遠場高位厚硬巖層破斷運動機理及響應(yīng)規(guī)律研究
2023-12-21 09:25:42張廣超孟祥軍馬俊鵬李志勇周廣磊
煤炭科學技術(shù) 2023年11期
張廣超 ，曲 治 ，孟祥軍 ，馬俊鵬 ，王 超 ，王 磊 ，李志勇 ，王 冬 ，周廣磊
（1.山東科技大學 能源與礦業(yè)工程學院, 山東 青島 266590；2.兗礦能源集團股份有限公司, 山東 濟寧 272000；3.深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室, 安徽 淮南 232001）
0 引 言
由于形成于不同的地質(zhì)歷史時期，地層中不可避免地出現(xiàn)強度高、厚度大、整體性好的厚硬巖層，厚硬巖層是煤炭開采過程中較為常見的一種地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在我國大同、兗州、新汶、鄂爾多斯、艾維爾溝等礦區(qū)均有分布[1-3]。特別是當厚硬巖層賦存高、遠離采場時，其破斷運動將影響覆巖大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，甚至會誘發(fā)沖擊地壓、強礦震、煤與瓦斯突出等強烈動力災(zāi)害[4-7]。以我國鄂爾多斯地區(qū)為例，煤系地層中賦存有白堊系砂巖組，其強度高、厚度大、距離煤層遠，在煤炭開采實踐中，白堊系砂巖組破斷將造成地表急劇下沉、大能量礦震頻發(fā)的強烈礦壓顯現(xiàn)，甚至造成礦井停產(chǎn)停面，嚴重影響煤炭安全高效開采，因此，對遠場高位厚硬巖層破斷運動規(guī)律展開深入系統(tǒng)研究對于實現(xiàn)動力災(zāi)害防治及煤炭安全高效開采具有重要意義。
近年來，國內(nèi)外學者對厚硬巖層破斷運動規(guī)律進行了大量研究，取得了諸多有益成果。蔣金泉等[8]建立了厚硬巖層薄板力學模型，得到了巖層破斷跨度表達公式，并利用微震、支架壓力進行了巖層破斷動力響應(yīng)分析；姜福興等[9]提出了覆巖運動“載荷三帶”理論，并將其成功應(yīng)用于沖擊地壓災(zāi)害預(yù)測預(yù)報及安全防控；朱衛(wèi)兵等[10]采用了自制的大尺度三維物理模擬實驗平臺，研究了高位關(guān)鍵層“橫U-Y”型破斷特征及其運動規(guī)律；張明等[11-13]提出了厚硬巖層破斷運動演化“臺階效應(yīng)”，揭示了厚硬巖層破斷型強礦震災(zāi)害評估方法和防控思路；王樹立等[14]建立了多工作面聯(lián)合開采條件下的侏羅系紅層力學模型，分析了紅層破斷運動規(guī)律，并利用微震數(shù)據(jù)驗證了其破斷響應(yīng)特征；劉一揚等[15]建立了厚硬巖層周期破斷步距力學模型，并得到了周期破斷步距計算公式，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了驗證；趙通等[16]建立了近距離賦存厚硬巖層破斷的厚板模型，得到了其斷裂失穩(wěn)力學條件，并利用理論分析、數(shù)值模擬等方法進行了驗證。上述成果為厚硬巖層破斷力學規(guī)律研究提供了有益借鑒，但由于地層地質(zhì)條件的復(fù)雜性，厚硬巖層物理力學特性及其在地層中的賦存層位存在顯著差異，加之開采順序與工藝方法造成的邊界支承條件的區(qū)別，都將對厚硬巖層破斷運動規(guī)律產(chǎn)生顯著影響；且以往研究主要集中在中-低位厚硬巖層破斷規(guī)律及其響應(yīng)特征方面，對鄂爾多斯地區(qū)賦存的遠場高位白堊系厚硬巖層在多工作面大空間開采條件下的破斷機理及響應(yīng)規(guī)律研究較少。
山東能源集團鄂爾多斯能化有限公司地區(qū)營盤壕煤礦2201、2202 工作面為典型的高位厚硬白堊系砂巖賦存工作面，基于2201、2202 工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件，利用符拉索夫厚板理論建立遠場高位厚硬巖層的厚板力學模型，對遠場高位厚硬巖層破斷運動力學條件及其主要影響因素進行研究，進而揭示2201、2202 工作面連續(xù)開采過程中高位厚硬巖層的破斷演化過程，并通過地表沉陷、微震響應(yīng)規(guī)律進行驗證分析。本研究成果對于類似地層條件下動力災(zāi)害防治及煤炭安全高效開采具有重要指導意義。
1 工程概況
營盤壕煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西南部的烏審旗。井田南北長約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t/a，可采儲量103 686 萬t。地面標高+1 244.6～+1 261.4 m，當前主采2-2 煤層，煤層底板標高分別為+490～+540 m，平均埋深722.88 m，煤層厚度3.16～10.24 m，平均6.29 m，以暗煤為主，亮煤次之，半暗型煤為主，煤層普氏硬度為f=1.36。
22 采區(qū)為2-2 煤層首采區(qū)，共布置6 個工作面，2201 工作面為首采工作面。主要研究對象為2201、2202 工作面，兩工作面傾向長度均為300 m、走向長度均為2 709 m；2201 工作面于2017 年3 月開始回采至2019 年7 月回采結(jié)束；2202 工作面于2019 年8 月開始回采，目前已回采1 317.8 m 左右，如圖1 所示。
圖2 為2202 工作面K7-7 鉆孔柱狀圖。通過關(guān)鍵層理論計算可知，2202 工作面頂板含有多層關(guān)鍵層組，其中白堊系內(nèi)主要有關(guān)鍵層4、5 兩層關(guān)鍵層組，其均具有厚度大、強度高、整體性強、距離煤層遠的特點。由礦山巖層運動理論可知，煤炭開采過程中，隨著開采面積的不斷增大，采空區(qū)上覆巖層不斷發(fā)生垮落，離層裂隙逐步向上發(fā)展并止于高位厚硬巖層底部[17]；隨著開采面積不斷增大，離層空間逐漸增大，厚硬巖層逐漸懸露，當達到破斷極限時，厚硬巖層破斷將對采場覆巖運動造成影響，甚至會產(chǎn)生地表強烈沉降、大能量礦震等事件，威脅礦井安全高效生產(chǎn)。由此推知，對于營盤壕22 采區(qū)而言，侏羅系白堊系砂巖破斷運動將對下部煤炭安全高效開采產(chǎn)生重要影響，開展針對性研究極具必要性和緊迫性。
圖2 K7-7 鉆孔柱狀Fig.2 Comprehensive histogram of borehole K7-7
2 厚硬巖層板結(jié)構(gòu)模型及破斷解析
由于白堊系巖層厚度大、距采場遠、強度高，其初次破斷前懸露面積大，采用梁理論計算求解破斷規(guī)律會產(chǎn)生較大偏差，因此，采用符拉索夫厚板理論[18]建立厚硬巖層空間結(jié)構(gòu)力學模型并進行破斷規(guī)律分析。需要說明的是，由于當前開采階段采空區(qū)范圍不足夠大，主要以白堊系內(nèi)關(guān)鍵層4 破斷運動為主，故研究的厚硬巖層主要是關(guān)鍵層4，其厚度為81 m，距離煤層334 m，如圖2 所示。
2.1 厚硬巖層板結(jié)構(gòu)力學模型構(gòu)建
由板結(jié)構(gòu)理論[19-21]可知，當巖層厚度與破斷面最小特征尺寸之比小于1/5 時，可用彈性薄板的相關(guān)理論求解，但當巖層厚度與破斷面最小特征尺寸之比大于1/5 時，應(yīng)采用厚板的相關(guān)理論求解，據(jù)此，可將厚硬巖層破斷問題視為厚板結(jié)構(gòu)問題處理。同時2201、2202 工作面四周無明顯切割斷層，由此可以認為，初次破斷前厚硬巖層四周嵌固在巖體內(nèi)并受到下部巖層的支承，形成四周固支的邊界狀態(tài)。并進行如下假設(shè)[18]：①厚硬巖層破斷前屬于彈性變形范疇，符合胡克定律；②厚硬巖層裂隙少，可認為是連續(xù)的，符合連續(xù)性假設(shè)；③厚硬巖層變形前垂直于中面的直線，變形后彎曲成拋物線；④厚硬巖層處于廣義平面應(yīng)力狀態(tài)并忽略橫向應(yīng)變的影響；⑤厚硬巖層的撓度、應(yīng)力沿平板厚度方向呈線性規(guī)律分布。
基于上述假設(shè)條件，以厚硬巖層的中面為基準面，建立四周固支的厚板力學模型，如圖3 所示。其中：x軸是工作面走向推進方向；y軸是工作面傾斜方向；z軸是垂直方向；原點O位于厚板中面三軸交匯處；h為厚硬巖層厚度；a為巖層破斷時的走向懸露長度；b為巖層破斷時的傾向懸露長度；q（x，y）為厚硬巖層所受均布載荷；H為厚硬巖層與煤層間距；LZ和LQ為破斷時工作面沿走向和傾向的推進長度。
圖3 遠場高位厚硬巖層厚板力學模型Fig.3 Thick-plate mechanical model of super-high position hard-and-hick strata
2.2 厚硬巖層初次破斷力學解析
考慮到厚硬巖層賦存條件和彎曲運動復(fù)雜性，采用簡化的符拉索夫理論[22]進行求解。
基于符拉索夫理論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為巖層厚度；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。
四周固支板結(jié)構(gòu)的邊界條件如下：
利用式（2），可得內(nèi)力、內(nèi)力矩表達式：
微分平衡方程可寫為
設(shè)撓度、轉(zhuǎn)角函數(shù)分別為
同時將載荷也展成雙三角級數(shù)：
將（5）、（6）代入（3）中，得：
將Amn、Bmn、Cmn方程組級數(shù)展開到一級（m=n=1），得到：
將（5）、（6）、（8）代入（3）中，得Mx，My：
由于Mx=My，則在x=a/2，y=b/2 時，彎矩取得最大值，可令Mmax=Mxmax得：
厚板下表面最大拉應(yīng)力為
考慮到厚硬巖層抗拉強度最小，其破壞形式主要為拉斷破壞，當厚板下表面應(yīng)力σmax超過其抗拉強度σs時，厚板將發(fā)生張拉破壞，由此可以得到厚板發(fā)生破斷的臨界力學條件為
由式（12）可知，遠場高位厚硬巖層破斷尺寸特征將受巖石抗拉強度σs、巖層厚度h、上覆載荷q、泊松比υ等因素的影響。
當厚板無限長時（b=+∞），可得厚板的極限破斷步距：
當a=b時，厚硬巖層發(fā)生正“O-X”破斷，可得破斷步距為
考慮到巖層破裂角影響，厚硬巖層破斷尺寸與開采空間尺寸對應(yīng)關(guān)系如下：
式中：α為巖層破斷角；LZ為厚板模型在工作面沿走向方向長度；LQ為厚板模型在工作面沿傾向方向長度。
結(jié)合具體工程地質(zhì)條件，厚硬巖層發(fā)生破斷時沿走向懸露長度a和傾向懸露長度b可分別由式（12）—式（14）得到，進而可由式（15）計算得相應(yīng)的開采空間走向和傾向尺度LZ和LQ。圖4 為某一具體條件下厚硬巖層破斷時懸露長度（a、b）與極限破斷應(yīng)力的關(guān)系變化。分析可知，在理想條件下，只有沿走向和傾向的懸露尺寸均達到了破斷極限，厚硬巖層才會發(fā)生破斷；但在實際工程實踐中，工作面走向推進長度要遠大于傾向長度；單工作面開采下，即便走向推進距離達到了破斷極限，但若傾斜長度小于破斷極限，此時厚硬巖層可視為穩(wěn)定的無限長梁，不會發(fā)生破斷，需要多個工作面聯(lián)合開采，使開采空間傾斜方向長度亦達到破斷極限，厚硬巖層才會發(fā)生破斷。
圖4 巖層破斷尺寸（a、b）與巖層抗拉強度σmax 關(guān)系變化Fig.4 Fracture size (a, b) and tensile strength of rock stratum σmax relation change
3 厚硬巖層初次破斷影響因素分析
為進一步研究高位厚硬巖層初次破斷的主要影響因素，巖石抗拉強度取值參考文獻[14,19-21]，取σs=4.68 MPa，q=10 MPa，υ=0.3，建立如下極限狀態(tài)函數(shù)：
依據(jù)式(12)、式(14)，固定其他參數(shù)，每次僅改變單一參數(shù),采用單因素分析法研究各因素對走向懸露長度a的影響規(guī)律。
3.1 抗拉強度
圖5 為厚板巖石抗拉強度σs與走向懸露長度a的影響關(guān)系。由圖5 可知，厚硬巖層走向懸露長度a隨著抗拉強度σs的增大呈現(xiàn)明顯階段性特征：①當抗拉強度σs≤3 MPa 時（S1 階段），隨著抗拉強度增大，巖層走向懸露長度逐漸增大，但增長速率逐漸降低；②當抗拉強度3 MPa≤σs≤10 MPa 時（S2 階段），隨著抗拉強度增大，巖層走向懸露長度近似呈線性增大趨勢，增長速率近似保持固定值；③當抗拉強度σs≥10 MPa 時（S3 階段），巖體抗拉強度對巖層破斷尺寸的影響作用尤為突出，隨著抗拉強度增大，走向懸露長度近似呈指數(shù)型增長，此階段，由于巖體抗拉強度極高，巖體整體性強，巖層發(fā)生破斷難度急速增大，需要更大的開采空間才能提高增大巖層下表面受到的拉應(yīng)力。
圖5 巖石抗拉強度σs 與走向懸露長度a 關(guān)系Fig.5 Relationship between rock tensile strength σs and strike overhang length a
3.2 巖層厚度
圖6 為巖層厚度h與走向懸露長度ɑ的影響關(guān)系。由圖6 可知，遠場高位厚硬巖層走向懸露長度a隨巖層厚度h的增大近似呈現(xiàn)指數(shù)型增長。這是由于巖層厚度越大，相應(yīng)巖層強度越高，其發(fā)生整體破斷所需要的下部離層空間越大，相應(yīng)的巖層懸露長度亦越大。需要說明的是，圖6 是依據(jù)符拉索夫厚板研究所得，在巖層厚度小于40 m 時，巖層厚度過小，巖層屬于薄板范圍，不能應(yīng)用厚板理論研究，故該階段無數(shù)據(jù)。
圖6 巖層厚度h 與走向懸露長度a 關(guān)系Fig.6 Relation between thickness of strata h and strike overhang length a
3.3 傾向懸露長度
式（15）給出了厚硬巖層傾向懸露長度與工作面傾向長度存在對應(yīng)關(guān)系；結(jié)合實際工程開采條件，單個工作面傾向?qū)挾葹楣潭ㄖ?，開采過程中相應(yīng)的厚硬巖層傾向懸露長度b亦為固定值，因此，通過分析傾向懸露長度b與走向懸露長度a的關(guān)系，可間接分析工作面傾向?qū)挾葘裼矌r層破斷尺寸的影響。圖7 為厚板傾向懸露長度b與走向懸露長度a的影響關(guān)系。由圖7 分析可知，厚硬巖層走向懸露長度a隨傾向懸露長度b增大，呈先增大后逐步減小的變化趨勢，總體可劃分為：穩(wěn)定階段、快速增長階段、緩慢減小階段：①當傾向懸露長度b<50 m 時（S1 階段），由于厚硬巖層懸頂面積過小，相應(yīng)的巖層下表面拉應(yīng)力小、且遠小于巖層抗拉極限，此階段巖層無法發(fā)生破斷，處于穩(wěn)定狀態(tài)，故而無相應(yīng)數(shù)據(jù)。②當傾向懸露長度50 m
圖7 傾向懸露長度b 與走向懸露長度a 關(guān)系Fig.7 Relation between inclination overhang length b and strike overhang length a
4 遠場厚硬關(guān)鍵層破斷演化力學過程
根據(jù)營盤壕煤礦具體工程地質(zhì)條件及礦方提供數(shù)據(jù)可知，σs=4.68 MPa，υ=0.3，α=65°，h=81 m，關(guān)鍵層上覆巖層厚度為384 m、相應(yīng)載荷q取10 000 kN/m2。將相關(guān)參數(shù)代入式（12）、式（13）進行分析計算，可分析得到厚硬巖層的極限破斷步距為71 m，當a=b=125 m 時發(fā)生正“O-X”破斷。
由關(guān)鍵層理論可知，關(guān)鍵層發(fā)生破斷需要滿足2 個條件：關(guān)鍵層下部有離層空間，且懸露距離達到巖層極限破斷步距。
1）2201 工作面回采期間，LQ=300 m，LZ=2 704 m，可以認為走向長度無窮大；此階段內(nèi)，工作面開采引起的最大覆巖破壞高度約為采空區(qū)短邊長度的1/2[22]，約150 m，未能波及到白堊系厚硬砂巖，主要是關(guān)鍵層1、2 發(fā)生破斷運動，關(guān)鍵層3、4 保持較好穩(wěn)定性；由式（15）亦可知，LQ=300 m 時，b<71 m，未達到極限破斷步距。因此，2201 工作面開采期間厚硬巖層不會發(fā)生破斷。
2）2202 工作面回采期間，隨著工作面推進，覆巖破裂高度不斷增大，當推采至雙見方階段時，覆巖破裂高度達到最大值，約300 m，此時覆巖運動開始波及到白堊系厚硬巖層，關(guān)鍵層4 下部開始出現(xiàn)離層空間，開始懸頂；此階段內(nèi)2201、2202 兩個工作面傾向長度LQ=600 m，相應(yīng)的關(guān)鍵層傾向懸露長度b=289 m＞71 m，滿足破斷要求；自厚硬巖層開始懸頂、工作面往前繼續(xù)推進382 m，相應(yīng)的厚硬巖層走向懸露長度達到71 m，將會發(fā)生破斷。厚硬巖層發(fā)生破斷時的懸露長度b=289 m＞a=71 m，由此判定巖層將發(fā)生豎向“O-X”破斷。
3）關(guān)鍵層發(fā)生初次破斷后，隨著2202 工作面繼續(xù)推進，厚硬巖層將會發(fā)生周期性破斷，可按照“懸臂梁”結(jié)構(gòu)計算，得出關(guān)鍵層4 周期破斷步距為32 m，即工作面至少推進約188 m 時，關(guān)鍵層4 發(fā)生周期破斷，依次循環(huán)，直至工作面推采結(jié)束，如圖8 所示。
圖8 高位厚硬巖層破斷力學過程Fig.8 Fracture mechanics process of high position hard-and-hick strata
5 遠場厚硬巖層破斷響應(yīng)規(guī)律分析
5.1 地表沉陷響應(yīng)規(guī)律
為驗證上述厚硬巖層破斷演化過程的正確性，對工作面推采過程中地表沉降規(guī)律進行監(jiān)測，分析厚硬巖層破斷演化誘發(fā)的地表響應(yīng)特征。2201、2202 工作面推采過程中，代表性地表巖移觀測線（B、C、E測線），如圖9 所示。
圖9 2202 工作面地表觀測點布置Fig.9 Layout of surface observation points of panel 2202
2201 工作面推采過程中的地表沉陷數(shù)據(jù)表明，2201 工作面推采期間地表沉降值整體較小且無較大變化，最大值僅為339 mm，地表下沉系數(shù)η=0.057，表明2201 工作面開采過程中覆巖未充分運動，白堊系砂巖未能發(fā)生破斷；因此，主要對2202 工作面推采期間地表沉陷規(guī)律進行監(jiān)測與分析。2202 工作面自2019 年8 月開始回采，至2021 年6 月時，工作面已經(jīng)回采1 317.8 m，在此期間對地表沉陷規(guī)律進行監(jiān)測，并在巖層劇烈活動期間增加監(jiān)測次數(shù)，以便獲得詳盡地表沉降變化規(guī)律，繪制2202 工作面回采期間各個測線地表下沉量曲線圖，如圖10—圖12 所示。
圖10 2202 工作面傾向線B1～B58 測點地表下沉統(tǒng)計Fig.10 Statistical of surface subsidence at monitoring points B1～B58 of inclination line of panal 2202
圖10 為沿工作面傾向測點B1～B58 的地表下沉數(shù)據(jù)。由圖可知，地表最大下沉值均出現(xiàn)在B36 號測點附近，2020 年11 月30 日監(jiān)測到最大下沉量1 260 mm，地表下沉系數(shù)η=0.21；該變化趨勢表明：在工作面傾向方向地表下沉系數(shù)較小，地表在持續(xù)下降，巖層未充分沉降。
圖11 為沿工作面走向測點E1～E35 的地表下沉數(shù)據(jù)。由圖11 可知，地表最大下沉值均出現(xiàn)在E27測點附近，2020 年11 月30 日監(jiān)測到最大下沉量726 mm，地表下沉系數(shù)η=0.121。圖12 為沿工作面走向測點C9～C53 地表下沉量，最大下沉值均出現(xiàn)在C44 測點附近，2020 年11 月30 日監(jiān)測到最大下沉量1 162 mm，地表下沉系數(shù)η=0.194。由圖11、圖12可知，在工作面走向方向地表下沉系數(shù)較小，地表在持續(xù)下降，巖層未充分沉降；同時對比圖11、圖12可知，E測線地表下沉量小于C測線地表下沉值，這是由于測線C靠近2201 采空區(qū)造成的。
圖11 2202 工作面走向線E1～E35 測點地表下沉統(tǒng)計Fig.11 Statistical of surface subsidence at measuring points E1～E35 of strike line of panal 2202 working face
圖12 2202 工作面走向線C9～C53 測點地表下沉統(tǒng)計Fig.12 Statistical of surface subsidence at measuring points C9～C53 of strike line of panal 2202 face
圖13 為2202 工作面的地表下沉速度曲線。由圖13 分析可知，B、C、E測線下沉狀態(tài)可以分為3個階段。2020 年3 月之前，工作面推進距小于550 m，地表下沉速度0～1.5 mm/d，為緩慢下沉階段；2020年03 月至2020 年08 月地表下沉速度1.5～10 mm/d，為急劇下沉階段；2020 年8 月以后，下沉速度0～1.67 mm/d，為穩(wěn)定階段。2020 年5 月上旬至2020 年6 月下旬，地表下沉速率保持在7 mm/d 以上，下沉速率最大值分別為9.87、7.97、7.67 mm/d，最大下沉速度出現(xiàn)在采空區(qū)中部，此時工作面距開切眼879～960 m，這與理論分析得到的高位厚硬巖層“OX”破斷區(qū)域相近。
圖13 2202 工作面地表下沉速度Fig.13 Surface subsidence velocity curve of panel 2202
綜合分析圖10—圖13 可知：①2020 年3 月之前，工作面推進距小于550 m ，由于采空區(qū)面積有限，覆巖破壞尚未完全波及厚硬巖層，因而地表下沉量較小。②從2020 年3 月開始，逐漸進入雙見方階段，2201、2202 兩工作面采空區(qū)貫通，形成大范圍采空區(qū)，覆巖破壞高度發(fā)展至厚硬巖層，懸頂面積快速增大，在自重及其上覆巖層重力作用下發(fā)生彎曲下沉，此階段地表下沉速度持續(xù)變大。③2020 年6 月8 日厚硬巖層懸頂距達到極限破斷距，發(fā)生破斷回轉(zhuǎn)下沉，沉降速度猛然增至最大，此時工作面推進距離約為960 m，與理論分析確定的高位巖層破斷步距982 m 較為接近，從而側(cè)面證明了本文理論模型及其解算的正確性。
5.2 微震響應(yīng)規(guī)律分析
營盤壕煤礦采用微震監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測全礦微震信號，對2017 年3 月至2021 年6 月期間2201、2202 工作面微震頻次、釋放能量變化規(guī)律與巖層破斷關(guān)系進行分析。2201 工作面回采期間，主要以小能量微震事件為主，102～103J 區(qū)間的礦震頻次最多，占總頻次的55.06%；105J 以上的微震事件，僅占總頻次的0.77%；該階段微震事件主要是關(guān)鍵層1、關(guān)鍵層2 破斷運動造成的。
2202 工作面回采期間，大能量事件顯著增多，105J 以上礦震共發(fā)生21 次（圖14），多發(fā)生在2202工作面后方100 m 范圍內(nèi)及2201 采空區(qū)范圍內(nèi)，由此可知，2202 工作面大能量礦震主要是采空區(qū)后方頂板巖層破斷引起的。特別地，2020 年5 月上旬至2020 年6 月下旬期間共發(fā)生1×105J 以上微震事件7 次（“5·7”“5·7”“5·9”“5·12”“5·13”“5·13”“6·8”），其中106J 以上微震事件5 次，占比開采以來106J 以上微震事件總量的71.4%；這是由于該時間段內(nèi)，工作面正由距開切眼879 m 推進至960 m過程中，厚硬巖層正處于懸頂→“O-X”破斷過渡期間，厚硬巖層不斷產(chǎn)生裂隙誘發(fā)大能量事件。結(jié)合地表沉陷規(guī)律可知，該階段內(nèi)地表沉降速率均保持在7 mm/d 以上；當工作面推進至960 m 時發(fā)生“6·8”礦震事件，能量達到歷史最大值4.93×106J，此時地表下沉速率亦達到最大值。從強礦震發(fā)生平面位置上看，強礦震發(fā)生在“O-X”破斷區(qū)域，與地表沉降最大值區(qū)域重合度較高，從發(fā)生剖面位置上看，強礦震發(fā)生在距離煤層300～400 m 范圍內(nèi)。
圖14 2022 工作面推采期間大能量礦震事件發(fā)生位置Fig.14 Location of mine earthquakes with large eneries during panel 2022 retreating
根據(jù)文中地表沉陷與微震響應(yīng)時序特征，結(jié)合相鄰礦井白堊系內(nèi)巖層移動監(jiān)測結(jié)果[23]，可以推知，白堊系內(nèi)部厚硬巖層破斷運動是地表沉陷和大能量事件頻發(fā)的主要原因。
6 結(jié) 論
1）針對陜蒙地區(qū)白堊系巖層距煤層遠、厚度大、整體性好的特殊賦存條件，建立了遠場高位厚硬巖層破斷力學模型，采用符拉索夫厚板理論解算出了高位厚硬巖層初次破斷臨界力學判據(jù)，重點分析了厚硬巖層破斷規(guī)律與巖石抗拉強度、厚度、傾向懸露長度的關(guān)聯(lián)性。
2）營盤壕煤礦2201 工作面推采過程中，白堊系砂巖組不會發(fā)生破斷；當2202 工作面推采至960 m左右時，厚硬巖層發(fā)生豎向“O-X”破斷；隨著工作面繼續(xù)推進188 m，厚硬巖層將會發(fā)生周期性破斷。
3）2201 工作面推采期間地表沉降值整體較小且無較大變化；2202 工作面期間地表下沉依次經(jīng)歷緩慢下沉階段、急劇下沉階段、穩(wěn)定階段，地表下沉速度在距開切眼960 m 處達到最大，最大值沉降速率為9.87 mm/d。
4）2201 工作面回采期間，主要以102～103J 小能量微震事件為主，主要是低位巖層破斷運動造成的；2202 工作面回采期間，強礦震主要是采空區(qū)后方頂板巖層破斷引起的，礦震發(fā)生位置處于“O-X”破斷區(qū)域，與地表沉降最大值區(qū)域重合度較高，驗證了文中理論分析的正確性。
