)上補打?21.8 mm錨索，頂錨索長度8 m，每排由2根增至4根，增加幫部錨索支護，長度4.3 m，每排布置3根，錨索間排距1 600 mm×1 600 mm，安裝在兩排錨桿間，拉拔力至250 kN。支護斷面如圖6所示。

圖6 巷道支護強度優(yōu)化方案Fig.6 Optimization scheme of roadway support strength

4.4 防治效果

2804工作面自“9.21”沖擊顯現(xiàn)后，開始采取上述防治措施，至2020年1月，工作面實現(xiàn)貫通。掘進過程中大能量微震事件的時間分布如圖7所示，在9月份開展上述卸壓工作后，大能量事件數(shù)量急劇減少，降幅最大達到55%，同時由于加強了支護，大能量事件也未對巷道造成沖擊破壞，保障了2804工作面的順利貫通。

圖7 大能量微震事件時間分布Fig.7 Time distribution of high energy microseismic events

5 結(jié) 論

1)核桃峪煤礦在千米采深條件下進行實體煤巷道掘進時，頻繁發(fā)生礦震現(xiàn)象，當?shù)V震能量超過104J時，除發(fā)生巨響和震動外，巷道圍巖會伴有肉眼難以觀察的輕微破壞。

2)實體煤巷道開挖后，在地質(zhì)構(gòu)造形成的高應(yīng)力區(qū)發(fā)生卸壓作用，并造成巷道圍巖彈性區(qū)與塑性破壞區(qū)的高能量壓降，同時巷道圍巖邊界的高差應(yīng)力也促使能量快速釋放，從而產(chǎn)生礦震。

3)實體煤巷道礦震誘發(fā)沖擊地壓主要原因：礦震震源造成的煤巖體破裂，使得圍巖強度降低；其產(chǎn)生的礦震波在傳播過程與巷道圍巖積聚能量疊加，使得極限平衡區(qū)累加能量超過其承載閾值。

4)2804工作面掘進期間，采用超前長距離鉆孔降低巷道開挖時的能量壓降，幫部鉆孔耗散圍巖所積聚彈性能，同時增加幫錨索提高巷道破碎區(qū)支護強度，實現(xiàn)了工作面安全貫通。