巨厚弱胶结覆岩深部开采大能量事件与地表沉陷关系研究

郑灿广，孙兢超，汪铁宁，郭广礼，胡勇华，李怀展，刘峰建

（1.兖矿能源集团股份有限公司，山东 邹城 273500；2.中国矿业大学环境与测绘工程学院，江苏 徐州 221116）

0 引言

我国煤炭资源在地理分布上呈“西多东少”的趋势，西部煤炭资源占全国资源总量的70%以上，开发西部煤炭资源已成为保障我国能源安全战略的重大现实需求[1-3]。然而，西部大部分煤矿其上覆岩层存在白垩系志丹群砂岩，该岩层普遍分布有多层呈厚层至巨厚层状的不同粒级石英长石砂岩，具有强度低、胶结性差、易风化、小断层及节理层理不发育等特点[4-7]。经实测研究发现，该岩层地表移动变形特征与中东部矿区有较大差异[8-9]，在开采初期地表下沉量明显偏小，开采沉陷规律不明确，且存在大能量矿震事件的安全隐患[10-13]，严重制约了西部矿井大范围安全高效开采，亟待围绕巨厚弱胶结覆岩深部开采能量事件与地表沉陷关系开展系统研究。

目前，已有不少学者针对西部岩层移动及矿震与地表沉陷相关性开展了研究：张广学等[14]对营盘壕煤矿首采工作面地表移动观测数据进行了详细分析，结果表明该矿地表移动变形值相对较小；殷和健[15]在呼吉尔特矿区和纳林河矿区上覆岩层的钻孔数据基础上，提出多层厚度较大且力学强度偏高的岩体控制了覆岩运动和地表沉陷，导致了该地区的下沉率较小；郭文兵等[16]通过分析弱胶结覆岩碎胀特性和重复采动的岩层运移规律，深入研究了覆岩离层发育高度与地表沉降之间的关系；吕鹏飞等[17]以东滩煤矿工作面为背景，运用理论分析及统计分析等方法，发现了工作面高位砂岩运动为矿震发生提供巨大动力源，是主导矿震的关键因素；王利等[18]对地表变形参量与冲击地压、矿井工作面涌水量关系进行了分析，研究发现巨厚覆岩下开采引起的地表变形具有连续性和非连续性特征，并与井下冲击地压、矿井水等灾害有一定关系；马祥等[19]以红庆河煤矿工作面为例，基于微震监测数据分析了邻空宽煤柱工作面回采过程中的微震分布特征，研究发现工作面回采过程中的微震分布受超前支承压力、构造应力、应力集中等多个因素的共同影响；王乃国等[20]以新巨龙矿井冲击地压防治问题为背景，综合分析微震监测和地表沉陷数据，验证了岩层运动、地表沉陷与冲击地压发生之间的关联性，可作为预测冲击地压的辅助参考依据。综上所述，地表移动变形数据与矿震等动力灾害存在一定相关性，能够辅助矿震的预警。然而西部弱胶结矿区由于存在开采初期下沉值偏小的特殊性，难以利用其进行矿山动力灾害的有效预测。因此，亟需掌握弱胶结矿区地表移动变形规律和微震发生规律，明确二者之间的联动效应。

基于此，本文以弱胶结地层典型矿井石拉乌素煤矿为例，在1203 工作面与1208 工作面已有的地表移动变形数据和微震监测数据的基础上，计算地表移动变形参数，统计微震次数和最大能量的变化规律，以此为基础分析地表移动变形与微震之间的联动效应，研究成果为西部矿区通过地表移动进行动力灾害预报提供理论依据，对陕蒙矿区巨厚弱胶结覆岩深部安全开采提供技术支撑。

1 矿井概况

1.1 研究区位置与地质概况

石拉乌素矿井位于内蒙古自治区东胜煤田纳林才登普查区，地处鄂尔多斯市境内，矿区可采煤层9 层，现阶段回采2-2 上煤层和2-2 煤层，煤系地层基底为三叠系上统延长组（T3s），地层由老至新发育有侏罗系中下统延安组（J1-2y）、侏罗系中统直罗组（J2z）、侏罗系中统安定组（J2ɑ）、白垩系下统志丹群（K1zh)、第四系（Q4eol）全新统[21]。其中，上覆岩层白垩系下统志丹群砂岩（K1zh）平均厚度为330 m，岩性为各种粒级的中砂岩、细砂岩及含砾粗粒砂岩夹砂质泥岩、粉砂岩组成，统计砂岩占比95%，岩石坚硬程度为软到较软，孔隙度大，岩石间颗粒以接触式胶结为主，胶结物含量小于总含量30%，结构松散，胶结性较差。由岩石力学实验数据分析，该组岩层普遍抗拉强度小于2 MPa；抗压强度小于20 MPa；弹性模量小于2 GPa；黏聚力小于10 MPa，力学参数普遍小于中东部矿区同类岩石参数下限。岩层具有强度低、结胶性差、易风化、小断层及节理层理不发育等松、散、弱特性，但同时岩层由于节理层理不发育等特点，岩层整体性较强，整体呈刚性。这种岩性特点导致开采初期地表下沉值偏小，开采沉陷规律不明确，且伴随有能量事件的发生，因此，探究该地区地表沉陷与能量事件的关系对该地区的煤炭资源安全开采尤为重要。

1.2 工作面开采条件

1203 工作面位于矿井中部，工作面煤层倾角整体变化不大，平均约2°，工作面东西倾向宽290 m，南北走向长3 380 m，煤厚4.2～5.8 m，地质条件较简单。采用综采放顶煤（采放比1∶1）工艺回采，走向长壁式布置，全部垮落法管理顶板，工作面布置如图1 所示。1208 工作面位于12 盘区中部，工作面东西倾斜宽290 m，南北走向长3 238 m，工作面煤层埋深641～669 m，平均655.2 m；煤厚8.5～9.5 m，平均煤厚9.1 m。面内煤层倾角0°～3°，平均1°，地质条件简单，采用综采放顶煤（采放比1∶1）工艺回采，走向长壁式布置，全部垮落法管理顶板，工作面布置如图1 所示。

图1 工作面布置图Fig.1 Layout of working face

2 工作面地表下沉观测结果与分析

2.1 工作面地表下沉观测情况

自2020 年1 月至2023 年5 月，对1203 工作面与1208 工作面进行了两年左右的岩移观测工作。对1203 工作面与1208 工作面分别进行了45 次高程测量和67 次高程测量，以及各工作面4 次平面测量的岩移观测工作，取得了初步资料，为后续研究工作提供了可靠的基础数据。同时，对地表岩移观测数据进行了综合分析，获得了1203 工作面和1208 工作面地表最大下沉值等地表下沉与变形分布值、各种移动角值及各类岩移参数与地表移动规律。

该项目观测站设置依据《煤矿测量规程》《煤矿测量手册》《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》以及《＜全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范＞CH/T 2009—2010》布置。为保证地表移动变形观测站测点能够与地表土层的移动同步，221 上01 工作面地表移动变形观测站测点采用混凝土预制桩和道钉布设，标石上面200 mm×200 mm、下面250 mm×250 mm、高600 mm，如图2 所示。埋设前坑底加石灰或石屑夯实基础，测点周围随填土分层夯实。测点埋设时，利用GPSRTK 将设计点位坐标输入仪器进行现场放样，实际布设与设计基本相同。

高程测量采用美国徕卡厂生产NA720 水准仪及木质水准尺按四等水准的测量规范要求进行观测。水准测量均附合到各端的控制点上构成水准网，利用程序进行水准网平差，水准测量限差表见表1。

表1 水准测量限差Table 1 Limit deviation of leveling measurement

监测点的观测利用山东省卫星定位连续运行综合应用服务系统（SDCORS），采用三脚支架方式进行。测量过程中仪器气泡严格稳定居中，独立初始化观测3 次，每次60 个历元，平面较差均小于5 cm，取3次观测成果的平均值作为本点的坐标成果。仪器的标称精度均为：5 mm+1 PPm×D。

2.2 1203 工作面地表下沉观测数据分析

1203 工作面倾向长度为290 m，走向长度为2 368 m，根据工作面实地勘测资料，在1203 工作面地表布设走向监测线D、倾向监测线C 和倾向监测线A，工作测点的编号、具体观测线设置情况如图3所示。

图3 1203（综放）工作面地表移动观测站观测线布设Fig.3 Layout of observation line of surface movement observation station on 1203（fully mechanized caving）working face

根据1203 工作面监测线取得的地表下沉移动观测数据，绘制了不同观测线上各点在开采过程中的下沉曲线图，如图4 和图5 所示。

图4 1203 工作面走向观测线（D 线）各点在开采过程中的下沉移动曲线Fig.4 Subsidence movement curves of each point of 1203 working face strike observation line（line D）in the mining process

图5 1203 工作面倾向观测线（C 线）各点在开采过程中的下沉移动曲线Fig.5 Subsidence movement curves of each point of 1203 working face inclination observation line（line C）in the mining process

1203 综采工作面于2020 年6 月开始回采，到2023 年2 月工作面仍在回采中，工作面首次观测始于2020 年7 月21 日。分析图4 和图5 可知，随着工作面的回采，地表下沉量逐渐增大，形成下沉盆地，地表下沉增加过程符合开采沉陷的一般规律。截至2023 年2 月10 日，工作站观测到的点位最大下沉值为1 521 mm，位于C25 号测点处。综观整个沉降过程，未有异常现象，地表未产生塌陷坑，也未观测到裂缝，整个下沉盆地形似锅形。截至2023 年2 月10 日，1203 工作面回采至整个工作面中部，工作面距切眼约1 435 m，工作面走向和倾向地表下沉系数分别为0.07 和0.28，且下沉曲线未出现“平底”现象，由此推断该采区未达到充分采动阶段。根据观测站的实测数据，以最后一期下沉数据为基础，求取各观测点的变形曲线，如图6 和图7 所示。

图6 1203 工作面走向变形曲线图Fig.6 Strike deformation curves of 1203 working face

图7 1203 工作面倾向变形曲线图Fig.7 Inclination deformation curves of 1203 working face

分析图6 和图7 可知，最大下沉出现在工作面中部偏开切眼侧，走向与倾向下沉速度各有一个突变点，最大倾斜出现在工作面边界上方，最大曲率出现在工作面边界上方左右一定范围之内，可能由于巨厚弱胶结覆岩具有整体性强、整体呈刚性的特点，地表最大下沉值与中东部矿区对比明显偏小，但整个下沉盆地形态和地表下沉增加过程符合常规的岩层和地表移动变形规律。

2.3 1208 工作面地表下沉观测数据分析

1208 工作面倾向长度为290 m，走向长度为3 228 m，由工作面实地勘测资料，在1208 工作面地表布设走向监测线和倾向监测线，并沿输油管道布设监测点。工作面走向观测线为H 线，倾向观测线为J 线和L 线，工作测点的编号、具体观测线设置情况如图8 所示。

图8 1208（综放）工作面地表移动观测站观测线布设Fig.8 Layout of observation lines of the surface movement observation station on 1208（fully mechanized caving）working face

根据1203 工作面地表下沉移动观测数据，绘制了不同观测线上各点在开采过程中的下沉曲线图，如图9～图11 所示。

图9 1208 工作面走向观测线（H 线）各点在开采过程中的下沉移动曲线Fig.9 Subsidence movement curves of each point of 1208 working face strike observation line（line H）in the mining process

图10 1208 工作面倾向观测线（L 线）各点在开采过程中的下沉移动曲线Fig.10 Subsidence movement curves of each point of 1208 working face inclination observation line（line L）in the mining process

图11 1208 工作面倾向观测线（J 线）各点在开采过程中的下沉移动曲线Fig.11 Subsidence movement curves of each point of 1208 working face inclination observation line（line J）in the mining process

综采工作面于2020 年1 月开始回采，到2023 年2 月工作面仍在回采过程中，工作面首次观测始于2020 年1 月2 日。截至2023 年5 月20 日工作站观测到的点位最大下沉值为1 374.3 mm，位于H104 号测点处。由图9～图11 可知，工作面地表最大下沉出现在该工作面中部偏（已采）工作面方向，在走向监测点H96 至H101、倾向监测点L25 至L30 地表下沉值变化较大，这是由于其监测点在1206A 工作面附近，受到了1206A（已采）工作面的影响。根据观测站的实测数据，以最后一期下沉数据为基础，求取各观测点的变形曲线，如图12 和图13 所示。

图12 1208 工作面走向变形曲线图Fig.12 Strike deformation curves of 1208 working face

图13 1208 工作面倾向变形曲线图Fig.13 Inclination deformation curves of 1208 working face

由图12 和图13 可知，最大下沉出现在工作面中部偏开切眼侧，下沉速度符合规律无异常现象，最大倾斜出现在最大下沉处上方，最大曲率出现在工作面边界上方左右一定范围之内。巨厚弱胶结矿区地表下沉盆地形态及沉陷规律与中东部矿区相似，但整体地表下沉值相较东部偏小。

3 工作面大能量事件数据及结果分析

石拉乌素煤矿2020 年以来发生多次大能量事件，虽未造成井下采掘空间的破坏，但地面有轻微震感，对井下开采工作仍具有潜在威胁，因此，需要对矿山微震事件进行监测和数据分析。目前，石拉乌素煤矿装备有SOS 微震监测系统，能够监测频率为0.1～150 Hz 的矿山震动，其精度需满足监测102J 以上能量的震动，并能够对其进行定位和能量计算。为了科学评估矿震事件对井上下的影响，探究地表沉陷与微震之间的联动效应，为井下持续安全开采工作提供依据，对1203 工作面和1208 工作面的矿震监测数据进行了统计和分析。

3.1 1203 工作面回采期间矿震监测数据

根据1203 工作面推进期间的微震监测数据，绘制了1203 工作面最大能量、微震次数监测数据折线图，如图14 所示。

图14 1203 工作面推进微震监测数据Fig.14 Microseismic monitoring data in the advance of 1203 working face

由图14 可知，工作面推进距离从836 m 推进到1 424 m 时，开始进入了微震事件的活跃期。该阶段共出现3 次105J≤E的大能量事件，分别为推进距离为836 m 时，监测到能量为4.78×106J 微震事件；推进距离为1 155 m 时，监测到能量为4.15×105J 微震事件；推进距离为1 424 m 时，测到能量为8.94×106J 微震事件，并且该阶段微震发生次数明显增加，最大微震发生次数达到175 次。

选取1203 工作面自2020 年6 月至2023 年4 月回采期间所监测到的最大能量进行统计分析，如图15 所示。由图15 可知，在103J≤E＜104J 区间的矿震频次最多，占总频次的49.422%，而能量仅占7.491%；105J≤E的矿震事件，能量占比最多，为68.873%，但频次仅占0.434%。说明工作面回采期间微震事件大部分以小能量事件为主，对工作面能量释放占主导作用的为105J≤E的矿震事件。

图15 1203 工作面回采期间大能量矿震频次和能量占比Fig.15 Frequency and energy proportion of large energy of mine earthquake in the mining process of 1203 working face

3.2 1208 工作面回采期间矿震监测情况

根据1208 工作面推进期间的微震监测成果，绘制了1208 工作面最大能量、微震次数监测数据折线图，如图16 所示。

由图16 可知，随着工作面的推进，1208 工作面具有2 个微震事件的活跃期，分别为推进距离635～1 196 m 和推进距离2 044～2 629 m。1208 工作回采期间发生的105J≤E的大能量事件总计9 次，两个阶段大能量事件与对应推进距离见表2。

表2 1208 工作面回采期间大能量事件汇总表Table 2 Summary of large energy events in the mining process of 1208 working face

选取1208 工作面自2019 年12 月 至2023 年4 月回采期间所监测到的最大能量进行统计分析，结果如图17 所示。由图17 可知，在104J≤E＜105J 区间的矿震频次最多，占总频次的39.56%，能量占比也最大，为50.817%；在103J≤E＜104J 区间的矿震频次比104J≤E＜105J 区间略小，占总频次的38.006%，而能量仅占6.409%；虽然105J≤E的矿震事件占比仅为0.935%，但能量占比较大，为42.388%。

图17 1208 工作面回采期间大能量矿震频次和能量占比Fig.17 Frequency and energy proportion of large energy of mine earthquake in the mining process of 1208 working face

3.3 地表移动变形与微震的联动效应

选取1203 工作面和1208 工作面不同推进距离最大累计下沉和对应的能量值进行分析，不连续数据通过线性插值的方式进行内插处理，在此基础上分别得到了随工作面推进，1203 工作面和1208 工作面最大下沉与大能量事件的关系图，如图18 所示。

图18 随工作面推进最大下沉与能量事件关系图Fig.18 Relationship between maximum subsidence and energy events in the advanc of working face

由图18 可知，在1203 工作面的推进过程中，当推进距离分别达到437 m、839 m 和1 155 m 时，最大下沉曲线的斜率明显增大，出现了最大下沉的突变点。同时，推进距离在接近最大下沉突变点附近，微震能量值也呈现明显的波峰，随着1208 工作面的推进，也出现了相似的规律。推进距离为2 289 m 和2 650 m 时，同样出现了最大下沉的突变点，并且微震能量值也呈现出较大的能量峰值。

分析以上结果，巨厚弱胶结矿区地表沉陷与能量事件之间存在着关联性，最大下沉值的突变往往伴随着大能量事件的发生，微震监测结果与地表沉陷观测结果得到的岩层运动规律基本一致。这是由于巨厚弱胶结地层覆岩随着工作面的推进岩层产生了一定的能量积聚，同时岩层发生着小幅度的移动变形破坏；当能量聚集到达一定程度时，岩层中积聚的能量发生突然释放，释放的能量加剧了岩层移动变形破坏过程，当这一过程传递到地表时发生地表最大下沉值的突变，过程如图19 所示。

图19 地表沉陷与能量事件关联性概念剖面图Fig.19 Conceptual profile of surface subsidence and energy event correlation

4 结论

1）巨厚弱胶结地层地表移动变形下沉分布集中，最大下沉处均位于工作面中部偏向已采工作面侧，整体地表下沉盆地形态及下沉增加过程与中东部相似，但在未达到充分采动时，西部巨厚弱胶结矿区地表下沉值相比中东部明显偏小。

2）巨厚弱胶结矿区煤层回采过程中均存在微震事件的活跃期。在该阶段，微震事件的能量和次数均较高，同时伴随有105J≤E的大能量事件发生。统计分析发现，1203 工作面微震事件的频次最高集中在103J≤E＜104J 区间，能量占比较小，而105J≤E的矿震事件虽然频次较低，但在能量释放上占据主导地位。1208 工作面微震事件的频次集中在104J≤E＜105J 区间，能量占比最大。105J≤E的矿震事件虽然频次较低，但在能量释放上仍然占据重要地位，其能量占比仅次于104J≤E＜105J 区间。

3）巨厚弱胶结矿区地表沉陷与能量事件之间存在着关联性，随着工作面的推进，最大下沉值的突变往往伴随着大能量事件的发生。微震监测结果与地表沉陷观测结果得到的岩层运动规律基本一致，随着大能量事件的发生，释放的能量加剧了岩层移动变形破坏过程，这一过程传递到地表时发生地表最大下沉值的突变。