采空区关键层运动对震级的影响分析

陈学华 刘奉超

(1.辽宁工程技术大学煤矿动力灾害防控学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000)

采空区关键层运动对震级的影响分析

陈学华1刘奉超2

(1.辽宁工程技术大学煤矿动力灾害防控学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000)

为有效预防采空区上覆关键层运动诱发工作面矿震事故的发生，根据现场实测数据并通过有限元数值模拟软件对采空区形成过程中上覆关键层破裂区范围的大小进行了模拟。得出鲍店煤矿103上04 工作面影响矿震震级大小的根源为赋存在煤层底板上方100～220 m范围内致密坚固细砂岩、中砂岩组成的关键层的破裂失稳，破裂区面积大小对应震级大小。依据103上04工作面实际震级发生情况提出针对性的解危措施：对工作面后方悬空顶板进行深孔大直径爆破技术改善岩体应力状态，释放关键层积聚过多的弹性能，能够有效防止关键层的整体运动，减小矿震事故发生的强度和频次。

关键层 破裂区 矿震震级 悬空顶板 深孔大直径爆破

随着中国煤矿开采深度和强度逐年增加，矿井相继进入深部开采阶段，与浅部开采相比矿压显现表现为非线性特征，其中以矿震、冲击地压等重大矿井动力灾害最为突出和复杂[1-2]。 矿震是由矿山开采引起的一种地震活动，采掘矿震见诸报道的最高震级为波兰Belchatow煤矿的震级为4.6级，国内最高为辽宁北票台击矿的4.3级[3-5]。一些学者通过对深部采区工作面覆岩结构的分类及其破裂方式对矿震的发生机理进行了研究：如马志峰等[6]对矿震震源机制、发震前兆进行了研究；贺虎等[7]研究了覆岩关键层运动诱发冲击矿压的规律；谷新建等[8]研究了冒落型矿震成因机制；芦东平，潘一山[9]则主要对矿山微震的可视化原理及成像方法进行了归纳总结。

地下采空区顶板垮落时，冒落物冲击煤层底板产生冲击动能，冲击能对采场附近构筑物及设施产生一定的影响[10]。以往探讨的目标多限定于采场附近的基本顶岩层范围内以及煤层前数10米支承压力区。现场事故的发生却显示与矿震等动力灾害有关的岩层范围厚度上已超出传统概念上的基本顶范围[11]。采空区顶板诱发矿震是近年来出现的与开采技术有关的矿井动力灾害现象，它诱发的原因是现代化采矿工程面临的重要难题之一[12]。采空区关键层运动对工作面开采过程中诱发矿震的影响及震级大小的规律还缺乏相应研究。因此开展深部矿井采空区关键层运动对矿震震级影响的研究有助于避免煤矿动力灾害事故的发生及弱化灾害带来的强度。本研究以鲍店煤矿-525 m水平的103上04开采工作面为研究对象，基于关键层控制理论[13]，结合该矿实测矿震震级采用相应的数学模型，对厚煤层开采过程中采空区上部关键层运动引发震级大小进行探究。并提出具体的解危措施，为预防矿震的发生和控制矿震危害提供理论支持。

1 103上04工作面覆岩地质概况

鲍店煤矿十采区为一向斜构造，最深处接近600 m，为该矿3上煤层开采深度最大的地点。103上04工作面开采3上煤层，厚度7.60～11.83 m，平均约8.76 m，绝大部分见煤点在8 m以上。直接顶主要为粉砂岩或砂质泥岩厚4.30～11.78 m，平均8 m。基本顶以中细砂岩为主以及细粉砂岩互层厚33.06～56.37 m，平均35 m。直接底板为铝质泥岩、粉砂岩互层厚度5.53～15.21 m，平均8 m。工作面仰斜开采，从切眼至停采线从东向西推进了1 000 m左右。103上04开采工作面与其他相临工作面布置情况见图1所示。

图1 10采区工作面布置

供分析十采区工作面岩层岩性的钻孔共5个，其中有18勘探线上的鲍61孔、99-1孔、鲍60孔和15勘探线上的195孔、鲍77孔。由5个钻孔柱状图得出的采空区上覆岩层岩性列于表1。

从表1可以看出采空区上方的主体岩层为细砂岩和中砂岩，沉积稳定，厚度较大，平均105.15 m占到岩层总厚的87%。大厚坚硬岩层悬空一定程度时，一旦岩层整体运动，即可形成矿震灾害。矿震发生时震区岩层平均埋深351.86 m，距3上煤约174.57 m。

2 采空区上覆岩层矿震发生情况

表1 采空区上覆岩层岩性统计

随着矿井开采深度与强度的加大，鲍店煤矿地震台网监测到的矿震活动十分频繁且震级较大具有瞬时性。释放能量巨大：1 mm厚(模型厚度)、面积为3 000 m2的岩体脆性破坏释放的能量为2×104J。若按工作面倾斜方向有100 m长的弯曲带岩层发生脆性破坏折算，则3.0×105m2的岩体释放的能量为2.0×109J，相当于里氏3.0级矿震。研究中只涉及大于2.0级的里氏震级，震级小于2.0级的矿震对回采空间无明显危害，频次很多，可不予考虑。表2为鲍店煤矿103上04工作面随推进过程采空区上覆岩层发生较大矿震情况。

表2 103上04工作面采空区矿震发生情况

由表2可知随着103上04工作面推进距离的不断加大顶板岩层垮落不断向上发展，平均37.8 m采空区上覆岩层即发生1次大的矿震，平均震级3.2级。矿震发生时引起工作面及轨道顺槽有明显震感，整个工作面支架安全阀几乎全部开启，轨道顺槽有明显下沉现象，超前支护段普遍扬尘，工作面端头附近压死单体4棵，损坏十字梁10架，有数10棵单体下缩量100～200 mm。煤炮剧烈，伴随顶板运移向外传递，机尾端头支架下缩130 mm。震源位置所处平均层位为-350～-450 m，由致密坚固的细砂岩、中砂岩构成，表明这一水平岩层的变形破坏情况诱导了矿震事故的发生。同时，根据关键层理论判定方法进行计算[12]，确定这一水平的岩层为关键层，见图2。

图2 上覆关键层断裂引发矿震

矿震发生在弯曲带关键层中，由裂隙带岩层的采动破坏所诱发。诱发的实质在于裂隙带岩层的间断拉裂、离层及断裂时力学性质的骤然变化，导致关键层处于临界状态的应力发生急剧变化。关键层在力学属性上集中表现为弹性模量大、强度高。采空区上覆部分岩层或全部岩层的断裂步距即为关键层的断裂步距。如图2所示，关键层的跨断引起大范围的岩层移动，在其破断和失稳垮落的过程中诱发剧烈震动以应力波的形式对煤岩体施加载荷。同时，压缩下方气体产生冲击气浪，形成高压气体动能作用于采空区周边，使处于极限应力平衡状态下的煤岩体系失稳破坏，形成大规模的矿震显现。因此，关键层的运动是直接诱发103上04回采工作面矿震的原因以及决定震级大小的主导因素。

3 关键层运动与震级大小的分析

3.1 关键层运动的数值模拟

为进一步分析关键层运动诱发矿震震级大小的机理和规律。采用RFPA有限元二维数值模拟软件，对这一期间103上04工作面采空区关键层破裂范围进行数值模拟。模拟条件：采深550 m，上覆岩层容重0.000 025 N/mm3，岩样单向抗压强度110.56 MPa，弹性模量35 000 MPa。裂隙带岩层弹性模量30 000 MPa。垮落带岩层弹性模量10 000 MPa。采高8 m，垮落带高度20 m，裂隙带高度52 m。采空区岩体弹性模量500 MPa。采空区上覆岩层活动区长300 m。关键层最大水平主应力26.29 MPa。采动裂缝形成区(沿工作面推进方向的剖面上，回采工作面与裂隙带边界的水平距离)长度为90 m。煤层为近水平煤层。将基本平面模型定在采场立体空间的走向剖面，垂直工作面轴向上，建立初始模型见图3。本次数值模拟岩层属性的采样地点主要在十采区103上04工作面的轨道顺槽。材料本构模型为莫尔-库伦模型。

图3 模型定义示意

3.2 关键层数值模拟与震级的关系

随着工作面的不断推进及表2实测工作面采空区发生较大矿震情况，以开采进尺为标准建立了8个不同震级大小的模型，如图4所示。由于篇幅的限制，这里仅选取5个较大震级进尺时的图片，并不影响结论的得出。

从图4可以看出103上04回采工作面震级大小有明显的规律性：当采空区距上次矿震发生后工作面进尺23 m时上覆关键层发生运动，破裂范围瞬间增大诱发2.9级矿震事故。随工作面进尺距离的加大，诱发震级呈增大趋势。当工作面继续向前推进57 m时裂隙带上位岩层逐次产生多条拉裂缝组，拉裂缝组之间存在一定距离。由于采动累积，工作面后方的裂缝组数量增加，关键层受裂隙带上位岩层采动裂缝扰动的影响力学性质发生变化。内部积聚的弹性能瞬间爆发形成大破裂区，从而在工作面诱发3.7级较大矿震事故，直接威胁煤矿职工的生命安全。

工作面进尺大小不同时，后方采空区悬顶面积相应发生变化。在裂隙带采动裂缝数量的影响下导致悬顶上方关键层发生运动破裂，破裂范围的大小直接关乎震级大小。这即在一定程度上显示了关键层运动与震级大小的关系。

4 关键层运动的预防措施

采空区关键层运动诱发矿震，震源放出能量的1%～10%以震动的方式向外传递，并以应力波的形式对煤岩体施加动力[4]。由煤岩动力破坏的能量转变原理可知，当煤岩体自身具有的弹性能量(E1)与外来应力波加载能量(E2)重叠之后超过煤岩自身破坏释放能量(E3)与冲击发生时具备最小冲击能量(E4)之和后，即E1+E2≥E3+E4，煤岩体瞬间破坏产生矿震。由此能够看出，要预防采空区关键层运动导致工作面及回风顺槽和运输顺槽的损坏，首先要减小岩层自身存储的弹性能与震动波的扰动能量，即增大关键层裂隙数量降低岩层释放的弹性能，增大岩层阻尼系数，加速震动波在传播过程中的衰减力度；其次应增加煤岩接触面破坏时能量的耗散以及最小冲击能量。因此先提出对采煤工作面后方采用顶板深孔大直径爆破技术改善关键层应力状态，即切断采空区较长悬空顶板，降低关键层积聚的弹性能及破坏断裂后诱发矿震的能量。同时，向工作面煤体进行注水软化使应力增高区转移到煤壁深部，增大103上04工作面发生较大矿震的难度。上述解危措施通过现场实践，均取得较好效果。

图4 震级大小模拟图

5 结 论

(1)103上04回采工作面发生矿震震源为赋存在煤层底板上方100～220 m范围内的均质、致密细砂岩和中砂岩组成的关键层，其平均厚度105.15 m。

(2)关键层运动导致震级差异的主要原因是由裂隙带上位岩层形成采动裂缝组的数量决定的。裂缝组数量越多，关键层破裂范围越大，失稳越明显，越容易导致强矿震的发生。

(3)根据103上04工作面采空区关键层运动规律以及能量转换机理，提出具体解危措施，达到减小震级、降低矿震发生频率的目的。

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(责任编辑 石海林)

Analysis of Influence of Gob's Key Strata Movement on Mine Earthquake Magnitude

Chen Xuehua1Liu Fengchao2

(1.CollegeofCoalPowerDisasterPreventionandControl，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，China;2.CollegeofMiningEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，China)

In order to effectively prevent mine earthquake induced by key strata movement in the gob，and according to actual data in the field，the size of fracture region in overlying key strata of the gob is simulated with application of the finite element numerical simulation software.Accordingly，the cause for influencing the earthquake magnitude of 103up04 working face in Baodian coal mine is:fracture and instability of key strata which constituted by fine standstone and middle standstone that are hard or dense at the coal seam floor about 100～220 m，and the size of the fracture region corresponds to the earthquake magnitude.Based on the occurrence of actual magnitude in the 103up04 coal face，the preventing measures are put forward:the deep hole large diameter blasting at the behind of coal face is applied to improve the stress state of rock mass and a large amount of elastic energy accumulated in key strata is released.Thid method can effectively stop the whole movement of key strata，thus，reduce the occurrence frequency of disaster and the intensity of the mine earthquake.

Key strata，Fracture region，Mine earthquake magnitude，Suspending roof，Deep hole large diameter blasting

2015-02-07

国家自然科学基金项目(编号：51304110)。

陈学华(1972—)，男，教授，博士。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-021-05