高位巨厚覆岩运移规律及矿震触发机制研究

2023-05-23白贤栖曹安业王常彬刘耀琪赵迎春郭文豪顾颖诗

煤炭科学技术 2023年3期

白贤栖，曹安业,2,3 ，杨耀，王常彬，刘耀琪，赵迎春，郭文豪，顾颖诗，吴震

（1.中国矿业大学矿业工程学院, 江苏徐州 221116；2.中国矿业大学江苏省矿山地震监测工程实验室, 江苏徐州 221116；3.徐州物硕信息技术有限公司, 江苏徐州 221116；4.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 江苏徐州 221116；5.内蒙古昊盛煤业有限公司, 内蒙古鄂尔多斯 017000）

0 引言

煤炭地下开采将引起上覆岩层的移动、破坏，最终可能造成地面沉降、地下水泄流、矿压显现等一系列矿山安全问题[1]。矿震是矿山压力显现的一种特殊形式，通常伴随着弹性能快速释放，并以震动波的形式向外传递[2]。强矿震活动不仅易诱发井下冲击地压，还可能造成地表晃动、塌陷、地面建筑物损伤等灾害[3]。我国已有超过120 多处矿井有发生强矿震的相关报道，尤其是近年来鄂尔多斯矿区随着开采面积增大，强矿震现象越发频繁[4]。2021 年来，鄂尔多斯某矿就发生了5 次2.0 级以上的强矿震事件，造成矿井停产，限产总计290 余天，严重影响了矿井的正常生产秩序。

鄂尔多斯矿区侏罗纪煤层厚度较大，常采用综合放顶煤工艺回采；并且覆岩中常见巨厚白垩系层状砂岩组，该砂岩层组距离煤层较远、层厚较大、整体性较好，工作面回采后地表下沉偏小，形成的覆岩结构跨度较大[5]，当采空区面积较大时该巨厚覆岩发生破断、滑移容易诱发“巨厚覆岩型矿震”[6]。因此，深入研究鄂尔多斯矿区顶板岩层结构与覆岩运移规律，对于揭示巨厚覆岩型矿震触发机制具有重要的意义。

然而，采动岩层运移规律是一个非常复杂的“黑箱”问题，至今仍难以准确判识岩层运移规律[7]。在理论研究方面，国内外学者针对岩层移动特征提出了多种假说和理论，有代表性的有压力拱假说、悬臂梁假说、铰接岩块假说、关键层理论、砌体梁理论以及弹性薄板理论等[8]，其中钱鸣高[9]提出的关键层理论，将煤层至关键层的岩层运动进行统一研究，为研究煤矿采动覆岩结构的形成与失稳提供了理论依据。现场监测方面，钱鸣高等[10]采用钻孔深基点监测方法对下煤层开采后顶板岩层内部移动规律开展了研究；张海峰等[11]采用空间地震探测技术、地面钻孔窥视技术、地表沉降监测技术等综合分析了综放工作面覆岩变形和破坏规律；于斌等[12]采用地表沉陷-覆岩运移-井下矿压的“三位一体”联动观测，研究了坚硬顶板特厚煤层开采大空间远、近场岩层失稳破断特征；鞠金峰等[13]采用地面钻孔原位监测方法，开展了深井大采高条件下覆岩内部移动规律研究；以上研究对揭示采动岩移问题提供了较为实用的技术手段。

针对采动覆岩活动诱发矿震问题，姜福兴等[14]和成云海等[15]对坚硬厚覆岩的空间结构进行了研究，揭示了高能量矿震事件与岩层运动间的关系；曹安业等[16]通过研究采动煤岩破裂模式得到厚硬岩层剪切破断、滑移失稳更易诱发强矿震；窦林名等[17]结合现场微震监测数据研究了采动覆岩空间结构OXF-T 演化规律，得到主关键层破断期间大震动发生密度增加；王树立等[18]研究了高位巨厚红层砂岩破断及其动力响应特征，发现高能量矿震事件主要由红层损伤引起。

综上可知，坚硬厚岩层的破断、滑移容易诱发高能量矿震，但高位岩层的内部活动规律难以获取，并且针对厚硬顶板大多以薄板理论研究其运动规律及动力响应，如何准确揭示高位巨厚覆岩的内部活动规律与演化过程是高位“巨厚覆岩型矿震”防控的基础。因此，以鄂尔多斯某矿221上08 综放工作面开采过程中发生的3 次强矿震事件为研究背景，基于符拉索夫厚板理论，结合地面探测孔、地表沉降以及微震监测技术，对综放开采巨厚覆岩结构内部活动规律及高位覆岩运动诱发矿震机制进行了研究，以期为高位“巨厚覆岩型矿震”灾害的预防与治理提供理论支撑。

1 工程背景

鄂尔多斯某矿井田面积约70.64 m2，核定生产能力8.0 Mt/a。矿井221 盘区南翼工作面开采2-2 煤层（2-2上与2-2中煤层合层），煤层平均厚度为9.26 m，采用综合放顶煤工艺。2-2 煤层为近水平煤层，地质构造相对简单，埋深为640～711 m。221 盘区南翼开采顺序为221上06A→221上08 工作面，其中221上06A工作面宽度为290 m，推进长度约1 120 m，工作面于2017 年9 月开始回采，2019 年10 月回采结束；221上08 工作面宽度为290 m，2019 年12 月开始回采，2021 年4 月回采至221上06A 开切眼位置，截至2021-12-20，221上08 工作面已通过221上06A 开切眼398.2 m。两采空区之间留设5 m 的窄煤柱，矿井安装有SOS 微震监测系统，工作面及微震监测台站布置如图1 所示。

图1 221上08 工作面及矿震发生位置Fig.1 Location of longwall and mine earthquake in the 221上08 working face

221上08 工作面顶板岩层结构如图2 所示，自上而下依次为第四系Q4（湖泊相沉积层、冲洪积层和风积层，层厚0～50 m）；白垩系下统志丹群K1（2-2 煤层上方300 m 左右，层厚250～350 m，中粒砂岩、细粒砂岩互层）；侏罗系中统安定直罗组J2（煤层上方0～300 m 范围，砂质泥岩、砂岩层互层）；侏罗系中下统延安组J1-2y（砂岩、砂质泥岩和煤层，含煤地层）。根据现场实测数据，2-2上煤层及顶板岩层的主要物理力学参数见表1，其中细粒砂岩、中粒砂岩的物理力学性质相近；经鉴定2-2上煤层及顶底板均具有弱冲击倾向性，工作面评价具有中等冲击危险性。

图2 221上08 工作面顶板岩层结构示意Fig.2 Schematic of the strata structure in the 221Upper 08 working face

表1 221 采区覆岩主要物理力学参数Table 1 Main physical and mechanical parameters of the overlying strata in 221 mining area

随着开采面积的不断增加，221上08 工作面自2021 年以来发生多次强矿震事件，虽未造成井下采掘空间的破坏，但导致地面有轻微震感，社会影响剧烈，严重制约了矿井的正常生产秩序。截至2021-12-20，内蒙古自治区地震局共监测221上08 工作面发生3 次地震震级2.0 级以上的强矿震；同时，SOS 微震监测系统监测的强矿震波形如图3 所示，强矿震具体发生情况见表2。

图3 221上08 工作面强矿震波形Fig.3 Mine earthquakes wave diagram in the 221Upper 08 working face

表2 221上08 工作面强矿震发生情况Table 2 Occurrence of mine earthquakes in the 221Upper 08 working face

S 波与P 波的能量比，是快速判别矿震震源破裂类型的一个重要标志，ES/EP较小时（ES/EP＜40）矿震震源的破裂模式以张拉破裂为主[19]。221上08 工作面3 次强矿震的ES/EP均在10 左右，根据Gibowicz等[20]研究表明，这3 次强矿震均与采空区顶板的张拉断裂、冒落等破裂活动有关。

2 巨厚覆岩结构演化监测情况

2.1 巨厚覆岩结构内部岩移监测

为对221上08 工作面开采期间覆岩内部岩移情况进行有效监测，在221上08 工作面对应的地表布置了3 个地面直通式离层探测孔（也作离层水导流孔使用），其中A 号、B 号探测孔位于221上08 工作面实体煤回采段，井下位置分别处于221上08 工作面中心线上距开切眼305 m、750 m 处；C 号探测孔221上08 工作面邻空回采段，距221上06A 面开切眼260 m。探测孔A 号共钻进540.9 m，终孔位于2-2煤顶板以上105.6 m；探测孔B 号共钻进555.5 m，终孔位于2-2 煤顶板以上93.8 m；探测孔C 号共钻进567.2 m，终孔位于2-2 煤顶板以上84.9 m。工作面涌水量与工作面进尺关系如图4 所示。

图4 221上08 工作面涌水量与进尺关系Fig.4 Diagram of relation between water inflow and stoping speed of the 221Upper 08 working face

工作面涌水量主要有3 个剧烈增加的阶段，依次在推过A 号、B 号、C 号3 个探测孔附近，表明工作面推过探测孔后，采空区顶板破断，离层导流孔中的水涌入采空区，增加了工作面的涌水量[21]。工作面实体煤回采阶段，涌水量较少，过A 号探测孔约16.2 m 时工作面涌水量剧增，过A 号孔101.0 m 时工作面涌水量处于平稳阶段，维持在355 m3/h 左右；工作面推过B 号探测孔40.0 m 时工作面涌水量再次急剧增加，推过B 号孔约160.0 m 时工作面涌水量维持在600 m3/h 左右。工作面邻空回采阶段，涌水量较大，特别是工作面过C 号探测孔71.4 m 时工作面涌水量快速增加。

同时，煤矿对A 号、B 号、C 号3 个探测孔进行了电视成像窥视。A 号探测孔白垩系砂岩组厚度为323.9 m，距煤层309.0 m；B 号钻孔探测孔白垩系砂岩组厚度为301.1 m，距煤层326.9 m；C 号探测孔白垩系砂岩组厚度为324.6 m，距煤层309.9 m。工作面推过A 号探测孔后，在距煤层308.5 m 处（白垩系岩层下方）开始出现裂缝；推过B 号探测孔后，在距煤层326.5 m 处（白垩系岩层下方）开始出现裂缝；推过C 号探测孔后，裂缝扩展至煤层上方444.8 m 处（白垩系岩层内），具体窥视情况如图5 所示。

图5 221上08 工作面钻孔窥视情况Fig.5 Surface borehole sight imaging of the 221Upper 08 working face

2.2 巨厚覆岩结构地表沉降监测

煤矿在221上08 工作面对应的地表布置了地表岩移监测线。221上08 工作面回采期间地表沉降等值线如图6 所示（2021-12-20 观测），工作面实体煤回采阶段地表下沉量较小，并且维持在一个稳定值；工作面进入邻空回采阶段地表下沉量急剧增加，最大下沉量达到了0.8 m 以上。

图6 221上08 工作面地表下沉等值线（2021-12-20）Fig.6 Surface subsidence contour map of the 221Upper 08 working face （2021-12-20）

221上08 工作面回采各时间段走向线H 对应的地表沉降情况如图7 所示。实体煤回采阶段，随工作面推进，地表下沉量逐渐增大，当工作面推采约1 300 m时，地表下沉量达到稳定值，维持在0.18 m 左右，继续下沉的趋势较小；结合覆岩内部岩移观测，工作面推过A 号、B 号探测孔时白垩系巨厚覆岩内无裂隙产生。表明实体煤段工作面宽度较小，随工作面的推进白垩系巨厚覆岩层没有发生破断，巨厚覆岩处于弯曲下沉的状态，具有形成离层结构的条件。

图7 221上08 工作面走向线H 的地表下沉情况Fig.7 Surface subsidence of strike line H of the 221Upper 08 working face

邻空回采阶段地表下沉量变化明显，工作面推采约2 100 m 时距开切眼1 900～2 000 m 范围的地表开始出现相对抬升现象，之后随工作面继续推进抬升效应逐渐增加；当工作面推采约2 200 m 后距开切眼2 000 m 的区域地表沉降量呈台阶式迅速增加，巨厚覆岩层活动性增强[7]；同时2021-08-08～2021-09-08 日地表沉降量急剧增加，发生“8·20”矿震后，工作面停产期间，地表沉降量继续由0.41 m 增加至0.47 m。表明在实体煤段巨厚覆岩结构处于弯曲下沉阶段，顶板结构储存大量弹性能，当邻空侧巨厚覆岩结构破断滑移后，实体煤段巨厚覆岩结构储存大量弹性能开始释放，顶板承载减小，此时地表开始出现相对抬升的趋势；同时，巨厚覆岩结构在实体煤段与邻空段交界位置发生了破断滑移，地表沉降处于台阶式下沉的状态；巨厚覆岩结构发生初次破断后，顶板结构进行调整，地表沉降继续增加。

2.3 巨厚覆岩结构破断特征

221上08 工作面顶板破断情况见表3，实体煤回采段，工作面推过A 号钻孔16.2 m 时顶板垮落扩展至钻孔底部位置，顶板破裂角较大，这也解释了工作面随采随冒的特征；之后由于高位顶板结构具有一定的支撑作用，顶板破断至白垩系砂岩层下方，顶板破裂角逐渐减小至72°。推过B 号钻孔时顶板破裂角有所减小，这是因为在此期间工作面回采速度较大（过B 号孔时回采速度平均为8 m/d，过A 号探测孔平均为4 m/d），顶板岩层结构还存于调整阶段，顶板垮落存在一定的滞后性，因此该阶段顶板破断角较小[22]。

表3 221上08 工作面顶板破断角分布情况Table 3 Distribution of roof rupture Angle of the 221Upper 08 working face

邻空回采阶段，工作面推过C 号探测孔71.4 m时，涌水量开始增加，顶板破裂高度达到顶板以上309.9 m 处；推过钻孔133 m 时巨厚覆岩层产生裂隙，并在孔深207.3 m 处套管断开，此时顶板破裂高度达到顶板以上444.8 m 处，顶板破裂角相对实体煤回采阶段有所增加，巨厚覆岩层以下顶板破断角增加至77°。结合221上08 工作面回采期间地表沉降情况可得，综放开采顶板结构破断特征如图8 所示。

图8 综放开采顶板结构破断剖面特征图Fig.8 Fracture characteristics of roof structure section in fully-mechanized caving mining

3 巨厚覆岩结构演化规律

3.1 巨厚覆岩初次破断条件

诱发矿震的岩层运动范围往往超过常规矿山压力的研究范畴，主要体现在相邻采空区覆岩结构的失稳、大范围采空区高位巨厚覆岩层的断裂。根据板的相关理论，当覆岩厚度与工作面长度之比大于1/5 时，应结合实际情况采用厚板理论求解[18]。根据符拉索夫厚板理论[23]，矩形厚板的弯距可表示为：

其中：D为厚板的抗弯刚度，D=Eh3/12(1-μ2)；ψx、ψy分别为x、y两个常数截面的转角；μ为岩石的泊松比；w为板的扰度；E为板弹性模量；h为板厚度。巨厚覆岩结构在破断前，处于四边固支条件下，其边界条件为：

其中：a为厚板的长度；b为厚板的宽度。根据边界条件，转角、扰度、载荷均可展开为双三角函数[25]，同时Mx和My在结构上具有良好的轮换性，且Mx、My均在x=a/2 和y=b/2 处有最大值。因此，令Mmax=Mx,max，将边界条件代入式(1)可得：

式中：G为剪切变形模量；q为覆岩上覆载荷。

厚板下表面的最大拉应力为：

在顶板弯曲过程中，当最大拉应力达到极限抗拉强度后，巨厚岩层发生破断，即：

当厚板无限长时（b→+∞），可得到厚板的极限破断步距：

同时，当厚板a=b时，顶板发生正“O-X”破断：

针对221上08 工作面，白垩系巨厚砂岩层距煤层约300 m，层厚最小为250 m，上覆载荷按埋深50 m的等效载荷计算，岩层的泊松比为0.22，抗拉强度2.62 MPa，可得白垩系巨厚砂岩组的破断极限破断步距为185.8 m，当a=b=336.5 m 时发生正“O-X”破断。因此，巨厚覆岩悬露宽度b和覆岩破断步距a之间的关系如图9 所示。

图9 巨厚覆岩结构演化Fig.9 Structural evolution of extremely thick strata

同时，工作面推进过程中，覆岩由下而上逐渐产生破断运动，在朝向采空区内逐渐形成岩层垮落角。因此，覆岩的悬露尺度并不等于工作面的推进长度及工作面宽度，两者需满足：

式中：Lx为工作面推进长度；Ly为采空区宽度；hi为巨厚覆岩距煤层距离；β为岩层垮落角。其中，岩层垮落角需根据矿井覆岩实际垮落情况进行确定。

3.2 巨厚覆岩周期破断条件

巨厚覆岩顶板在发生初次破断后，随着工作面继续向前推进，覆岩结构将再次发生周期破断。同时，巨厚覆岩发生初次破断后，由于煤层厚度较大破断回转量增加，巨厚覆岩层逐渐形成“悬臂梁”结构[24]。因此，覆岩周期破断步距常按照悬臂梁结构确定[8]，根据材料力学公式：

式中：σ为覆岩的极限抗拉强度σt；J为梁的中性轴断面矩，J=h3/12；Y为h/2（h为岩层厚度）；M为悬臂梁截面上的弯矩，M=-q(L-x)2/2，其最大弯矩为Mmax=qL2/2，则悬臂梁的极限跨距L为：

将221上08 工作面顶板岩层物理力学参数代入式(11)，得到白垩系巨厚砂岩组的周期破断步距最小约为79.0 m，随巨厚覆岩厚度增加而增加。

3.3 巨厚覆岩结构演化情况

结合221上08 工作面开采顶板结构破断特征，巨厚覆岩结构演化规律如图10 所示。221上08 工作面实体煤段，工作面宽度为290 m，工作面倾向方向顶板垮落角按72°计算，可得白垩系巨厚覆岩结构的悬露宽度b≈105.0 m，巨厚覆岩结构稳定不垮落，不具备破断的几何条件。

图10 221上08 工作面巨厚覆岩结构演化规律Fig.10 Structural evolution of extremely thick strata in the 221Upper 08 working face

221上08 工作面邻空段，工作面宽度约590 m，顶板垮落角按照77°计算，可得白垩系巨厚覆岩结构的悬露宽度b≈451.5 m，当工作面推进约324.3 m 时，巨厚覆岩结构呈竖“O-X”破断；当工作面继续推进至少约83.7 m 时，白垩系巨厚覆岩结构发生周期性破断；并且随工作面继续推进，工作面再次发生周期性破断，还可能诱发强矿震事件。

4 巨厚覆岩破断能量演化及矿震触发机制

4.1 巨厚覆岩结构破断能量释放规律

巨厚覆岩结构破断过程中，其弹性能的来源主要为顶板弯曲弹性能，根据悬顶系统贮能模型[3]，得到巨厚覆岩结构破断释放的弹性能大小为：

式中：UW1、UW2分别为巨厚覆岩结构初次、周期破断释放的弹性能；q为巨厚覆岩自重及其上覆载荷；L1、L2分别为巨厚覆岩结构初次、周期破断步距；b为巨厚覆岩结构的悬露跨度；E为巨厚覆岩的弹性模量；h为巨厚覆岩厚度。

巨厚覆岩破断后，释放的弹性能大多以动能、热能等形式释放，地震效率（以震动波的形式释放能量与释放的弹性能之比）ψ仅为0.26%～ 3.6%[25]；将巨厚覆岩结构的初次破断步距185.8 m，周期破断步距83.7 m 代入式(12)，得到白垩系巨厚覆岩结构初次、周期破断释放的弹性能分别为5.52×108J、1.49×108J。地震效率按最小值0.26%计算，则巨厚覆岩结构初次、周期破断产生的震动波最小能量分别为1.43×106J、3.87×105J；并且巨厚覆岩结构发生初次破断后，并不会一次完全释放能量，当巨厚覆岩在破断调整过程中，仍会再次释放能量。

4.2 巨厚覆岩结构破断能量演化情况

矿井南翼综放工作面回采期间能量大于1.0×104J 的微震平面定位及顶板结构破断情况如图11 所示。综放实体煤回采阶段，工作面宽度为290 m，巨厚覆岩结构稳定，不具备破断的几何条件，仅出现小于1.0×105J 的微震事件，并且大多积聚在工作面内部，微震平面分布位置与实体煤段地表沉降较大的位置重合度较高。

图11 221上08 工作面开采震源定位及顶板结构破断平面图Fig.11 Microseismic location and fracture plan of roof structure in the 221Upper 08 working face

综放邻空回采阶段，采空区宽度为580 m，产生多次能量大于1.0×105J 的微震事件，并且在工作面后方采空区及侧向采空区内发生了多次2.0 级以上的强矿震。当工作面推过221上06A 开切眼289.9 m，巨厚覆岩结构发生竖“O-X”型初次破断、调整，诱发了2021-08-20”、“2021-08-29”矿震，且震源位置位于“O-X”型破断线附近；工作面继续推进约100 m，巨厚覆岩结构发生周期性破断，诱发了“2021-12-20”矿震，震源位置同样位于周期性破断线附近。基本与理论计算相符。

4.3 巨厚覆岩破断矿震触发机制

综上，高位巨厚覆岩破断矿震触发机制为：当采空区面积较小时，顶板破断高度较小，巨厚覆岩结构悬顶面积较小，达不到垮落的面宽条件，容易形成类似短壁工作面开采或巷道的情形，巨厚覆岩结构稳定不发生破断；当采空区面积增加时，随工作面推进长度增加，巨厚覆岩结构达到极限破断步距后，开始发生初次破断，容易诱发强矿震事件；巨厚覆岩结构发生初次破断后，并不会一次完全释放能量，仍处于不稳定状态，当巨厚覆岩在破断调整过程中，会再次产生强矿震；随着工作面继续回采，巨厚覆岩结构再次发生周期性大尺度破裂，仍可能诱发强矿震事件。