基于關(guān)鍵層破斷判別模型的礦震事件規(guī)律研究

丁 湘， 閆 鑫*， 蒲治國， 黃海魚， 李 哲， 劉 溪

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，西安 710054； 2.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

0 引言

隨著煤炭資源開采深度的增加和開采強(qiáng)度的增大，沖擊地壓日益成為威脅礦井安全生產(chǎn)的重要災(zāi)變因素，沖擊地壓災(zāi)害嚴(yán)重制約煤礦的安全高效開采[1-3]。研究表明大能量礦震事件與沖擊地壓之間關(guān)系密切，因此，需要研究大能量礦震事件產(chǎn)生機(jī)理，總結(jié)其顯現(xiàn)規(guī)律，為沖擊地壓防治工作提供理論支撐。錢鳴高等提出的“關(guān)鍵層”理論，指出了煤層頂板上覆厚硬巖層對覆巖移動破壞的控制作用，這一成果為沖擊地壓產(chǎn)生機(jī)理的分析提供了有益的借鑒，奠定了采動巖體運(yùn)移規(guī)律分析的基礎(chǔ)[4-5]。許家林等深入分析了關(guān)鍵層對覆巖采動裂隙的演化、采場礦壓顯現(xiàn)等方面的影響，并基于關(guān)鍵層理論對采場大面積壓架、關(guān)鍵層破壞特征等方面進(jìn)行了深入研究[6-7]。另外，隨著微震監(jiān)測技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，利用大量微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析煤層采動圍巖的破斷運(yùn)移規(guī)律，總結(jié)關(guān)鍵層空間尺度、組合結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)及破斷過程與微震能量事件之間的關(guān)聯(lián)性，成為分析沖擊地壓發(fā)生規(guī)律的有效手段。微震監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅能夠反應(yīng)煤巖體當(dāng)前的危險狀態(tài)，還能預(yù)測沖擊危險性發(fā)展趨勢[8]。賀虎等利用微震監(jiān)測技術(shù)分析關(guān)鍵層破斷前后微震事件的時空演化規(guī)律，將微震監(jiān)測技術(shù)與巖層運(yùn)動理論相結(jié)合，為利用巖層運(yùn)動理論和微震監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合預(yù)測沖擊地壓打下了基礎(chǔ)[9]。陸菜平等通過對煤巖體試樣破裂變形全過程微震信號的分析，為利用微震監(jiān)測預(yù)測預(yù)報沖擊地壓提供了一種新方法[10-12]。

前人對于關(guān)鍵層破斷規(guī)律的研究，多是從巖梁結(jié)構(gòu)模型出發(fā)，以巖梁的受力結(jié)構(gòu)特點分析關(guān)鍵層破斷條件，但巖梁模型具有一定的局限性，在應(yīng)力和應(yīng)變不等效時不宜采用，而煤層開采后形成的頂板多不符合這一條件，理論計算結(jié)果和生產(chǎn)實際有較大偏差[13-14]。由于蒙陜深部侏羅紀(jì)煤田煤層上覆地層為復(fù)雜的河流相沉積，相變頻繁使其覆巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚硬砂巖厚度分布極不均一，因此，本文從工作面上覆巖層的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，將厚硬砂巖關(guān)鍵層概化為彈性薄板，根據(jù)關(guān)鍵層的受力條件建立彈性薄板模型，分析其在煤層采動時的破斷條件，總結(jié)關(guān)鍵層破斷規(guī)律，并將數(shù)值模擬分析結(jié)果與微震監(jiān)測系統(tǒng)獲取的微震能量事件觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證對比，分析關(guān)鍵層厚度和微震大能量事件(1E+03J～1E+05J)之間的關(guān)系。然后從關(guān)鍵層破斷條件出發(fā)，探究微震大能量事件(即礦震事件)的發(fā)生規(guī)律。

1 地質(zhì)概況與開采條件

門克慶井田屬于東勝煤田呼吉爾特礦區(qū)，位于鄂爾多斯高原東南部毛烏素沙地的東北邊緣地帶。行政區(qū)劃隸屬烏審旗圖克鎮(zhèn)、伊金霍洛旗札薩克鎮(zhèn)管轄。井田內(nèi)煤層為近水平煤層，采用全立井開拓方式，一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，采用全部垮落法管理工作面頂板。

門克慶煤礦是呼吉爾特礦區(qū)首個沖擊地壓礦井[15]，具有煤層埋深大(超過700 m)、煤體堅硬(抗壓強(qiáng)度可達(dá)12.2MPa)、上覆厚硬砂巖厚度大且變化區(qū)間寬泛(10～80m)等特點。礦井前期生產(chǎn)過程中，多次發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)事件。3103工作面為礦井北翼首采工作面，回采長度約4 000m，寬度為275m。工作面東側(cè)為北翼12采區(qū)、北側(cè)井田邊界外為葫蘆素煤礦，西側(cè)同水平無設(shè)計巷道，南側(cè)為3-1煤輔運(yùn)大巷。四周均無采動影響。根據(jù)3-1煤沖擊傾向性鑒定結(jié)果，該煤層具有沖擊傾向性。工作面回采期間，頂板巖層破斷活動較為活躍。煤層頂板巖層破斷所產(chǎn)生的動載荷與煤巖體內(nèi)承受的靜載荷相疊加，產(chǎn)生沖擊地壓災(zāi)害的危險性較大。

2 關(guān)鍵層破斷判別模型

煤層開挖后，采空區(qū)頂板和周圍巖體形成一種較特殊的采場結(jié)構(gòu)。和煤層直接接觸的軟弱較薄巖層在自身重力荷載的作用下隨采隨落，破碎的巖體充填進(jìn)入采空區(qū)，煤層上部厚度較大且較堅硬的巖層能夠承受一定的荷載而在一定范圍內(nèi)成為懸頂結(jié)構(gòu)。隨著采掘范圍的逐步擴(kuò)大，懸頂范圍也隨之增大，當(dāng)其所承受的荷載積累到一定程度，超過巖層極限承載能力時，懸頂就會發(fā)生破斷。懸頂?shù)耐蝗黄茢噙^程中的動荷載直接作用在下部煤巖體之上，與煤巖體內(nèi)的靜荷載疊加后可能導(dǎo)致礦震及沖擊事件，在微震監(jiān)測系統(tǒng)中表現(xiàn)為微震大能量事件。因此，可以通過判斷上部厚硬巖層(關(guān)鍵層)的破斷條件來分析微震大能量事件的產(chǎn)生條件，進(jìn)而探索沖擊地壓的發(fā)生條件。

在采場結(jié)構(gòu)形態(tài)中，常用的巖層結(jié)構(gòu)有兩種，分別為梁模型和板模型[16-20]。鑒于梁模型模擬大面積懸頂?shù)木窒扌裕瑢⒚簩禹敯鍘r層視為彈性薄板，建立彈性薄板力學(xué)模型。煤層開采后，將首先引起煤頂硬巖層的垮落，煤頂硬巖層破碎后垮入采空區(qū)，其體積將產(chǎn)生碎脹(圖1)。若煤頂硬巖層垮落厚度為∑h，考慮其碎脹系數(shù)KP，則垮落巖塊堆積體的高度為KP·∑h，跨落碎塊堆積體與其上厚硬砂巖關(guān)鍵層之間的殘余空間高度：

D=∑h+M-KP·∑h=M-∑h(Kp-1)

(1)

式中：∑h為煤頂硬巖層厚度，m；M為煤層采高，m；KP為巖石碎脹系數(shù)，可取1.1～1.4。

圖1 煤頂硬巖層初次垮落后采空區(qū)情形示意圖Figure 1 Schematic diagram of coal roof hard rock gobsituation after first caving

隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，由于厚硬砂巖關(guān)鍵層強(qiáng)度較大，因此繼續(xù)呈懸露狀態(tài)，將此時的關(guān)鍵層視為一懸露的彈性薄板，薄板在自身重力及上覆荷載作用下將產(chǎn)生一定的彈性變形，當(dāng)薄板的最大撓度f

關(guān)鍵層撓度計算參照《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》基于彈性薄板理論得出的撓度計算公式：

(2)

(3)

式中：C為撓度系數(shù)；q為關(guān)鍵層所承受荷載，N/m2；l為取采動空間巖層的長寬尺寸中較小者，m；E為彈性模量；h′為關(guān)鍵層厚度，m；μ為泊松比。

以三邊固支一邊簡支(關(guān)鍵層周期破斷)作為采空區(qū)上覆頂板邊界條件，關(guān)鍵層撓度計算按式(2)進(jìn)行，撓度系數(shù)C根據(jù)邊界條件不同按表1選取。

擬合公式：

C=-0.002 1X+0.003 7

(4)

式中：X為老頂長寬比。

表1 三邊固支一邊簡支模型撓度系數(shù)C選取Table 1 Data sheet of secure support on three sides and simple support on one side model flexibility factor C selections

在工作面推進(jìn)的不同階段，關(guān)鍵層破斷前后的邊界支撐形式不同，初次破斷后按照一邊為采空區(qū)簡支另外三邊實體煤固支的支撐方式計算，則有：

(5)

式中：a為關(guān)鍵層破斷距，m；λ為工作面推進(jìn)距離與工作面長度之比；h′為關(guān)鍵層厚度，m；δs為關(guān)鍵層抗拉強(qiáng)度，MPa；q為關(guān)鍵層所承受荷載，N/m2；μ為泊松比。

按照本地區(qū)生產(chǎn)實際中觀測到的數(shù)據(jù)，巖層垮落角一般為60°，據(jù)此可計算出關(guān)鍵層的跨落距，即巖層懸伸長度La(圖2)。

(6)

式中：∑h為層間距，m；a為關(guān)鍵層破斷距，m。

圖2 關(guān)鍵層跨落距計算示意圖Figure 2 Schematic diagram of key strata cavingwidth computation

將此時的q帶入公式，可得關(guān)鍵層發(fā)生破斷的上限撓度公式：

(7)

則關(guān)鍵層產(chǎn)生破斷的判據(jù)：

(8)

由此可以計算出臨界關(guān)鍵層厚度h′，則有：

(9)

式中：M為煤層采高，m；∑h為煤層頂板與關(guān)鍵層的距離，m；Kp為碎脹系數(shù)。其它參數(shù)含義及單位同前文。

在巖塊碎脹系數(shù)一定的條件下，當(dāng)關(guān)鍵層厚度大于臨界關(guān)鍵層厚度時，關(guān)鍵層下部采空區(qū)將被破碎的巖塊充填，對關(guān)鍵層起到一定支撐作用，關(guān)鍵層失去向下?lián)锨目臻g，將不會破斷，從而不再產(chǎn)生微震大能量事件。

3 關(guān)鍵層破斷數(shù)值模擬

根據(jù)推導(dǎo)出的關(guān)鍵層破斷理論公式(9)，關(guān)鍵層厚度與其破斷效果具有直接聯(lián)系。因此，建立數(shù)值模擬模型，在其它條件一定的情況下，通過分析不同關(guān)鍵層厚度條件下煤層開挖后關(guān)鍵層的破壞范圍來分析關(guān)鍵層厚度與其破壞狀態(tài)之間的關(guān)系。關(guān)鍵層塑性破壞區(qū)范圍越大，其破斷后引發(fā)的微震大能量事件的可能性就越大。

以門克慶煤礦3103工作面綜合柱狀數(shù)據(jù)為主，參考MS05、MS19等周邊鉆孔數(shù)據(jù)，對地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行整理分析，考慮到相鄰巖層的巖性及物理力學(xué)參數(shù)差異較小，因此對鄰近薄巖層進(jìn)行概化合并，利用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模擬模型。

分析模型開挖過程中塑性破壞區(qū)變化情況，發(fā)現(xiàn)在工作面推進(jìn)至約180m時，塑性破壞區(qū)發(fā)育至關(guān)鍵層部位，在開挖至180m之前，塑性破壞區(qū)發(fā)育高度均位于關(guān)鍵層之下，且塑性破壞區(qū)空間形態(tài)基本一致。因此，以開挖至180m步距為起點，以中心剖面圖上塑性破壞區(qū)面積為統(tǒng)計對象，分別統(tǒng)計不同關(guān)鍵層厚度條件下，位于關(guān)鍵層巖層底板以上塑性破壞區(qū)發(fā)育范圍，從而對比出關(guān)鍵層厚度對巖層穩(wěn)定性的影響(圖3)。

圖3 關(guān)鍵層厚度對塑性破壞區(qū)發(fā)育范圍的影響Figure 3 Impact from key strata thickness on plasticfailure area development range

關(guān)鍵層厚度對煤層開挖后塑性破壞區(qū)分布范圍有較大影響。在工作面由180m推進(jìn)至300m的過程中，關(guān)鍵層的影響規(guī)律是一致的，即關(guān)鍵層厚度在24m左右時，塑性破壞區(qū)的范圍相對而言是最大的，在關(guān)鍵層厚度約34m以上時，其塑性破壞區(qū)范圍趨于穩(wěn)定。這一結(jié)果與微震觀測的能量事件產(chǎn)生規(guī)律類似，即關(guān)鍵層厚度在某個范圍值之內(nèi)時，產(chǎn)生大能量事件的頻數(shù)較大，在這個范圍外產(chǎn)生大能量事件的頻數(shù)逐漸減小。關(guān)鍵層厚度在26m左右時，產(chǎn)生的單位面積1E+04J微震能量事件明顯大于其它厚度關(guān)鍵層條件下的能量事件數(shù)量(圖4)?？梢婈P(guān)鍵層厚度對上覆巖層破斷具有較大影響。

圖4 不同關(guān)鍵層厚度和推進(jìn)距離條件下塑性破壞區(qū)發(fā)育范圍變化Figure 4 Plastic failure area development range variationunder different key strata thicknesses and advances

4 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

門克慶煤礦3103工作面回采過程中大能量微震事件相對較少，共監(jiān)測到大于1E+03J能量事件579次，其中1E+03J能量事件545次，占比94%；1E+04J能量事件33次，占比6%，無1E+05J及以上能量事件。微震大能量事件在平面東西方向上分布基本均勻；在南北向回采方向上，1E+03J能量事件在230～600m分布集中，600～1 200m分布相對集中，1 400～2 300m區(qū)域分布相對較少，均勻，2 300～3 913m區(qū)域內(nèi)零星分布；1E+04J能量事件主要分布在260～290m，1 300～2 300m區(qū)域分布相對均勻，在其他區(qū)域基本無分布(圖5)。

3103工作面頂板覆巖的關(guān)鍵層是直羅組一段底部的七里鎮(zhèn)砂體，厚度整體較大，厚度區(qū)間為8.3～35m，平均厚度為20.68m。經(jīng)過對微震監(jiān)測各級能量事件與主要砂體展布規(guī)律的對比分析，1E+04J能量事件和1E+03J能量事件在平面上分帶性強(qiáng)。根據(jù)工作面微震監(jiān)測大能量事件與關(guān)鍵層厚度對比，1E+03J能量事件主要分布在關(guān)鍵層厚度的大值區(qū)，即24～34m區(qū)間內(nèi)，占比71.48%；1E+04J能量事件也是在高值區(qū)比較突出，在26m左右頻次占比47.17%(圖6，圖7)。

圖5 門克慶煤礦3103工作面關(guān)鍵層展布與微震能量事件關(guān)聯(lián)性分析Figure 5 Relevance analysis of working face No.3103 key strataextension and microseismic energy event in Menkeqing coalmine

圖6 門克慶煤礦3103工作面關(guān)鍵層厚度與1E+04J微震能量事件關(guān)系Figure 6 Relationship between working face No.3103key strata thickness and IE+04J microseismic energyevent in Menkeqing coalmine

圖7 門克慶煤礦3103工作面關(guān)鍵層厚度與單位面積1E+04J微震能量事件關(guān)系Figure 7 Relationship between working face No.3103Key strata thickness and specific area IE+04J microseismicenergy event in Menkeqing coalmine

根據(jù)工作面關(guān)鍵層厚度與微震大能量事件總能量對比分析，該工作面主要微震能量分布在關(guān)鍵層的大值區(qū)，在22～31m區(qū)間內(nèi)，并且向兩側(cè)減少的趨勢明顯(圖5)。

綜合分析認(rèn)為，關(guān)鍵層厚度越大，為微震事件提供的能量越大，微震事件頻次越高。但關(guān)鍵層厚度增加至一定程度，微震能力迅速減少，大能量事件頻次迅速降低。

5 結(jié)論

1)從微震監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，微震大能量事件集中發(fā)生在某一關(guān)鍵層厚度區(qū)間之內(nèi)。在關(guān)鍵層厚度過大或過小的區(qū)域，微震大能量事件頻數(shù)均較小，說明微震大能量事件的產(chǎn)生和關(guān)鍵層厚度具有明顯關(guān)聯(lián)。

2)關(guān)鍵層厚度較小的情況下，由于破斷前積蓄的彈性勢能有限，微震大能量事件發(fā)生頻率較小。

3)關(guān)鍵層達(dá)到一定厚度后，由于下伏巖層破斷后巖體碎脹體積增大，占據(jù)了下部采空區(qū)，并支承上部關(guān)鍵層，使得關(guān)鍵層缺乏達(dá)到撓度極限的條件，從而不再產(chǎn)生破斷。

4)基于關(guān)鍵層破斷判別模型，在其它參數(shù)變化較小的情況下，可依據(jù)關(guān)鍵層厚度來判斷容易產(chǎn)生微震大能量事件的區(qū)域。微震監(jiān)測數(shù)據(jù)與判別模型具有較好的一致性，該模型可用來指導(dǎo)礦井礦震預(yù)測預(yù)報與沖擊地壓。