某礦上覆采空區(qū)條件下礦震發(fā)生規(guī)律

2016-09-20 05:47:50毛懷昆蘇雁軍

現(xiàn)代礦業(yè) 2016年8期

毛懷昆　蘇雁軍

(1.山東能源新礦集團(tuán)孫村煤礦；2.山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)義能煤礦有限公司)

毛懷昆1蘇雁軍2

(1.山東能源新礦集團(tuán)孫村煤礦；2.山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)義能煤礦有限公司)

分析了某礦103下04工作面礦震發(fā)生的影響因素，認(rèn)為巖性條件、開(kāi)采深度及地質(zhì)構(gòu)造是工作面礦震發(fā)生的主要影響因素。通過(guò)對(duì)103下04工作面回采期間礦震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析了礦震發(fā)生的時(shí)空關(guān)系、礦震發(fā)生的頻率和次數(shù)與工作面推進(jìn)速度的關(guān)系、礦震事件空間演化規(guī)律，并進(jìn)一步分析了該礦上覆采空區(qū)條件下的礦震發(fā)生規(guī)律，即強(qiáng)礦震事件范圍“窄”、回采空間礦震顯現(xiàn)“弱”。

采空區(qū)沖擊地壓礦震

沖擊地壓是礦山開(kāi)采中發(fā)生的煤巖體動(dòng)力災(zāi)害之一，隨著煤炭開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增加，沖擊地壓?jiǎn)栴}日趨嚴(yán)重，特別是在大震級(jí)、大能量的礦震事件頻發(fā)的采區(qū)，易發(fā)生礦震誘發(fā)的沖擊地壓事故[1]。但目前對(duì)于礦震誘發(fā)沖擊地壓的發(fā)生機(jī)制和防沖研究尚未形成合理有效的技術(shù)體系。某礦十采區(qū)3上工作面上覆存在巨厚紅層(主關(guān)鍵層)，隨著采動(dòng)的影響，上覆巖層發(fā)生斷裂、下沉和回轉(zhuǎn)，上覆巖層運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后將形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。十采區(qū)3下工作面與3上工作面間距9.3～11.5 m，3下工作面回采將對(duì)3上工作面采空區(qū)上方已穩(wěn)定的巖層造成二次擾動(dòng)，易誘發(fā)礦震甚至強(qiáng)震事件的發(fā)生，嚴(yán)重威脅了工作面的安全生產(chǎn)。因此，研究上覆采空區(qū)條件下的礦震發(fā)生規(guī)律，對(duì)于類(lèi)似地質(zhì)及開(kāi)采條件下礦井的安全回采具有重要意義。

1　工作面地質(zhì)概況

某礦103下04工作面為十采區(qū)3下煤層工作面，工作面地面標(biāo)高+41.87～+44.21 m，平均+42.81 m，井下標(biāo)高-423～-556 m，平均-489 m，煤層埋深約520 m，煤層厚度3.0～3.6 m，平均3.42 m，工作面走向長(zhǎng)1 547 m，傾向長(zhǎng)206 m，面積319 445 m2。103下04 工作面位于礦井東南部，工作面西部上方為白馬河。工作面設(shè)計(jì)停采線位于白馬河西河堤以西390～434 m，工作面切眼位于白馬河?xùn)|河堤以東958～998 m，地表主要為農(nóng)田及河流。

2　礦震發(fā)生的影響因素

2.1巖性條件

一般來(lái)說(shuō)，巖石堅(jiān)硬而強(qiáng)度大時(shí)，其彈性能量指數(shù)(巖石單軸加卸載試驗(yàn)時(shí)彈性變形能與耗損應(yīng)變能之比)和彈性變形能指數(shù)(巖石儲(chǔ)存能量的特性與單軸抗壓強(qiáng)度的平方成正比，與彈性模量成反比)等參數(shù)較大，易孕育并發(fā)生礦震[2-3]。103下04工作面上方巖層以砂巖為主，因此該工作面覆巖易積聚能量，覆巖破斷易發(fā)生礦震事件。此外，3上煤層上方高位存在巨厚紅層砂巖(主關(guān)鍵層)，紅層砂巖破斷、運(yùn)移，易誘發(fā)強(qiáng)震事件。

2.2開(kāi)采深度

主應(yīng)力強(qiáng)度與巖石的埋藏深度成線性關(guān)系，最大主應(yīng)力σ1與埋藏深度H的關(guān)系為

(1)

式中,a0、b0為擬合參數(shù)。

式(1)表明，隨采深加大，應(yīng)力水平增加，變形增大，礦震強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)。

2.3地質(zhì)構(gòu)造

礦震主要發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜、構(gòu)造應(yīng)力較大、斷裂活動(dòng)較顯著的區(qū)域。采掘活動(dòng)是礦震發(fā)生的誘發(fā)因素，是外因；地質(zhì)構(gòu)造是礦震發(fā)生的控制因素，是內(nèi)因。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斷裂活動(dòng)明顯的區(qū)域，存在較大的應(yīng)力集中，積聚較大的變形能。同時(shí)該類(lèi)區(qū)域的巖層經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)作用，其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了較大變化，處于峰值強(qiáng)度后的軟化變形階段，成為非穩(wěn)定介質(zhì)，與周?chē)鷧^(qū)域的巖體構(gòu)成非穩(wěn)定的變形系統(tǒng)，在采掘活動(dòng)和上覆巨厚巖層運(yùn)動(dòng)的作用下釋放能量，從而產(chǎn)生礦震。

3　礦震發(fā)生規(guī)律

3.1礦震能量分析

103下04工作面開(kāi)采期間，臨近工作面和采區(qū)周?chē)鷷?huì)有不同程度的礦震事件發(fā)生，對(duì)工作面的開(kāi)采造成一定的影響，對(duì)2013年11月29日—2014年8月20日微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在十采區(qū)及臨近區(qū)域共監(jiān)測(cè)到礦震1 160個(gè)，其中最大能量為1.93×107J，最小能量為14.8 J，平均能量為1.28×105J，震動(dòng)能量分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知：震動(dòng)能量主要集中于102～103J，占總礦震數(shù)量的77.58%，說(shuō)明全礦微震強(qiáng)度較小，以小能量釋放的微震事件為主。

表1　微震數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2礦震事件時(shí)間序列分析3.2.1強(qiáng)礦震事件發(fā)生的時(shí)空關(guān)系

103下04工作面(2013年11月28日—2014年8月8日)微震事件震動(dòng)頻率、能量時(shí)間序列、能量隨工作面推進(jìn)的變化特征見(jiàn)圖1。由圖1可知：礦震事件能量及頻次呈現(xiàn)周期性變化，平均周期約為30 d，周期推進(jìn)距離為100～150 m，另外，強(qiáng)礦震也主要發(fā)生在高頻次、高能量時(shí)期，即主關(guān)鍵層裂斷時(shí)，發(fā)生下沉移動(dòng)，導(dǎo)致強(qiáng)礦震的發(fā)生。

圖1　103下04工作面微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列 ———能量;■—頻次

3.2.2礦震發(fā)生的頻率與工作面推進(jìn)速度的關(guān)系

礦震發(fā)生的頻率與工作面推進(jìn)速度、開(kāi)采強(qiáng)度有關(guān)。工作面推進(jìn)速度越快、開(kāi)采強(qiáng)度越高，礦震發(fā)生頻率越大、次數(shù)越多，反之越少，工作面停產(chǎn)檢修期間基本無(wú)礦震事件發(fā)生，特別是102～103J、103～104J等小能量礦震事件更加符合該規(guī)律。開(kāi)采速度與礦震發(fā)生頻率的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知：3下煤層工作面推進(jìn)速度超過(guò)6 m/d時(shí)，各能量級(jí)的日震動(dòng)能量增加加快。因此，綜合考慮工作面的微震活動(dòng)特點(diǎn)，認(rèn)為將3下工作面推進(jìn)速度控制在(4～6)m/d以?xún)?nèi)，可確保工作面的安全回采。

圖2　工作面開(kāi)采速度與礦震發(fā)生頻率的關(guān)系

3.3103下04工作面礦震事件空間演化規(guī)律

103下04工作面回采期間礦震事件分布情況見(jiàn)圖3。由圖3可知：①104～105J的礦震在斷層線附近發(fā)生頻繁，說(shuō)明該處存在一定的沖擊地壓危險(xiǎn)性，但由于斷層落差為3～5 m，積聚的能量不大，因此未造成大的礦震事件發(fā)生；②3下煤層大礦震事件一開(kāi)始便發(fā)生于上部巨厚巖層，特別是5×105J以上的礦震事件，在下部巖層中未出現(xiàn)；③3下煤層大礦震事件深入巨厚巖層中，部分震中距地表僅約111 m；④3上煤層開(kāi)采完畢后，煤層頂板垮落完全，上覆巨厚巖層已破斷，位置區(qū)域穩(wěn)定，但已處于裂斷狀態(tài)，開(kāi)采3下煤層時(shí)，隨著采空區(qū)面積的增大，上覆巨厚巖層會(huì)發(fā)生下沉和回轉(zhuǎn)，易導(dǎo)致巨大能量強(qiáng)礦震事件的發(fā)生，此時(shí)的能量大于3上煤層開(kāi)采時(shí)。

103下04工作面開(kāi)采時(shí)的礦震規(guī)律為：①?gòu)?qiáng)礦震事件范圍“窄”，開(kāi)采3下煤層過(guò)程中，強(qiáng)礦震事件基本都發(fā)生在上覆巨厚巖層(主關(guān)鍵層)中，其他部位基本無(wú)強(qiáng)礦震事件發(fā)生；②回采空間礦震“弱”，強(qiáng)礦震事件主要發(fā)生于上覆巨厚巖層中，而3下煤層工作面區(qū)域幾乎無(wú)大能量礦震事件的發(fā)生，是因?yàn)樯细膊煽諈^(qū)內(nèi)的破碎巖層發(fā)揮了緩沖作用，但此時(shí)地表震動(dòng)較強(qiáng)烈，回采空間礦震呈現(xiàn)“弱”的規(guī)律。

4　結(jié)　語(yǔ)

在分析某礦礦震發(fā)生影響因素的基礎(chǔ)上，研究了該礦103下04工作面回采期間礦震能量分布規(guī)律、礦震發(fā)生的時(shí)間序列規(guī)律及空間分布規(guī)律，總結(jié)了103下04工作面開(kāi)采時(shí)礦震的發(fā)生規(guī)律，對(duì)于類(lèi)似地質(zhì)和開(kāi)采條件下的工作面沖擊地壓防治有一定的參考價(jià)值。

[1]潘一山，李中華，章夢(mèng)濤.我國(guó)沖擊地壓分布、類(lèi)型、機(jī)理及防治研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，