大断层控制采场水平应力演化与矿震关系研究

张明，姜福兴，李克庆，魏全德，孙春东



大断层控制采场水平应力演化与矿震关系研究

张明1, 2，姜福兴2，李克庆2，魏全德2，孙春东3

(1. 安徽理工大学 省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南，232001；2. 北京科技大学 土木与资源工程学院，北京，100083；3. 冀中能源邯郸矿业集团，河北 邯郸，056002)

以河北某矿典型大断层控制采场为背景，采用理论分析、数值模拟、现场实践等方法，探索大断层控制采场水平应力演化规律及其与矿震发生的关系，并提出相应的减震开采设计方法，建立关键层水平集中力近似估算模型。研究结果表明：开采覆岩破裂运动伴随水平应力释放和转移的演化过程，采场周围存在明显的水平应力“增压(载)区”和“卸压(载)区”，持力层的水平应力集中主要来源于覆岩破裂区水平应力释放；水平集中力能够在顶板两端形成“反力矩”，阻止其支承端部拉伸破坏并增加极限跨度，是形成关键层大范围悬顶和诱发强矿震的主要原因；采用“窄工作面+条带开采技术+合理开采强度”开采设计，能降低水平应力转移程度，从而实现控制顶板运动和矿震防控的目的。

采矿工程；大断层；水平应力；应力演化；反力矩；矿震控制

采场顶板运动和应力演化是采矿领域重点研究的问题，二者之间存在一定的联系[1]。理论研究和开采实践表明断层构造对应力(场)分布和顶板运动影响较大，断层切割煤岩体，能够成为储水(气)和导水(气)通道，也是诱发矿震、冲击地压、顶板异常来压等强动力灾害[2]的主要因素之一。目前，国内外研究者在断层构造与应力(场)分布的关系和采动“活化”规律方面开展了研究。蔡美峰等[3]通过对地应力特点与断层分布的关系进行实测分析，认为断裂发育的复杂程度与地应力状态密切相关；王爱文等[4]通过相似材料模拟，探索了巨型逆冲断层影响下巨厚坚硬顶板下特厚冲击煤层冲击地压特征；姜福兴等[5]对开采接近断裂破碎带时的顶板失稳机理进行数值模拟，发现顶板给工作面和断层间的煤柱施加很大压力，极易出现强震；KARACAN等[6]认为断层影响水、瓦斯产生、储存及其分布的不均匀性；王襄禹等[7]研究了断层附近的非对称采动应力场，认为巷道关键部位剪切滑移及煤岩碎胀变形是造成巷道非对称大变形和支护失效的主要原因。虽然已有的研究解释了断层应力(场)空间分布的不均匀性及其在矿震、冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害孕育过程中的作用，但仍然存在不足，对于采场两侧受巨大落差、延伸超过上千米的“特殊”大断层控制的情况研究较少。大断层控制并影响采场的水平应力(场)，覆岩破断运动是局部水平应力释放和转移过程，以往研究没有阐述开采覆岩运动与水平应力演化之间关系。采场强矿震发生与厚硬关键层运动有关，需要探索受大断层控制条件下关键层悬顶原因、矿震发生模型及其减震开采技术。为此，本文作者以河北某矿典型大断层控制采场为背景，探讨大断层控制采场水平应力释放与转移机制，分析开采关键层水平集中应力的趋于定量化估算方法，并在此基础上建立受水平应力作用的关键层破断型矿震简化模型，以期为工作面减震开采设计提供依据。

1 工程背景

河北某矿一采区6#煤层位于太原组中部，采深250~400 m，6#煤层厚6~8 m；倾角约14°，首采16101工作面位于矿井北翼老空区前方，如图1所示。切眼距老空区较远，工作面倾斜长150 m，走向长约770 m。采用走向长臂采煤法开采技术，综采放顶煤回采工艺全部垮落法管理顶板。6#煤层上方赋存石灰岩和火成岩2组关键层，低位石灰岩厚约30 m，与6#煤层间距约45 m，石灰岩顶部直接赋存厚约180 m的巨厚火成岩，并不同程度地覆盖整个采区。采区两侧发育F7(落差约200 m)和FN(落差大于100 m) 2条大断层。基于钻孔的地层剖面表明大断层切割地层，如图2所示。由图2可知：断层周边的地层明显受到挤压，实际开采也表明采掘工作面周边水平应力显现较强烈。

图1 16101工作面平面图

图2 大断层切割岩层

16101工作面初采期间石灰岩产生了悬顶现象，当工作面推采约160 m(沿工作面走向长度与倾斜长度大致相等)时，工作面发生了强矿震，井下动力显现剧烈。强震引起采场近地表边界约1.1 km地面村庄的“地震”效应，居民震感强烈，一度导致矿井停面停产。工作面重新生产后，推采一段距离后又出现了石灰岩悬顶现象。伴随着工作面的推采，井下又发生了数次不同程度的矿震，地面“晃动”。石灰岩悬顶及其运动诱发矿震给生产带来了较大安全隐患，迫切需要对该矿的采场上覆厚硬岩层悬顶原因和减震开采设计进行针对性研究，将厚硬岩层的运动控制在工作面安全生产范围之内。

2 大断层对采场应力(场)分布特征的影响

采掘引起原岩应力(场)重新分布，垂直应力向采场周边转移，其影响主要显现于两帮煤岩体；水平应力向顶底板转移，其影响主要显现于顶底板岩层。根据矿山压力理论，顶板水平应力(场)分布规律及其演化对顶板稳定状态和运动特征起决定性作用[8]，另外，研究顶板的运动及状态不能只考虑采场周边局部范围，必须同时考虑埋深和构造等对采场的影响。

图3 大断层控制应力场半封闭空间模型

以河北某矿16101工作面为例，受两侧大断层控制影响，采掘过程中发现两侧巷道(大致与断层迹线平行)受到了较强的水平应力作用，底板出现不同程度的屈曲或底鼓。通过对大断层的形成机制进行综合分析，推测断层上盘岩体在重力和断层控制的长期作用下，促使大断层周边垂直于断层迹线处形成水平应力场，高水平应力在层状地层中影响较大[9]，是导致巷道变形的主要原因。

基于断层地质特征和工作面开采尺度的关系，得到大断层控制采场简化模型，如图3所示。由图3可知：两侧控制型大断层及其中间岩(煤)层组成“半开放−半封闭空间”，断层上盘岩体在自重条件作用下与断层下盘相互挤压，以断层(以断层上盘为例)垂直走向作剖面，以位于断层上盘并与断层下盘相接触的任意单位厚度岩层(体)为研究对象，可得断层周边岩层应力分布示意。在图3中：⊥为断层下盘作用在单元体上的全反力。根据矢量合成与分解，⊥能够分解为平行于岩层层面(水平)应力F和垂直于岩层层面(竖直)应力F，在稳定静态条件下，竖直应力F与岩层自重应力等平衡。对于沉积岩为主的地层，水平应力F对层状岩层运动影响较大，受到大断层“夹持”约束作用，“半开放空间”内水平应力(场)随工作面开采将会呈现一定的演化特征，故对其进行进一步研究。

3 开采水平应力释放与持力层应力突变机制

3.1 开采水平应力释放与转移数值模拟

数值分析是探索工程难题的主要手段。应用FLAC3D数值分析软件研究受高水平应力作用的工作面开采后的水平应力变化特征，模型共划分13 320个单元格，采用Mohr-Coulomb破坏准则，相关岩层参数如表1所示。开挖工作面左右两边各留设225 m宽的边界煤柱，工作面高度为310 m，宽度为150 m，在左右两边界采用水平位移约束简化和替代大断层“夹持”约束作用效果，底部边界采用水平和垂直双向位移约束。为突出大断层对水平应力的控制影响，取水平应力与垂直应力比值(侧压系数)为1.5，并建立模型，如图4所示。

工作面采出后，采场附近的破裂区水平应力明显下降，由原始水平应力16.50~18.75 MPa降低至1.66~8.99 MPa，成为水平应力“卸压(载)区”。水平应力降低主要发生在顶板岩层破裂区域，在工作面底板区域水平应力也有一定程度降低。另一方面，石灰岩水平应力由初始的12.75~16.50 MPa升高至18.11~23.81 MPa，水平应力增加明显，成为水平应力“增压(载)区”。石灰岩成为了受水平应力集中作用的“持力层”，如图5所示。预计随工作面开采尺寸范围的增加，水平应力“卸压(载)区”和“增压(载)区”影响范围及程度将会增加。

在没有外部力源流入的情况下，模型内的应力不会凭空消失与产生。“增压(载)区”内的水平应力应主要来源于“卸压(载)区”的水平应力释放与转移，并且两者保持内在的平衡与一致性。因此，工作面开采过程存在水平应力释放、转移与“持力层”水平应力突变的内在机制。

表1 模型岩层力学参数

(a) 单元格划分；(b) 初始水平应力分布

图5 采场周边水平应力分布特征

3.2 采场高度方向水平应力转移的趋于定量分析

关键层理论[10]认为采场上覆岩层的运动以岩层组为基本单位，每组岩层中的坚硬岩层作为关键层，控制着该组岩层的运动或变形。根据微地震监测结 果[11]，坚硬岩层的断裂过程仅持续几十至数百毫秒。与此同时，伴随着坚硬岩层的破断运动，原坚硬岩层(即持力层)积聚的大部分水平应力瞬间释放并转移至上组岩层组中的坚硬岩层，形成新的应力平衡。随着工作面不断推进(采空范围逐步增加)，采场上覆岩层逐层破断运动，上述坚硬岩层破断与水平应力转移过程将不断重复，直至破裂高度达到主关键岩层，形成主关键层的水平应力集中。因此，可通过建立垂直方向水平应力释放与转移简化模型，对上述开采水平应力演化的过程进行半定量化分析。垂直方向水平应力分布与转移模型如图6所示。

(a) 初始水平应力分布；(b) 水平应力向上转移

假设坚硬岩层逐层破断且释放大部分水平应力主要向相邻未破断坚硬岩层转移，1，2，3和4分别为第1~4坚硬岩层厚度，1，2，3和4分别为第1~4岩层组中坚硬岩层初始水平应力，相应2′，3′和4′分别为开采过程中相应坚硬岩层断裂前集中的水平应力。由图6(b)可知：当回采第1个工作面(或采空范围较小)时，第1组(最近)坚硬岩层破断，大部分水平应力向临近的第2组坚硬岩层转移。若假设第1组坚硬岩层破断后水平应力向第二组坚硬岩层转移系数为1，则第2组坚硬岩层积聚水平应力2′为

同理，回采第2个及第3个工作面，设第2组、第3组坚硬岩层转移系数分别为2和3，则第2组、第3组坚硬岩层集中的水平应力3′和4′分别为

归纳采场水平应力转移规律，由式(1)~(2)可得第组坚硬岩层断裂前集中的水平应力σ′为

由此可知关键层受到的水平应力由原水平应力和开采引起的水平转移应力2部分叠加而成，开采尺度(覆岩破裂范围)越大，则关键层水平应力越集中。

4 大断层控制采场水平集中应力估算与开采尺度关系分析

4.1 大断层控制下的采场关键层水平应力近似估算

综合数值模拟和水平应力转移的趋于定量化分析，覆岩运动与水平应力演化之间存在一定关系，特别是大断层控制采场对水平应力和顶板运动影响大，需分析和估算大断层采场关键层水平应力集中程度。

图7 大断层控制下覆岩破裂与水平应力转移简化模型

地壳浅部由于受板块运动、地形地貌、地质构造和岩体蠕变等影响，地应力场分布规律复杂、多变，但呈现随地层埋深增加水平应力逐渐增加的总体趋势[12]。为此，假定大断层控制采场的水平应力近似按照线性规律分布，如图7所示。由式(3)可知：工作面开采后，采空区上覆任意未破断关键层水平应力s为原水平应力h和开采引起的水平转移应力Δ的叠加，则有

s=h+Δ(4)

h=(5)

式中：为覆岩平均容重；为岩层埋深；为与岩层、采场周边环境等有关常数。在均匀岩体内，岩体在自重应力状态下，原始水平侧压系数0/(1−)，其中为岩层泊松比。考虑大断层等构造的影响时，设泊松比不变，则水平侧压系数计算式0=/(1−)，其中为水平应力集中系数，在通常情况下，＞1。

单个工作面或首采面开采尺度较小，关键层底部悬露跨距较小，可能无法达到其极限破断跨距。随着采空区范围增加，关键层能够保持相对稳定并阻止垂直方向上破裂高度的向上发展(又称“厚硬岩层效应平台”[13])。但在此过程中，由于低位岩层和底板岩层的破裂，对应原持力层集中的水平应力释放并向未破断的关键层转移，工作面开采过程包含覆岩破裂和水平应力释放转移2个过程。

当地层进入充分采动阶段前，采场上覆岩层的最大破裂高度近似为采空区短边长度的一半[11, 14]。一般情况下，工作面最大破裂高度与采空区短边(工作面斜长或推进距离)的长度有关。在主关键层破断前，采场上覆岩层的最大破裂高度H=1i(其中i为采空区短边宽度，1为不同开采技术、地质条件决定的覆岩破断高度系数)，底板破裂深度D=2i(其中2为不同开采技术、地质条件决定的底板破裂深度系数)。当覆岩破裂高度达到关键层赋存高度时，即(i1i=L)，由于“厚硬岩层效应平台”效应，覆岩破裂高度不再向上发展，关键层水平应力保持相对不变，则覆岩破裂“释放”的水平集中力为

式中：L为关键层距离煤层高度；为煤层埋深。

开采破裂区域“释放”的水平集中力能够转移至顶底板岩层。在理想情况下，水平应力大部分转移到未破断的顶板至地表各岩层(综合平均转移系数为)，其余部分转移至工作面底板区域(转移系数为1−)。为便于研究，设转移的水平应力仍按照垂直线性分布，未破断顶板受到的转移水平应力Δ为

将式(5)和式(7)代入式(4)，可得未破断的关键层水平应力s为

式中：为关键层厚度，∈[D，D+Z]。

对公式(8)进行定积分，则水平集中力估算为

水平集中力除了由特定的采场条件决定之外，还与采场尺度(开采范围)密切相关。不同工作面采空范围与采动程度决定了覆岩和底板的破裂高度和深度。通过地层结构分析、现场监测的方法能够得到相关参数，进而趋于定量估算关键层受到的水平集 中力。

4.2 考虑水平应力作用的顶板型矿震简化模型

以往顶板型矿震模型研究时主要将采场附近关键层等结构简化为固(简)支梁分析，但模型未考水平应力集中效应。类似于大断层控制影响下，关键层受开采水平应力转移和集中影响较为明显，理论上不能完全忽略。为反映主要矛盾，根据圣维南原理，受水平应力作用的固支梁力学简化模型[15]如图8所示。

图8 水平力作用下固支梁简化模型

梁弯曲变形时，既有与弯曲变形相应的弯曲应变能，又有与剪切变形相应的剪切应变能，剪切变形相对位移的影响通常很小，工程中可忽略。梁弯曲时其长度为d微小变形内的弯曲应变能为

式中：为梁弹性模量；为单位宽度岩梁截面惯性矩，=3/12。

梁弯曲时在其全长范围内贮存应变能为

梁弯曲过程垂直均布载荷所做的功为

水平集中应力对梁所做的功为

根据能量转化与守恒，梁弯曲过程储存总能量为

根据模型的边界条件，有|=0=0和|=L=0，设在梁悬跨的中部位置最大挠度为，即|=L/2=，利用Rayleigh-Ritz法[16]建立挠度曲线方程

由此得出表达式为

式中：54/(384)为梁仅受竖直均载荷时的最大挠度，欧拉常数C=2/2。在水平集中应力和垂直均布载荷用下，梁单位截面最大弯曲拉应力及其不发生破断的条件为

式中：m为梁弯曲时截面最大拉应力；[]为梁极限抗拉强度。

根据一般长梁破坏特征，一般在梁支承端1=0或，或跨中位置2=/2最先达到其极限弯矩：

关键岩梁弹性变形时，其挠度是个微小量，在工程上可忽略，即满足m≈2/12，可得水平集中应力作用下梁的极限跨距为

4.3 大断层控制采场关键层破断诱发矿震原因

工作面开采过程存在水平应力释放、转移与“持力层”水平应力集中的内在机制。随着工作面开采尺寸增加，岩层破裂释放水平应力和关键层应力集中程度增加。大断层控制的采场由于受到两侧大断层约束控制，水平应力对关键层稳定状态和运动特征的影响尤为突出。此条件下诱发矿震的关键岩梁受到两侧水平集中应力的“夹持”作用，其端部会形成“反力矩”，能够阻止其支承端部拉伸破坏，极限跨度进一步增加。当达到一定极限值后，能够造成关键层顶板及其上覆岩层处于长期、大面积悬顶状态，不易自然垮落。在外界于扰作用下，若关键层形成的顶板结构发生失稳运动，则其系统贮存的大量弹性能释放，是诱发矿震等动力灾害的主要原因。

5 大断层控制采场的减震开采设计

对近煤层厚度20 m以内的关键层，采用顶板爆破截断技术效果较为明显。由于16101工作面顶板石灰岩距离煤层较远，厚度接近30 m，考虑施工难度，强爆破存在一定的危险性以及爆破效果难以评估，工作面复产采用“窄工作面+条带开采技术+合理开采强度”开采设计。

5.1 “窄工作面+条带开采技术+合理开采强度”开采设计

矿震主要原因是开采水平应力转移和关键层水平应力集中导致关键层处于长期大面积悬顶状态。通过控制工作面开采尺度降低覆岩破裂范围，减小水平应力释放和关键层应力集中程度，再结合优化开采强度，可达到控制岩层破裂高度和控制矿震的目的。

1) 原16101工作面宽度由150 m减至80 m，将石灰岩的最大悬露跨度控制在其极限破断步距之内，避免石灰岩发生破断。同时，采用条带工作面开采布置，避免相邻接续面开采引起石灰岩甚至高位巨厚火成岩的破断运动。等地面村庄居民搬迁完毕后，再采用大面开采或回采遗留煤柱，开采布置方案如图9 所示[18]。

数据单位：m

2) 调整16101工作面推采速度，从每天1 m/d开始，根据微地震系统实时监测研究结果，逐步增加推进速度，实际工作面开采强度约3 m/d，不超过5 m/d。若监测发现出现震动的次数和频率急剧增加，则表明当前推采速度偏大，进行停采分析研究。

5.2 工程应用分析

16101工作面采空区覆岩破裂角=75°，工作面倾斜方向的石灰岩底部悬露尺0=C−2Lcot75= 125 m。如果石灰岩岩梁不发生破断，由图11可知对应的最小侧压系数0.3。石灰岩泊松0.2，若不考虑大断层影响，则=1，石灰岩侧压系数/(1−)=0.25，接近于石灰岩极限破断时的侧压系数0.3。考虑采场两侧F7和FN大断层等控制影响，则＞1，当大于1.2时侧压系数即满足＞0.3，此时石灰岩底部实际跨度小于其极限破断步距，是造成顶板大面积悬顶的主要原因。

通过实施以“窄工作面+条带开采技术+合理开采强度”的减震开采设计为主的复采方案后，16101工作面的实际开采过程未发生强矿震，实现了将厚硬岩层的运动控制在工作面安全生产范围之内的目的。

图10 不同侧压系数与石灰岩顶板极限跨距

6 结论

1) 大断层构造能够影响采场应力(场)分布，并且与工作面开采尺度存在一定对应的关系。大断层控制采场水平应力演化和关键层水平应力集中是诱发厚硬顶板型矿震的主要因素。

2) 工作面开采包含覆岩破裂和水平应力释放、转移2个过程，以此为基础，建立开采关键层(持力层)水平应力趋于定量化的简化分析模型及其水平集中应力估算方法。

3) 受岩梁两端的水平集中应力“夹持”作用，能够在岩梁端部形成“反力矩”，阻止其支承端部拉伸破坏，造成顶板的极限跨度进一步增加，这是关键层悬顶及诱发强矿震的主要力学原因。

4) “窄工作面+条带开采技术+合理开采强度”开采设计能够降低大断层对关键层控制作用，减小开采水平应力转移大小及影响程度，降低开采矿震的可能性。

[1] 钱鸣高, 石平五, 许家林. 矿山压力与岩层控制[M]. 2版. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2011: 180−190. QIAN Minggao, SHI Pingwu, XU Jialin, et al. Mining pressure and strata control[M]. 2nd ed. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 2011: 180−190.

[2] 姜福兴, 魏全德, 王存文, 等. 巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析[J]. 煤炭学报, 2014, 39(7): 1191−1196. JIANG Fuxing, WEI Quande, WANG Cunwen, et al. Analysis of rock burst mechanism in extra-thick coal seam controlled by huge hick conglomerate and thrust fault[J]. Journal of China Coal Society, 2014, 39(7): 1191−1196.

[3] 蔡美峰, 彭华, 乔兰, 等. 万福煤矿地应力场分布规律及其与地质构造的关系[J]. 煤炭学报, 2008, 33(11): 1248−1252. CAI Meifeng, PENG Hua, QIAO Lan, et al. Distribution law of in situ stress field and its relationship to regional geological structures in Wanfu coal mine[J]. Journal of China Coal Society, 2008, 33(11): 1248−1252.

[4] 王爱文, 潘一山, 李忠华, 等. 断层作用下深部开采诱发冲击地压相似试验研究[J]. 岩土力学, 2014, 35(9): 2486−2492. WANG Aiwen, PAN Yishan, LI Zhonghua, ea al. Similar experimental study of rockburst induced by mining deep coal seam under fault action[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(9): 2486−2492.

[5] 姜福兴, 刘伟建, 叶根喜, 等. 构造活化的微震监测与数值模拟耦合研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(增刊2): 3590−3597. JIANG Fuxing, LIU Weijian, YE Genxi, et al. Coupling study of microseismic monitoring and numerical simulation for tectonic activation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(S2): 3590−3597.

[6] KARACAN C Ö, RUIZ F A, COTÈ M, et al. Coal mine methane: a review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction[J]．International Journal of Coal Geology, 2011, 86(S2/3): 121−156.

[7] 王襄禹, 柏建彪, 李磊, 等. 近断层采动巷道变形破坏机制与控制技术研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2014, 31(5): 674−680. WANG Xiangyu, BAI Jianbiao, LI Lei, et al. Deformation failure mechanism and control technology of mining-induced roadway near a fault[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2014, 31(5): 674−680.

[8] 何富连, 王晓明, 许磊, 等. 大断面切眼主应力差转移规律及支护技术[J]. 岩土力学, 2014, 35(6): 1703−1710. HE Fulian, WANG Xiaoming, XU Lei, et al. Principal stress difference transfer law and support in large-section open-off cut[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(6): 1703−1710.

[9] 孙宗颀, 张景和. 地应力在地质断层构造发生前后的变化[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(23): 3964−3969. SUN Zongqi, ZHANG Jinghe. Variation of in-situ stresses before and after occurrence of geologic fault structure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(23): 3964−3969.

[10] 钱鸣高, 缪协兴, 许家林, 等. 岩层控制的关键层理论[M]. 1版. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2000: 59−88. QIAN Minggao, MIAO Xiexing, XU Jialin, ea al. Key strata theory in ground control[M]. 1st ed. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 2000: 59−88.

[11] LUO X, HATHERLY P. Application of microseismic monitoring to characterise geomechanical conditions in long-wall mining[J]. Exploration Geophysics, 1998, 29(3/4): 489−493.

[12] 赵德安, 陈志敏, 蔡小林, 等. 我国地应力场分布规律统计分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(6): 1265−1271. ZHAO Dean, CHEN Zhimin, CAI Xiaolin, et al. Analysis of the distribution rule of geostress in China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(6): 1265−1271.

[13] 曹建军, 马其华, 王宜泰. 基于采场覆岩空间结构的宽条带开采技术研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2008, 25(1): 67−72. CAO Jianjun, MA Qihua, WANG Yitai. Study of wide strip mining based on spatial structure principle of overlying strata[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2008, 25(1): 67−72.

[14] 张明, 姜福兴, 李克庆, 等. 巨厚岩层−煤柱系统协调变形及其稳定性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2017, 36(2): 326−334. ZHANG Ming, JIANG Fuxing, LI Keqing, et al. Study of the compatible deformation and stability of the system of super thick strata and coal pillars[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2017, 36(2): 326−334.

[15] 江学良, 曹平, 杨慧, 等. 水平应力与裂隙密度对顶板安全厚度的影响[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2009, 40(1): 211−216. JIANG Xueliang, CAO Ping, YANG Hui, et al. Effect of horizontal stress and rock crack density on roof safety thickness of underground area[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2009, 40(1): 211−216.

[16] 刘人怀. 板壳力学[M]. 北京: 机械工业出版社, 1990: 71−111. LIU Renhuai. Plate and shell mechanics[M]. Beijing: China Machine Press, 1990: 71−111.

[17] 蒋金泉, 王普, 武泉林, 等. 上覆高位岩浆岩下离层空间的演化规律及其预测[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(10): 1769−1779. JIANG Jinquan, WANG Pu, WU Quanlin, et al. Evolution laws and prediction of separated stratum space under overlying high-position magmatic rocks[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(10): 1769−1779.

[18] 张明, 姜福兴, 李克庆, 等. 基于厚硬关键层破断的地面震动损害边界研究[J]. 中国矿业大学学报, 2017, 46(3): 514, 520−536. ZHANG Ming, JIANG Fuxing, LI Keqing, et al. A study of surface seismic damage boundary based on the break and movement of extremely thick key stratum[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2017, 46(3): 514, 520−536.

(编辑 伍锦花)

Study of relation between horizontal stress evolution and mine tremor in stopes controlled by large faults

ZHANG Ming1, 2, JIANG Fuxing2, LI Keqing2, WEI Quande3, SUN Chundong3

(1. State Key Laboratory of Mining-induced Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China;2. School of Civil and Resources Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;3. Jizhong Energy Handan Mining Industrial Group, Handan 056002, China)

Based on a stope controlled by a large fault in a mine in Hebei Province, the relationship between horizontal stress evolution and mine tremor was studied using the methods of theoretical analysis, numerical simulation, in situ test, etc. Corresponding mining design methods were proposed to reduce mine tremors, and an approximate estimating model of horizontal concentration stress was established. The results show that fracture of the overlying strata is accompanied by the evolution process of horizontal stress release and transfer. There exist evident “pressure-increase” area and “pressure-decrease” area of horizontal stress, and horizontal stress concentration of the bearing stratum is mainly from horizontal stress release. The “counter torque” formed by horizontal concentration stress at both ends of the roof can prevent tensile failure in the ends and increase the limit span. The “counter torque” is the main cause to form a wide range of hanging arch and induce strong mine tremor. The designed method of “narrow long wall panel + skip mining technology + reasonable mining intensity” can reduce the extent of horizontal stress transfer and thus achieve the goal of controlling roof movement and mine tremor.

mining engineering; large fault; horizontal stress; stress evolution; counter torque; mine tremor control

TD324.1

A

1672−7207(2018)01−0167−08

10.11817/j.issn.1672−7207.2018.10.022

2017−02−16；

2017−03−31

国家重点研发计划项目(2016YFC0801408)；国家自然科学基金资助项目(51574008, 51674014)；深部煤矿采动响应与灾害防控安徽省重点实验室开放基金资助项目(KLDCMERDPC17107)(Project(2016YFC0801408) supported by the National Key Research and Development Program of China; Projects(51574008, 51674014) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(KLDCMERDPC17107) supported by the Foundation of Anhui Provincial Key Laboratory of Mining-induced Response & Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines)

魏全德，博士(后)，工程师，从事矿山动力灾害防治研究；E-mail: wfwqd@126.com