我國(guó)煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害分類(lèi)、預(yù)測(cè)與防控

朱斯陶，劉金海，姜福興，尚曉光，孫?？瑥埿薹?，宋大釗，張 明，王愛(ài)文，謝華東，曲效成

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101601；3.山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014；4.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；5.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；6.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 102299)

我國(guó)山東、內(nèi)蒙古、新疆和黑龍江等主要產(chǎn)煤地區(qū)均有巨厚硬巖賦存，且隨著井下開(kāi)采面積增大，工作面開(kāi)采過(guò)程中厚硬關(guān)鍵層破斷、運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生礦震，易誘發(fā)煤礦井下沖擊地壓和地面建筑物震動(dòng)損壞等災(zāi)害，已經(jīng)嚴(yán)重制約我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)。近年來(lái)，頻繁發(fā)生大能量礦震導(dǎo)致地面震感明顯，也嚴(yán)重影響了礦區(qū)附近居民的正常生活，社會(huì)影響惡劣。因此開(kāi)展可靠的煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害預(yù)測(cè)與防控是我國(guó)煤礦安全高效開(kāi)采的重大需求。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在礦震發(fā)生機(jī)理及其誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動(dòng)損害與防控技術(shù)方面開(kāi)展了相關(guān)研究，如竇林名等對(duì)煤礦礦震類(lèi)型及震動(dòng)波傳播規(guī)律研究，將煤礦礦震分為采動(dòng)破裂型、巨厚覆巖型和高能礦震型3種；姜福興等結(jié)合關(guān)鍵巖層斷裂特征與煤巖體應(yīng)力變化關(guān)系，提出了依據(jù)礦震發(fā)生前煤巖應(yīng)力突變規(guī)律實(shí)現(xiàn)臨場(chǎng)沖擊地壓預(yù)警的方法；曹安業(yè)等揭示了礦震輻射能量的傳播模式與衰減規(guī)律，分析了礦震動(dòng)載的誘沖機(jī)理及其對(duì)巷道圍巖沖擊破壞效應(yīng)的影響因素；翟明華等提出了巨厚堅(jiān)硬巖層礦井沖擊地壓存在“關(guān)鍵工作面效應(yīng)”、“震動(dòng)誘沖效應(yīng)”和“沖擊震動(dòng)效應(yīng)”3個(gè)特點(diǎn)；高明仕等基于沖擊地壓巷道圍巖破壞過(guò)程及關(guān)鍵影響因素分析，提出了沖擊地壓巷道減隔震技術(shù)原理，實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖消波降載支護(hù)體整體釋能抗沖的性能特征；張明等根據(jù)厚硬關(guān)鍵層破斷及能量傳播規(guī)律，提出了“震動(dòng)損害邊界”的觀點(diǎn)，初步建立了礦震誘發(fā)地面震動(dòng)損害的評(píng)估方法；于斌等針對(duì)堅(jiān)硬頂板特厚煤層開(kāi)采造成的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)及控制難題，提出井下近場(chǎng)預(yù)裂和地面遠(yuǎn)場(chǎng)壓裂的堅(jiān)硬巖層弱化技術(shù)控制工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)；軒大洋等提出了老采空區(qū)注漿充填控制巨厚火成巖下動(dòng)力災(zāi)害的技術(shù)方案，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了成功應(yīng)用。

以上研究成果對(duì)于認(rèn)識(shí)煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震發(fā)生機(jī)制及其防控具有重要意義，但對(duì)于頂板運(yùn)動(dòng)型礦震能量及其誘發(fā)災(zāi)害危險(xiǎn)程度的預(yù)測(cè)與源頭防控技術(shù)研究較少。由于誘發(fā)礦震的關(guān)鍵層厚度大、層位高、運(yùn)動(dòng)方式復(fù)雜，導(dǎo)致頂板運(yùn)動(dòng)型礦震發(fā)生機(jī)理復(fù)雜、類(lèi)型多，且存在同時(shí)誘發(fā)井下和地面災(zāi)害的可能。筆者采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，揭示了頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害機(jī)制，提出了頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害的預(yù)測(cè)方法和工程分類(lèi)方法，建立了頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防治技術(shù)體系，以期為煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防治提供參考。

1 我國(guó)煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震類(lèi)型

1.1 我國(guó)煤礦礦震發(fā)生情況

由于大型斷層地質(zhì)構(gòu)造活化、巨厚堅(jiān)硬頂板運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)烈的沖擊地壓災(zāi)害均可能誘發(fā)礦震，尤其是工作面開(kāi)采期間上覆巖層一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致部分礦井頻繁發(fā)生大能量礦震，嚴(yán)重影響了礦井的安全高效生產(chǎn)。根據(jù)課題組調(diào)研，當(dāng)前我國(guó)山東兗州礦區(qū)、黑龍江鶴崗礦區(qū)、內(nèi)蒙古鄂爾多斯礦區(qū)和新疆硫磺溝礦區(qū)礦震發(fā)生較為頻繁，以上4個(gè)礦區(qū)地層中均存在200～500 m巨厚堅(jiān)硬巖層，近5 a累計(jì)發(fā)生2.0級(jí)以上礦震近300次。通過(guò)對(duì)以上礦震事件發(fā)生位置和發(fā)生機(jī)理的分析，將煤礦開(kāi)采型礦震分為沖擊地壓誘發(fā)型、斷層構(gòu)造活化型和頂板運(yùn)動(dòng)型3類(lèi)。

(1)沖擊地壓誘發(fā)型礦震。當(dāng)采掘工作面高應(yīng)力圍巖發(fā)生沖擊破壞時(shí)，釋放的彈性能能夠引起地面建筑物震動(dòng)損害，如1959年門(mén)頭溝發(fā)生的3.8級(jí)沖擊地壓，不僅給井下生產(chǎn)設(shè)施造成嚴(yán)重破壞，并且波及至地面，震壞、震裂房屋達(dá)百余間，有感震動(dòng)半徑達(dá)5 km。近期如2019-06-09T20：01：00，吉林龍家堡發(fā)生2.3級(jí)沖擊地壓事故破壞巷道220 m，事故發(fā)生瞬間地面房屋晃動(dòng)明顯，人員震感較強(qiáng)。當(dāng)前我國(guó)學(xué)者對(duì)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、預(yù)測(cè)預(yù)警及防控開(kāi)展了大量研究，取得了突破性的進(jìn)展，基本實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓的可防可控，因此沖擊地壓誘發(fā)型礦震通過(guò)提前采取防控措施能夠避免。

(2)斷層構(gòu)造活化型礦震。斷層形成過(guò)程中，在地應(yīng)力作用下斷層兩側(cè)煤巖體中積聚了大量構(gòu)造應(yīng)力，當(dāng)工作面采掘擾動(dòng)打破了斷層兩側(cè)應(yīng)力平衡狀態(tài)時(shí)，容易誘發(fā)斷層活化型礦震。如東灘煤礦六采區(qū)6304首采工作面初采期間(頂板未發(fā)生大范圍運(yùn)動(dòng))頻繁發(fā)生1.5級(jí)以上礦震，其主要原因是開(kāi)切眼附近的斷層活化產(chǎn)生。對(duì)于大型斷層構(gòu)造控制型礦震，其活化過(guò)程中釋放的彈性能是難以估算的，通過(guò)合理的開(kāi)采設(shè)計(jì)可以提前避免或降低斷層構(gòu)造活化產(chǎn)生礦震能量。

(3)頂板運(yùn)動(dòng)型礦震。當(dāng)工作面大范圍開(kāi)采時(shí)，采空區(qū)上方厚硬關(guān)鍵層破斷、回轉(zhuǎn)或滑移運(yùn)動(dòng)時(shí)，釋放巨大的彈性能和重力勢(shì)能引起礦震。我國(guó)主要產(chǎn)煤地區(qū)均有巨厚硬巖賦存，且隨著煤礦開(kāi)采深度增加和井下開(kāi)采面積增大，頂板運(yùn)動(dòng)型礦震發(fā)生頻次明顯增加。由于地層中關(guān)鍵層的厚度、抗壓強(qiáng)度等特征參數(shù)可通過(guò)地質(zhì)資料獲取，因此可通過(guò)建立理論模型來(lái)預(yù)測(cè)礦震發(fā)生的能量和震級(jí)。

沖擊地壓誘發(fā)型礦震和斷層構(gòu)造活化型礦震一般對(duì)井下沖擊地壓影響較大，對(duì)地面建筑物的震動(dòng)損害較?。豁敯暹\(yùn)動(dòng)型礦震由于發(fā)生位置距離地面較近，一般同時(shí)存在誘發(fā)井下沖擊和地面建筑物震動(dòng)損害的可能。大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，頂板運(yùn)動(dòng)型礦震是我國(guó)煤礦深部開(kāi)采面臨的主要礦震類(lèi)型，其誘發(fā)井下和地面災(zāi)害的頻次及可能性也遠(yuǎn)高于沖擊地壓誘發(fā)型礦震和斷層構(gòu)造活化型礦震。因此筆者主要針對(duì)頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害類(lèi)型、預(yù)測(cè)與防控開(kāi)展研究。

1.2 煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震類(lèi)型

課題組通過(guò)對(duì)多個(gè)礦區(qū)礦震發(fā)生規(guī)律、機(jī)理和現(xiàn)場(chǎng)顯現(xiàn)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及分析表明，煤層上方關(guān)鍵層在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下均可能誘發(fā)礦震。在綜合考慮采礦工程移動(dòng)性、頂板運(yùn)動(dòng)階段性和周期性、巖層運(yùn)動(dòng)范圍擴(kuò)展性的基礎(chǔ)上，根據(jù)關(guān)鍵層層位將頂板運(yùn)動(dòng)型礦震分為低位礦震和高位礦震，結(jié)合關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)階段將煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震分為初次斷裂和周期斷裂，基于關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)模式將頂板運(yùn)動(dòng)型礦震分為關(guān)鍵層斷裂型、關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)型和關(guān)鍵層滑移型3類(lèi)礦震，如圖1所示。全面揭示了“煤層開(kāi)采—頂板斷裂—覆巖運(yùn)動(dòng)—礦震”的煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震發(fā)生過(guò)程，為煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害預(yù)測(cè)和分類(lèi)防范提供了理論基礎(chǔ)。

圖1 不同關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)誘發(fā)礦震模型

2 頂板運(yùn)動(dòng)型礦震能量預(yù)測(cè)

礦震能量和震級(jí)的預(yù)測(cè)是開(kāi)展礦震誘發(fā)災(zāi)害預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。在頂板運(yùn)動(dòng)型礦震分類(lèi)的基礎(chǔ)上，建立了基于“關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”的頂板運(yùn)動(dòng)型礦震預(yù)測(cè)模型(圖2)。不同關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生礦震能量來(lái)源也存在較大差異，其中初次斷裂型礦震能量最大，來(lái)源主要是關(guān)鍵層初次斷裂時(shí)積聚的彎曲彈性能；周期斷裂型礦震能量次之，來(lái)源主要是關(guān)鍵層周期斷裂時(shí)積聚的彎曲彈性能；回轉(zhuǎn)和滑移型礦震能量相對(duì)較小，來(lái)源主要是關(guān)鍵層重力勢(shì)能。

圖2 煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震能量預(yù)測(cè)模型

2.1 關(guān)鍵層斷裂型礦震能量預(yù)測(cè)

關(guān)鍵層初次斷裂時(shí)，其彈性能來(lái)源主要為彎曲彈性能。煤層上方第個(gè)關(guān)鍵層懸頂結(jié)構(gòu)初次或周期破斷時(shí)釋放的彈性能分別為

(1)

式中，ε1為第個(gè)關(guān)鍵層初次破斷釋放彈性能；ε2為第個(gè)關(guān)鍵層周期破斷釋放彈性能；為第個(gè)關(guān)鍵層自重和上覆巖層附加載荷的單位長(zhǎng)度折算載荷；為第個(gè)關(guān)鍵層梁彈性模量；1，2分別為第個(gè)關(guān)鍵層初次、周期破斷步距；為第個(gè)關(guān)鍵層厚度；為第個(gè)關(guān)鍵層懸空跨度。

由于關(guān)鍵層破斷時(shí)地震效率較低，震動(dòng)波釋放的能量一般為總應(yīng)變能的0.26%～3.60%。則第個(gè)關(guān)鍵層初次破斷和周期破斷時(shí)釋放的能量分別為

=ε1

(2)

=ε2

(3)

2.2 關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)和滑移型礦震能量預(yù)測(cè)

關(guān)鍵層發(fā)生回轉(zhuǎn)或滑移時(shí)產(chǎn)生礦震能量主要由自重產(chǎn)生，因此工作面上方第個(gè)關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)和滑移產(chǎn)生的礦震能量分別為

=21

(4)

=22

(5)

式中，1為第個(gè)關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)高度；2為第個(gè)關(guān)鍵層滑移高度；為巖層容重。

3 頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動(dòng)損害預(yù)測(cè)

3.1 頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動(dòng)損害機(jī)制

煤層上覆厚硬關(guān)鍵層破斷產(chǎn)生的強(qiáng)礦震不僅能夠誘發(fā)井下沖擊地壓等災(zāi)害，還能夠?qū)Φ孛娼ㄖ锇踩珮?gòu)成潛在威脅，同時(shí)給礦區(qū)居民造成了較大的心理“恐慌”，礦震由采礦安全問(wèn)題逐步演化成公共安全問(wèn)題。基于礦震附加應(yīng)力和震動(dòng)損害邊界的概念，建立頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物損害的一體化力學(xué)模型(圖3)，圖中為煤層埋深；為震源到地表建筑物空間距離；′為震動(dòng)影響平面范圍;為礦震震源與地表垂距;為巖層移動(dòng)角;為煤層靜載荷；為礦震引起的煤層附加應(yīng)力；為煤層沖擊的臨界應(yīng)力。

圖3 頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動(dòng)損害力學(xué)模型

頂板運(yùn)動(dòng)型礦震震動(dòng)波傳播至井下引起圍巖質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)產(chǎn)生附加應(yīng)力導(dǎo)致沖擊地壓機(jī)制為

+>

(6)

礦震震動(dòng)波傳播至地面引起地面質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)導(dǎo)致建筑物破壞機(jī)制為

≥

(7)

式中，為礦震引起地面質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度；為地面建筑物容許極限震動(dòng)速度。

3.2 煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)估方法

根據(jù)動(dòng)靜載疊加誘沖理論，對(duì)于礦震誘發(fā)的井下沖擊地壓災(zāi)害，震動(dòng)形成的動(dòng)態(tài)附加應(yīng)力與煤層應(yīng)力疊加，當(dāng)疊加應(yīng)力超過(guò)沖擊臨界應(yīng)力時(shí)發(fā)生沖擊失穩(wěn)(圖4)。采掘工作面煤體發(fā)生沖擊地壓可能性系數(shù)為

圖4 頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)井下沖擊示意

=(+)

(8)

式中，為沖擊可能性系數(shù)，當(dāng)分別位于(0，1.5)，[1.5，2.0)，[2.0，2.5)，[2.5，+∞)區(qū)間時(shí)具有無(wú)、弱、中等和強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)；為煤層單軸抗壓強(qiáng)度。

課題組提出了一種量化回采工作面某一點(diǎn)煤層靜態(tài)應(yīng)力()的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，即

(9)

式中，()為煤層某一點(diǎn)自重應(yīng)力；Δ()為某一點(diǎn)第個(gè)誘發(fā)沖擊地壓影響因素產(chǎn)生的應(yīng)力增量，包含構(gòu)造、采空區(qū)、煤柱等。

頂板運(yùn)動(dòng)型礦震波傳遞至采掘空間周?chē)鷷r(shí)，殘余的能量為

=-

(10)

式中，為礦震釋放的能量；為震源到采掘空間的距離；為礦震波衰減系數(shù)。

根據(jù)彈性波理論，礦震附加應(yīng)力為

=

(11)

式中，為煤巖介質(zhì)密度；為礦震波傳播速度；為礦震波引起采掘空間巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)的峰值震動(dòng)速度，=(2/)，為礦震能量作用系數(shù)。

3.3 煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)地面建筑物震動(dòng)損害評(píng)估方法

根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》和相關(guān)研究成果，質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度是判別建筑物震動(dòng)損害最常用的指標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，大量2.0～3.0級(jí)礦震發(fā)生時(shí)，雖然沒(méi)有造成地面建筑物震動(dòng)破壞，但礦震引起的強(qiáng)烈震感引起地面大量居民恐慌，因此劃分礦震對(duì)建筑物震動(dòng)損害標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)綜合考慮地面居民和建筑物受到的礦震震動(dòng)效應(yīng)。綜合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)研究成果，以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度將頂板運(yùn)動(dòng)型礦震(一般情況下頂板運(yùn)動(dòng)型礦震主頻≤10 Hz)對(duì)地面建筑物和居民影響程度劃分為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：①≤5 mm/s，建筑物安全且人震感不明顯；② 5 mm/s<≤30 mm/s，建筑物安全但人震感強(qiáng)烈；③>30 mm/s，民用建筑物可能產(chǎn)生震動(dòng)破壞并造成人員傷亡。

由于僅有部分礦震波作用在地面單位體積質(zhì)點(diǎn)，則礦震波誘發(fā)地面質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)損害的臨界條件為

-≥′()/2

(12)

式中，′為地表附近傳播介質(zhì)密度。

=(2-/′)

(13)

根據(jù)式(13)可計(jì)算得到工作面開(kāi)采期間礦震引起地表距離最近的建筑物震動(dòng)速度，進(jìn)而識(shí)別頂板運(yùn)動(dòng)型礦震對(duì)地面建筑物的影響程度。

4 煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震工程分類(lèi)方法

針對(duì)工作面開(kāi)采期間煤層上方不同層位關(guān)鍵層在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下誘發(fā)地面和井下災(zāi)害的差異性，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)階段、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和誘發(fā)災(zāi)害程度進(jìn)行分析，基于煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)地面建筑物震動(dòng)損害和井下沖擊地壓機(jī)制，提出了頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)災(zāi)害的工程分類(lèi)方法(圖5)。

圖5 頂板運(yùn)動(dòng)型礦震與誘發(fā)災(zāi)害類(lèi)型

將煤層上方可能引起礦震的關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為6類(lèi)，礦震誘發(fā)地面建筑物震動(dòng)損害等級(jí)分為無(wú)～弱震感、震感強(qiáng)烈和建筑物損害3級(jí)，礦震誘發(fā)井下沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)分為無(wú)、弱、中等和強(qiáng)4級(jí)。其分類(lèi)的具體流程(圖6)為：

圖6 頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)災(zāi)害工程分類(lèi)流程

(1)獲取礦井地質(zhì)與采礦資料。包含試驗(yàn)工作面煤層賦存條件、采煤方法、鉆孔柱狀圖、地質(zhì)構(gòu)造和支護(hù)設(shè)計(jì)等。

(2)分析地層結(jié)構(gòu)，確定礦震關(guān)鍵層層位、厚度等特征參數(shù)及礦震類(lèi)型，基于礦震能量預(yù)測(cè)模型分別計(jì)算各關(guān)鍵層在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的礦震能量。

(3)根據(jù)井下巷道圍巖結(jié)構(gòu)、沖擊地壓影響因素和地面建筑物類(lèi)型確定井下沖擊地壓和地面震動(dòng)損害臨界值和。

(4)基于礦震附加應(yīng)力和震動(dòng)損害邊界原理，計(jì)算礦震附加應(yīng)力和地面建筑物質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度。

(5)將，代入和中，確定井下圍巖沖擊危險(xiǎn)等級(jí)和地面建筑物震動(dòng)危險(xiǎn)等級(jí)。

(6)根據(jù)井下沖擊危險(xiǎn)等級(jí)和地面震動(dòng)損害等級(jí)，識(shí)別礦震誘發(fā)災(zāi)害工程類(lèi)型。

通過(guò)井下圍巖沖擊危險(xiǎn)性指標(biāo)和地面建筑物震動(dòng)損害指標(biāo)對(duì)工作面開(kāi)采期間產(chǎn)生礦震誘發(fā)災(zāi)害的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并進(jìn)行分級(jí)分類(lèi)，形成了集頂板運(yùn)動(dòng)型礦震與誘發(fā)災(zāi)害類(lèi)型于一體的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法。

5 煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防控技術(shù)

5.1 煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防控技術(shù)體系

基于煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動(dòng)損害的機(jī)制，控制關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動(dòng)、降低礦震釋放能量和提高巷道或建筑物的抗震能力是有效防控礦震誘發(fā)災(zāi)害危險(xiǎn)的關(guān)鍵。課題組提出了分類(lèi)防控、源頭減震、吸能抗震協(xié)同防控頂板運(yùn)動(dòng)型礦震的理念，形成了以低礦震能量、低圍巖密度和高抗震能力為基礎(chǔ)的煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防控體系，如圖7所示。其中防控途徑分為主動(dòng)防控和被動(dòng)防控2類(lèi)，如地面鉆孔壓裂和頂板深孔爆破為主動(dòng)防控技術(shù)，巷道吸能支護(hù)和煤層鉆孔等為被動(dòng)防控技術(shù)。目前在我國(guó)山東兗州礦區(qū)、內(nèi)蒙古鄂爾多斯礦區(qū)和陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)等多個(gè)煤礦已開(kāi)展了地面鉆井壓裂源頭主動(dòng)防控礦震的技術(shù)試驗(yàn)研究，取得了一定的成效。

圖7 頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防控體系

5.2 煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害預(yù)測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

..東灘煤礦六采區(qū)概況

東灘煤礦六采區(qū)開(kāi)采3煤層，煤層平均厚度約5.4 m，平均埋深約700 m，采用綜采一次采全高采煤工藝。六采區(qū)工作面開(kāi)采順序?yàn)?304工作面→6305工作面→6303工作面→6306工作面(正在開(kāi)采)，工作面平均寬度約為260 m，如圖8所示。

圖8 東灘煤礦六采區(qū)平面示意

根據(jù)六采區(qū)O2-D7鉆孔揭露地層結(jié)構(gòu)可知，煤層上方約86 m處存在厚度為263 m的砂巖組，為地層中主關(guān)鍵層，見(jiàn)表1。

表1 O2-D7鉆孔地層參數(shù)

..六采區(qū)工作面開(kāi)采期間礦震能量及誘發(fā)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

六采區(qū)煤層上方存在厚度為263 m的巨厚砂巖主關(guān)鍵層，因此該關(guān)鍵層初次破斷時(shí)易產(chǎn)生大能量礦震，且對(duì)井下沖擊地壓和地面建筑物的影響最大。因此對(duì)263 m主關(guān)鍵層初次斷裂時(shí)產(chǎn)生礦震進(jìn)行分析。根據(jù)東灘煤礦六采區(qū)地質(zhì)孔巖石力學(xué)測(cè)試報(bào)告中相關(guān)參數(shù)，取主關(guān)鍵層平均厚度=263 m，最大抗拉強(qiáng)度[]=6 MPa，彈性模量=15 GPa，采用兩端固支梁模型可計(jì)算得到關(guān)鍵層初次斷裂步距=355 m。將以上參數(shù)代入式(3)中可得到主關(guān)鍵層初次破斷時(shí)釋放的彈性能=3.4×10J，取地震效率=0.5%，則主關(guān)鍵層初次破斷產(chǎn)生礦震波的能量=1.7×10J。東灘煤礦六采區(qū)開(kāi)采期間最大礦震能量為2017-12-30發(fā)生的3.04級(jí)礦震，微震定位能量為1.45×10J，與理論計(jì)算結(jié)果相近。

(1)礦震引起井下沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)估。由于六采區(qū)首采6304工作面寬度為260 m，遠(yuǎn)小于主關(guān)鍵層初次破斷步距，因此預(yù)測(cè)主關(guān)鍵層為第2個(gè)6305工作面開(kāi)采期間發(fā)生破斷。6305工作面在預(yù)測(cè)關(guān)鍵層破斷區(qū)域平均埋深約710 m，周邊無(wú)明顯地質(zhì)構(gòu)造影響。取采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力集中系數(shù)為1.5，根據(jù)式(9)計(jì)算得到=26.6 MPa，3煤層的平均單軸抗壓強(qiáng)度=19.6 MPa，由式(8)可得煤體在靜載作用下的沖擊可能性系數(shù)=1.4，具有無(wú)沖擊危險(xiǎn)；取礦震能量作用系數(shù)=1%，巖層介質(zhì)=25 kN/m，礦震波傳播速度=3 500 m/s，震源到煤層的最近距離=86 m，礦震波衰減系數(shù)=1.5，將以上參數(shù)代入式(10)和式(11)中，可計(jì)算得到頂板運(yùn)動(dòng)型礦震波給工作面煤體施加的動(dòng)應(yīng)力=5.6 MPa，代入式(8)可得煤體在動(dòng)靜載作用下的沖擊可能性系數(shù)=1.6，具有弱沖擊危險(xiǎn)。對(duì)照?qǐng)D3可知，主關(guān)鍵層初次破斷產(chǎn)生礦震波引起井下煤體沖擊危險(xiǎn)類(lèi)型為C。

(2)礦震引起地面建筑物震動(dòng)損害危險(xiǎn)評(píng)估。根據(jù)式(12)和式(13)可反推出礦震波對(duì)地面建筑物的震動(dòng)影響半徑為

(14)

分別取=5，30 mm/s，計(jì)算可得關(guān)鍵層破斷引起地面建筑物強(qiáng)烈震感半徑=7 587 m；引起地面建筑物震動(dòng)破壞半徑=696 m。由于式(14)計(jì)算結(jié)果為空間距離，為便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，將其換算為地面直線距離。根據(jù)圖3可推導(dǎo)出礦震震動(dòng)影響范圍平面距離為

(15)

圖9 6306工作面開(kāi)采地面震動(dòng)影響范圍

對(duì)照?qǐng)D3可知，主關(guān)鍵層初次破斷產(chǎn)生礦震波引起地面建筑物震動(dòng)損害危險(xiǎn)類(lèi)型為B。

綜上所述，通過(guò)采用煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震工程分類(lèi)方法，可快速識(shí)別關(guān)鍵層在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下誘發(fā)井下沖擊危險(xiǎn)和地面建筑物震動(dòng)損害危險(xiǎn)的等級(jí)，為頂板運(yùn)動(dòng)型礦震能量預(yù)測(cè)及誘發(fā)災(zāi)害的防范提供依據(jù)。

5.3 地面直井壓裂防控頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至目前，東灘煤礦六采區(qū)開(kāi)采期間發(fā)生1.5級(jí)以上礦震近400次，根據(jù)課題組研究，雖然沒(méi)有誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動(dòng)損害，但頻繁發(fā)生大能量礦震導(dǎo)致礦區(qū)周邊約7.6 km范圍內(nèi)建筑物震感明顯，給周邊居民帶來(lái)了較大的心理恐慌。由于引起礦震的關(guān)鍵層距離煤層較遠(yuǎn)且厚度大，常規(guī)手段難以有效防控礦震。東灘煤礦聯(lián)合課題組提出了地面直井壓裂巨厚關(guān)鍵層源頭防控礦震的方法，在東灘煤礦6306工作面施工了6口地面直井壓裂巨厚關(guān)鍵層，壓裂范圍約625 m，如圖10所示。

圖10 地面壓裂井布置平面示意

現(xiàn)場(chǎng)鉆井、壓裂施工照片如圖11(a)所示，圖11(b)為4號(hào)井壓裂期間高精度微震監(jiān)測(cè)壓裂裂縫高度和范圍。由圖11(b)可知，4號(hào)壓裂井分3段壓裂結(jié)束后，形成的主裂縫長(zhǎng)270 m，裂縫在垂直方向上主要分布于-530～-200 m，累計(jì)縫高達(dá)330 m，基本實(shí)現(xiàn)了礦震關(guān)鍵層的全厚壓裂。

圖11 地面壓裂井布置及壓裂微震監(jiān)測(cè)示意

根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，截至2021-03-13，6306工作面推采約600 m，6304，6305，6303和6306工作面推采至600 m時(shí)分別發(fā)生1.5級(jí)以上礦震46，57，69和27次，如圖12所示。試驗(yàn)對(duì)比表明，實(shí)施地面壓裂后，相同開(kāi)采范圍內(nèi)1.5級(jí)以上礦震頻次平均下降52.9%，大幅降低了煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震的發(fā)生頻次。

圖12 六采區(qū)工作面回采期間1.5級(jí)以上礦震累計(jì)發(fā)生頻次

6 問(wèn)題與討論

東灘煤礦6306工作面在2020-11-30T09：41：29—49連續(xù)發(fā)生2次大能量礦震，微震定位礦震能量分別為7.55×10J(震級(jí)1.9級(jí))和2.38×10J(震級(jí)2.2級(jí))，震源分別位于煤層上方177 m和128 m處。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，2次礦震發(fā)生時(shí)井下震感較強(qiáng)，雖然對(duì)井下人員及設(shè)備未造成影響，但在礦震作用下6306工作面沿空巷道超前200 m巷道出現(xiàn)輕微變形，局部存在底臌和鼓幫，部分地段頂板下沉。礦震發(fā)生時(shí)工作面推采約550 m，位于關(guān)鍵層壓裂區(qū)域內(nèi)。

東灘煤礦六采區(qū)6303，6304，6305三個(gè)工作面開(kāi)采期間發(fā)生360余次1.5級(jí)以上礦震(最大震級(jí)3.04級(jí))，未對(duì)工作面造成破壞。但6306工作面在壓裂區(qū)開(kāi)采期間發(fā)生的礦震造成強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)，與相鄰工作面開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)存在較大差異。

課題組以東灘煤礦六采區(qū)為工程背景，開(kāi)展地面壓裂對(duì)關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)影響的相似材料模擬研究。圖13為正常開(kāi)采條件下，采空區(qū)上覆巖層自下而上逐層斷裂、回轉(zhuǎn)，主關(guān)鍵層能形成穩(wěn)定的巖梁結(jié)構(gòu)。圖14為采取地面壓裂措施后關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)規(guī)律。6306工作面上方主關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)模式由原來(lái)的逐層彎曲斷裂(形成巖梁結(jié)構(gòu))轉(zhuǎn)變?yōu)檎w滑移失穩(wěn)(不能形成巖梁結(jié)構(gòu))，且整體滑移失穩(wěn)的同時(shí)壓迫下位關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，進(jìn)而將覆巖載荷完全傳遞至工作面前方煤體，易同時(shí)誘發(fā)滑移型礦震和工作面沖擊地壓災(zāi)害。

圖13 6304，6305工作面覆巖運(yùn)動(dòng)相似材料模擬照片

圖14 6306工作面壓裂后覆巖運(yùn)動(dòng)相似材料模擬照片

相似材料模擬主關(guān)鍵層發(fā)生第2次整體滑移失穩(wěn)時(shí)推采181.6 cm(相似比為1∶300)相當(dāng)于實(shí)際推采544.8 m，與6306工作面“11·30”礦震發(fā)生時(shí)的推采距離(550 m)接近，相似材料模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。

由工作面在壓裂區(qū)開(kāi)采期間的礦壓顯現(xiàn)和相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果可以看出，大范圍壓裂措施能夠降低大能量礦震發(fā)生頻次，但也可能改變關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)模式，甚至增大井下礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。因此擬采用地面壓裂工藝防范頂板運(yùn)動(dòng)型礦震的礦井，應(yīng)結(jié)合礦井地層結(jié)構(gòu)，開(kāi)展地面壓裂防控礦震有效性及關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)模式影響的相關(guān)研究。

7 結(jié) 論

(1) 基于關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)模式將頂板運(yùn)動(dòng)型礦震分為關(guān)鍵層斷裂型、關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)型和關(guān)鍵層滑移型3類(lèi)礦震，建立了基于“關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”的頂板運(yùn)動(dòng)型礦震的能量預(yù)測(cè)模型，分別提出了3類(lèi)頂板運(yùn)動(dòng)型礦震能量的計(jì)算方法。

(2) 基于頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)井下和地面災(zāi)害機(jī)制，建立了頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動(dòng)損害的一體化力學(xué)模型和評(píng)估方法，為煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震誘發(fā)災(zāi)害的預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)。

(3) 提出了分類(lèi)防控、源頭減震、吸能抗震協(xié)同防控頂板運(yùn)動(dòng)型礦震的理念，形成了以低礦震能量、低圍巖密度和高抗震能力為基礎(chǔ)的煤礦頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防控體系，開(kāi)展了地面直井壓裂源頭防控頂板運(yùn)動(dòng)型礦震的技術(shù)試驗(yàn)研究。

(4) 根據(jù)工作面在壓裂區(qū)開(kāi)采期間的礦壓顯現(xiàn)和相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果，大范圍壓裂措施能夠降低大能量礦震發(fā)生頻次，但也可能改變關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)模式，甚至增大井下礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。