鄂爾多斯礦區(qū)高位厚硬巖層破斷機(jī)理及響應(yīng)規(guī)律

高中祥，曲 治，李 友，陳 淼

（1.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引 言

由于地層形成的復(fù)雜性，在煤系地層中會(huì)賦存著硬度高、厚度大的巖層。在我國(guó)的鄂爾多斯地區(qū)，煤層上方存在著有硬度高、厚度大的砂巖組。該巖層具有強(qiáng)度高、厚度大、遠(yuǎn)離采場(chǎng)、懸頂面積大等特點(diǎn)[1]。在該地區(qū)煤礦開采中，隨著工作面煤體的不斷采出，采空區(qū)面積逐漸增大，厚硬巖層會(huì)形成大面積懸頂并積聚大量彈性能，當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)到極限值，厚硬巖層發(fā)生破斷失穩(wěn)并突然釋放積聚的大量彈性能，產(chǎn)生大能量強(qiáng)礦震事件，不僅會(huì)極大的提高井下沖擊地壓發(fā)生概率，影響煤礦安全生產(chǎn)，甚至還會(huì)引起地面強(qiáng)烈震感，對(duì)建筑物構(gòu)成震動(dòng)威脅，對(duì)煤炭安全高效開采與礦區(qū)和諧穩(wěn)定發(fā)展提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，。

我國(guó)學(xué)者對(duì)厚硬巖層破斷規(guī)律進(jìn)行了諸多研究，取得了大量有益成果。蔣金泉等[1-3]建立了厚硬巖層的力學(xué)模型，研究得到了巖層破斷跨度的計(jì)算式，并利用微震、支架壓力及地表下沉等進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)分析；姜福興等[4]研究覆巖結(jié)構(gòu)提出了“載荷三帶”理論，基于該理論對(duì)采場(chǎng)可能發(fā)生的沖擊地壓進(jìn)行了分類和危險(xiǎn)性判定；張明[5-6]提出了基于厚硬關(guān)鍵層破斷導(dǎo)致強(qiáng)礦震的評(píng)估方法，并提出了防控思路；王樹立等[7-8]建立了多工作面聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型，推算了紅層砂巖的破斷步距并闡明了紅層破斷規(guī)律，并利用微震技術(shù)分析驗(yàn)證了響應(yīng)特征。

以往研究主要集中在中低位厚硬巖層破斷響應(yīng)方面，對(duì)于鄂爾多斯地區(qū)賦存的遠(yuǎn)場(chǎng)、高位、巨厚、堅(jiān)硬巖層，在多工作面共同影響條件下的破斷演化規(guī)律及響應(yīng)特征研究較少。本文以營(yíng)盤壕煤礦2201、2202 工作面為背景，以高位厚硬砂巖組為研究對(duì)象，建立高位厚硬巖層破斷力學(xué)模型，對(duì)影響高位厚硬巖層破斷規(guī)律及響應(yīng)進(jìn)行分析。研究成果對(duì)分析高位厚硬巖層的破斷規(guī)律和破斷造成的響應(yīng)規(guī)律有重要意義

1 地質(zhì)概況

營(yíng)盤壕煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西南方向的烏審旗。井田南北長(zhǎng)約13.63 km，東西寬約8.32 km，面積113.32 km2。礦井生產(chǎn)能力1 000萬(wàn)t/a，可采儲(chǔ)量約10 億t。地面標(biāo)高+1 244.6—+1 261.4 m，區(qū)內(nèi)可采煤層為2-2、3-1 煤層，煤層底板標(biāo)高分別為+490—+540 m、+450—+500 m。

營(yíng)盤壕煤礦現(xiàn)主采煤層為2-2 煤層，其中2-2煤層埋藏深度660.38～783.68 m，平均722.88 m，煤層厚度3.16～10.24 m，平均6.29 m。煤層頂板巖性多為粉砂巖及砂質(zhì)泥巖，局部為中細(xì)粒砂巖，底板巖性多為砂質(zhì)泥巖、泥巖。圖1 為營(yíng)盤壕2202 工作面綜合柱狀圖，由圖1 可知，距2-2 煤層上方32 m、193 m 和297 m 處分別存在厚度為10 m 第一層砂巖組、28 m 第二層砂巖組和320 m第三層砂巖組，其中第三砂巖組為該礦井的關(guān)鍵巖層，當(dāng)該巖層出現(xiàn)懸頂時(shí)工作面沖擊危險(xiǎn)性將明顯增大。

圖1 營(yíng)盤壕2202 工作面綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of Yingpanhao No.2202 Face

2 高位厚硬巖層力學(xué)模型

依據(jù)營(yíng)盤壕煤礦2201、2202 工作面及上部高位厚硬巖層，建立四周固支的厚板力學(xué)模型，如圖2 所示。其中，x 軸是工作面走向推進(jìn)方向，y軸是工作面傾斜方向，z 軸是垂直方向，原點(diǎn)O位于厚板中面三軸交匯處，h 為厚硬巖層厚度，a為巖層走向懸露長(zhǎng)度，b 為巖層傾向懸露長(zhǎng)度，q為厚硬巖層所受均布載荷，H 為主關(guān)鍵層與煤層間距，LZ和LQ為工作面沿走向和傾向的推進(jìn)長(zhǎng)度，α 為巖層破斷角。

圖2 高位厚硬巖層力學(xué)模型示意Fig.2 Mechanical model of high thick hard rock stratum

基于符拉索夫理論[9]得到厚板彎曲微分方程組：

式中：D 為抗彎剛度；E 為彈性模量；h 巖層厚度；Ψx、Ψy分別為x、y 的轉(zhuǎn)角；ν 為泊松比；ω 為撓度；G 為剪切變形模量；q 為均布載荷。

當(dāng)下部覆巖跨落后，可將高位厚硬巖層看作固支梁，其邊界條件如下：

將邊界條件式（2） 帶入符拉索夫微分方程式（1） 中，推導(dǎo)計(jì)算得到式（3）：

由式（3） 可知，高位厚硬巖層的破斷將受巖石抗拉強(qiáng)度σ、巖層走向懸露長(zhǎng)度a、巖層傾向懸露長(zhǎng)度b、巖層厚度h、上覆載荷q、泊松比υ 等因素的影響。

假設(shè)厚板模型在工作面沿走向方向長(zhǎng)度為L(zhǎng)Z，在工作面沿傾向方向長(zhǎng)度為L(zhǎng)Q，則厚硬巖層破斷尺寸與開采空間尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

3 高位厚硬巖層破斷分析

為得到營(yíng)盤壕遠(yuǎn)場(chǎng)高位厚硬巖層的破斷規(guī)律，根據(jù)營(yíng)盤壕煤礦具體工程地質(zhì)條件，將相關(guān)參數(shù)帶入力學(xué)模型公式進(jìn)行分析計(jì)算。通過(guò)分析營(yíng)盤壕煤礦 地 質(zhì) 測(cè) 量 數(shù) 據(jù)，得 到[σ] =4.68 MPa，υ=0.3，α=65°，h=320 m，q=11 180 kN/m2。

2201 工作面開采時(shí)，LQ=300 m，根據(jù)巖層運(yùn)動(dòng)理論亦可知，此時(shí)工作面開采覆巖破壞高度（約為短邊長(zhǎng)度1/2）[10]亦未波及高位厚硬巖層，巖層穩(wěn)定性未受到明顯影響。

2201、2202 工作面開采時(shí)，雙工作面傾向長(zhǎng)度LQ=600 m，此時(shí)工作面開采覆巖破壞高度開始波及高位厚硬巖層；由式（4） 計(jì)算得b=320 m；進(jìn)一步代入式（3） 得，厚硬巖層破斷時(shí)走向長(zhǎng)度a 為260 m，相應(yīng)的工作面走向長(zhǎng)度為540 m。

綜上分析可知，營(yíng)盤壕煤礦2201 工作面推采過(guò)程中，高位厚硬巖層不會(huì)發(fā)生破斷；當(dāng)2202 工作面推采至540 m 左右時(shí)，會(huì)發(fā)生初次破斷。

當(dāng)開采2201 工作面時(shí)，工作面傾向長(zhǎng)度僅為300 m，因?yàn)楦矌r破裂高度為采空區(qū)短邊長(zhǎng)度的一半，高位厚硬巖層距離煤層300 m，因此2201 單工作面開采并未影響到高位厚硬巖層，此時(shí)工作面未受到高位厚硬巖層的能量沖擊，工作面相對(duì)安全，大能量事件較少，如圖3 所示。

圖3 高位厚硬巖層未被破壞時(shí)狀態(tài)圖Fig.3 State diagram of high thick and hard rock strata when not destroyed

在2202 工作面開采之初，兩個(gè)工作面采空區(qū)寬度將達(dá)到600 m，但此時(shí)采空區(qū)范圍較小，隨著工作面推進(jìn)，裂隙將發(fā)育至高位厚硬巖層，高位厚硬巖層逐漸起到支撐作用，由于其厚度較大、強(qiáng)度較高，易造成大范圍的懸頂，但不會(huì)發(fā)生破斷，集聚大量的彈性能，如圖4 所示。

圖4 高位厚硬巖層離層時(shí)狀態(tài)圖Fig.4 State diagram of high-level thick hard rock bed separation

當(dāng)繼續(xù)回采2202 工作面時(shí)，隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)范圍變大，采空區(qū)上覆巖層逐漸垮落和破斷，懸頂下部空間足夠大，破壞范圍發(fā)育至高位厚硬巖層，據(jù)計(jì)算結(jié)果推采至540 m 左右時(shí)，達(dá)到其極限破斷強(qiáng)度，高位厚硬巖層發(fā)生破斷并會(huì)釋放大量能量，誘發(fā)大能量事件。大能量事件在該地區(qū)并不少見，能量沖擊會(huì)對(duì)巖體造成擾動(dòng)，巖體擾動(dòng)極易發(fā)生沖擊地壓事故，尤其是開采之初，高位厚硬巖層的斷裂對(duì)工作面會(huì)造成嚴(yán)重影響，如圖5所示。

圖5 高位厚硬巖層破斷時(shí)狀態(tài)圖Fig.5 State diagram of high thick and hard rock strata when breaking

4 微震規(guī)律分析

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，高位厚硬巖層的損傷破壞，必然會(huì)伴隨著能量事件，因此有必要對(duì)營(yíng)盤壕煤礦2201、2202 工作面推進(jìn)期間的能量事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2201 工作面開采期間監(jiān)測(cè)到的大能量事件主要受頂板斷裂影響，此期間未影響到高位厚硬巖層，因此對(duì)2202 工作面開采期間的大能量事件進(jìn)行研究分析。

2202 工作面自2019 年8 月7 日開始回采，至2021 年6 月10 日期間，工作面推進(jìn)約1 317.8 m。因?yàn)楦呶缓裼矌r層的破斷會(huì)釋放積聚的大量能量，因此為了更準(zhǔn)確的研究高位厚硬巖層破斷帶來(lái)的影響，對(duì)此期間發(fā)生的大能量礦震（105J 以上） 事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分析研究其規(guī)律。

該期間共發(fā)生22 次大能量事件，對(duì)大能量事件進(jìn)行重新標(biāo)定和能量計(jì)算，最終分析確定在2202 工作面推采期間因采掘影響引發(fā)的能量大于105J 以上的礦震共發(fā)生21 次，占總頻次的0.14%，能量占總能量的27.59%，大能量礦震雖然發(fā)生頻次低，但是其釋放的總能量卻高于低能量礦震，如圖6 所示。

圖6 2202 工作面回采期間大能量礦震頻次、能量占比Fig.6 No.2202 Face during the mining period of large energy mine earthquake frequency,energy ratio

圖7 是2202 工作面回采期間大能量事件的平面圖。由圖7 可知，能量大于105J 的礦震事件大多分布在工作面兩巷、工作面見方與2201 采空區(qū)二次見方，表明2202 工作面開采過(guò)程中，裂隙逐漸向上發(fā)育至高位厚硬巖層，導(dǎo)致高位厚硬巖層大面積懸頂、斷裂釋放大量能量，造成大能量事件。

圖7 2202 工作面回采期間大能量事件（1×105J 及以上） 平面圖Fig.7 No.2202 Face mining during large energy events(1×105 J and above)plan

由表1 可知，能量大于105J 的礦震事件主要發(fā)生于工作面后方100 m 左右且分布在工作面進(jìn)尺500～700 m，即雙工作面見方時(shí)，表明在此期間內(nèi)高位厚硬巖層發(fā)生破斷，厚硬巖層內(nèi)的大量能量被釋放，因此造成多次大能量事件。

表1 2202 工作面開采期間大能量事件（1×105J 及以上） 對(duì)應(yīng)位置統(tǒng)計(jì)Table 1 No.2202 Face during mining large energy events(1×105 J and above)corresponding position statistics table

5 結(jié) 論

（1） 將營(yíng)盤壕煤礦具體的工程地質(zhì)條件帶入建立的力學(xué)模型及公式，可以得到高位硬厚巖層在2201 工作面開采時(shí)不發(fā)生破斷，2202 工作面開采時(shí)雙工作面聯(lián)合致動(dòng)高位硬厚巖層發(fā)生破斷。

（2） 當(dāng)2201 工作面開采時(shí)，巖層裂隙未發(fā)育至高位硬厚巖層；2202 工作面開采前期，雙工作面傾向長(zhǎng)度達(dá)到600 m，開采影響到高位硬厚巖層，導(dǎo)致其大面積懸頂并積聚大量彈性能；當(dāng)2202 工作面開采至雙工作面見方時(shí)，高位硬厚巖層發(fā)生破斷釋放大量能量，此時(shí)大能量事件明顯增多。