大斷層控制采場(chǎng)水平應(yīng)力演化與礦震關(guān)系研究

張明，姜福興，李克慶，魏全德，孫春東

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大斷層控制采場(chǎng)水平應(yīng)力演化與礦震關(guān)系研究

張明1, 2，姜福興2，李克慶2，魏全德2，孫春東3

(1. 安徽理工大學(xué) 省部共建深部煤礦采動(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；2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京，100083；3. 冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)，河北 邯鄲，056002)

以河北某礦典型大斷層控制采場(chǎng)為背景，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等方法，探索大斷層控制采場(chǎng)水平應(yīng)力演化規(guī)律及其與礦震發(fā)生的關(guān)系，并提出相應(yīng)的減震開采設(shè)計(jì)方法，建立關(guān)鍵層水平集中力近似估算模型。研究結(jié)果表明：開采覆巖破裂運(yùn)動(dòng)伴隨水平應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移的演化過程，采場(chǎng)周圍存在明顯的水平應(yīng)力“增壓(載)區(qū)”和“卸壓(載)區(qū)”，持力層的水平應(yīng)力集中主要來(lái)源于覆巖破裂區(qū)水平應(yīng)力釋放；水平集中力能夠在頂板兩端形成“反力矩”，阻止其支承端部拉伸破壞并增加極限跨度，是形成關(guān)鍵層大范圍懸頂和誘發(fā)強(qiáng)礦震的主要原因；采用“窄工作面+條帶開采技術(shù)+合理開采強(qiáng)度”開采設(shè)計(jì)，能降低水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移程度，從而實(shí)現(xiàn)控制頂板運(yùn)動(dòng)和礦震防控的目的。

采礦工程；大斷層；水平應(yīng)力；應(yīng)力演化；反力矩；礦震控制

采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力演化是采礦領(lǐng)域重點(diǎn)研究的問題，二者之間存在一定的聯(lián)系[1]。理論研究和開采實(shí)踐表明斷層構(gòu)造對(duì)應(yīng)力(場(chǎng))分布和頂板運(yùn)動(dòng)影響較大，斷層切割煤巖體，能夠成為儲(chǔ)水(氣)和導(dǎo)水(氣)通道，也是誘發(fā)礦震、沖擊地壓、頂板異常來(lái)壓等強(qiáng)動(dòng)力災(zāi)害[2]的主要因素之一。目前，國(guó)內(nèi)外研究者在斷層構(gòu)造與應(yīng)力(場(chǎng))分布的關(guān)系和采動(dòng)“活化”規(guī)律方面開展了研究。蔡美峰等[3]通過對(duì)地應(yīng)力特點(diǎn)與斷層分布的關(guān)系進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，認(rèn)為斷裂發(fā)育的復(fù)雜程度與地應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)；王愛文等[4]通過相似材料模擬，探索了巨型逆沖斷層影響下巨厚堅(jiān)硬頂板下特厚沖擊煤層沖擊地壓特征；姜福興等[5]對(duì)開采接近斷裂破碎帶時(shí)的頂板失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)頂板給工作面和斷層間的煤柱施加很大壓力，極易出現(xiàn)強(qiáng)震；KARACAN等[6]認(rèn)為斷層影響水、瓦斯產(chǎn)生、儲(chǔ)存及其分布的不均勻性；王襄禹等[7]研究了斷層附近的非對(duì)稱采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)，認(rèn)為巷道關(guān)鍵部位剪切滑移及煤巖碎脹變形是造成巷道非對(duì)稱大變形和支護(hù)失效的主要原因。雖然已有的研究解釋了斷層應(yīng)力(場(chǎng))空間分布的不均勻性及其在礦震、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害孕育過程中的作用，但仍然存在不足，對(duì)于采場(chǎng)兩側(cè)受巨大落差、延伸超過上千米的“特殊”大斷層控制的情況研究較少。大斷層控制并影響采場(chǎng)的水平應(yīng)力(場(chǎng))，覆巖破斷運(yùn)動(dòng)是局部水平應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移過程，以往研究沒有闡述開采覆巖運(yùn)動(dòng)與水平應(yīng)力演化之間關(guān)系。采場(chǎng)強(qiáng)礦震發(fā)生與厚硬關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)有關(guān)，需要探索受大斷層控制條件下關(guān)鍵層懸頂原因、礦震發(fā)生模型及其減震開采技術(shù)。為此，本文作者以河北某礦典型大斷層控制采場(chǎng)為背景，探討大斷層控制采場(chǎng)水平應(yīng)力釋放與轉(zhuǎn)移機(jī)制，分析開采關(guān)鍵層水平集中應(yīng)力的趨于定量化估算方法，并在此基礎(chǔ)上建立受水平應(yīng)力作用的關(guān)鍵層破斷型礦震簡(jiǎn)化模型，以期為工作面減震開采設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程背景

河北某礦一采區(qū)6#煤層位于太原組中部，采深250~400 m，6#煤層厚6~8 m；傾角約14°，首采16101工作面位于礦井北翼老空區(qū)前方，如圖1所示。切眼距老空區(qū)較遠(yuǎn)，工作面傾斜長(zhǎng)150 m，走向長(zhǎng)約770 m。采用走向長(zhǎng)臂采煤法開采技術(shù)，綜采放頂煤回采工藝全部垮落法管理頂板。6#煤層上方賦存石灰?guī)r和火成巖2組關(guān)鍵層，低位石灰?guī)r厚約30 m，與6#煤層間距約45 m，石灰?guī)r頂部直接賦存厚約180 m的巨厚火成巖，并不同程度地覆蓋整個(gè)采區(qū)。采區(qū)兩側(cè)發(fā)育F7(落差約200 m)和FN(落差大于100 m) 2條大斷層。基于鉆孔的地層剖面表明大斷層切割地層，如圖2所示。由圖2可知：斷層周邊的地層明顯受到擠壓，實(shí)際開采也表明采掘工作面周邊水平應(yīng)力顯現(xiàn)較強(qiáng)烈。

圖1 16101工作面平面圖

圖2 大斷層切割巖層

16101工作面初采期間石灰?guī)r產(chǎn)生了懸頂現(xiàn)象，當(dāng)工作面推采約160 m(沿工作面走向長(zhǎng)度與傾斜長(zhǎng)度大致相等)時(shí)，工作面發(fā)生了強(qiáng)礦震，井下動(dòng)力顯現(xiàn)劇烈。強(qiáng)震引起采場(chǎng)近地表邊界約1.1 km地面村莊的“地震”效應(yīng)，居民震感強(qiáng)烈，一度導(dǎo)致礦井停面停產(chǎn)。工作面重新生產(chǎn)后，推采一段距離后又出現(xiàn)了石灰?guī)r懸頂現(xiàn)象。伴隨著工作面的推采，井下又發(fā)生了數(shù)次不同程度的礦震，地面“晃動(dòng)”。石灰?guī)r懸頂及其運(yùn)動(dòng)誘發(fā)礦震給生產(chǎn)帶來(lái)了較大安全隱患，迫切需要對(duì)該礦的采場(chǎng)上覆厚硬巖層懸頂原因和減震開采設(shè)計(jì)進(jìn)行針對(duì)性研究，將厚硬巖層的運(yùn)動(dòng)控制在工作面安全生產(chǎn)范圍之內(nèi)。

2 大斷層對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力(場(chǎng))分布特征的影響

采掘引起原巖應(yīng)力(場(chǎng))重新分布，垂直應(yīng)力向采場(chǎng)周邊轉(zhuǎn)移，其影響主要顯現(xiàn)于兩幫煤巖體；水平應(yīng)力向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移，其影響主要顯現(xiàn)于頂?shù)装鍘r層。根據(jù)礦山壓力理論，頂板水平應(yīng)力(場(chǎng))分布規(guī)律及其演化對(duì)頂板穩(wěn)定狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征起決定性作用[8]，另外，研究頂板的運(yùn)動(dòng)及狀態(tài)不能只考慮采場(chǎng)周邊局部范圍，必須同時(shí)考慮埋深和構(gòu)造等對(duì)采場(chǎng)的影響。

圖3 大斷層控制應(yīng)力場(chǎng)半封閉空間模型

以河北某礦16101工作面為例，受兩側(cè)大斷層控制影響，采掘過程中發(fā)現(xiàn)兩側(cè)巷道(大致與斷層跡線平行)受到了較強(qiáng)的水平應(yīng)力作用，底板出現(xiàn)不同程度的屈曲或底鼓。通過對(duì)大斷層的形成機(jī)制進(jìn)行綜合分析，推測(cè)斷層上盤巖體在重力和斷層控制的長(zhǎng)期作用下，促使大斷層周邊垂直于斷層跡線處形成水平應(yīng)力場(chǎng)，高水平應(yīng)力在層狀地層中影響較大[9]，是導(dǎo)致巷道變形的主要原因。

基于斷層地質(zhì)特征和工作面開采尺度的關(guān)系，得到大斷層控制采場(chǎng)簡(jiǎn)化模型，如圖3所示。由圖3可知：兩側(cè)控制型大斷層及其中間巖(煤)層組成“半開放?半封閉空間”，斷層上盤巖體在自重條件作用下與斷層下盤相互擠壓，以斷層(以斷層上盤為例)垂直走向作剖面，以位于斷層上盤并與斷層下盤相接觸的任意單位厚度巖層(體)為研究對(duì)象，可得斷層周邊巖層應(yīng)力分布示意。在圖3中：⊥為斷層下盤作用在單元體上的全反力。根據(jù)矢量合成與分解，⊥能夠分解為平行于巖層層面(水平)應(yīng)力F和垂直于巖層層面(豎直)應(yīng)力F，在穩(wěn)定靜態(tài)條件下，豎直應(yīng)力F與巖層自重應(yīng)力等平衡。對(duì)于沉積巖為主的地層，水平應(yīng)力F對(duì)層狀巖層運(yùn)動(dòng)影響較大，受到大斷層“夾持”約束作用，“半開放空間”內(nèi)水平應(yīng)力(場(chǎng))隨工作面開采將會(huì)呈現(xiàn)一定的演化特征，故對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3 開采水平應(yīng)力釋放與持力層應(yīng)力突變機(jī)制

3.1 開采水平應(yīng)力釋放與轉(zhuǎn)移數(shù)值模擬

數(shù)值分析是探索工程難題的主要手段。應(yīng)用FLAC3D數(shù)值分析軟件研究受高水平應(yīng)力作用的工作面開采后的水平應(yīng)力變化特征，模型共劃分13 320個(gè)單元格，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，相關(guān)巖層參數(shù)如表1所示。開挖工作面左右兩邊各留設(shè)225 m寬的邊界煤柱，工作面高度為310 m，寬度為150 m，在左右兩邊界采用水平位移約束簡(jiǎn)化和替代大斷層“夾持”約束作用效果，底部邊界采用水平和垂直雙向位移約束。為突出大斷層對(duì)水平應(yīng)力的控制影響，取水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值(側(cè)壓系數(shù))為1.5，并建立模型，如圖4所示。

工作面采出后，采場(chǎng)附近的破裂區(qū)水平應(yīng)力明顯下降，由原始水平應(yīng)力16.50~18.75 MPa降低至1.66~8.99 MPa，成為水平應(yīng)力“卸壓(載)區(qū)”。水平應(yīng)力降低主要發(fā)生在頂板巖層破裂區(qū)域，在工作面底板區(qū)域水平應(yīng)力也有一定程度降低。另一方面，石灰?guī)r水平應(yīng)力由初始的12.75~16.50 MPa升高至18.11~23.81 MPa，水平應(yīng)力增加明顯，成為水平應(yīng)力“增壓(載)區(qū)”。石灰?guī)r成為了受水平應(yīng)力集中作用的“持力層”，如圖5所示。預(yù)計(jì)隨工作面開采尺寸范圍的增加，水平應(yīng)力“卸壓(載)區(qū)”和“增壓(載)區(qū)”影響范圍及程度將會(huì)增加。

在沒有外部力源流入的情況下，模型內(nèi)的應(yīng)力不會(huì)憑空消失與產(chǎn)生。“增壓(載)區(qū)”內(nèi)的水平應(yīng)力應(yīng)主要來(lái)源于“卸壓(載)區(qū)”的水平應(yīng)力釋放與轉(zhuǎn)移，并且兩者保持內(nèi)在的平衡與一致性。因此，工作面開采過程存在水平應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移與“持力層”水平應(yīng)力突變的內(nèi)在機(jī)制。

表1 模型巖層力學(xué)參數(shù)

(a) 單元格劃分；(b) 初始水平應(yīng)力分布

圖5 采場(chǎng)周邊水平應(yīng)力分布特征

3.2 采場(chǎng)高度方向水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移的趨于定量分析

關(guān)鍵層理論[10]認(rèn)為采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)以巖層組為基本單位，每組巖層中的堅(jiān)硬巖層作為關(guān)鍵層，控制著該組巖層的運(yùn)動(dòng)或變形。根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)結(jié) 果[11]，堅(jiān)硬巖層的斷裂過程僅持續(xù)幾十至數(shù)百毫秒。與此同時(shí)，伴隨著堅(jiān)硬巖層的破斷運(yùn)動(dòng)，原堅(jiān)硬巖層(即持力層)積聚的大部分水平應(yīng)力瞬間釋放并轉(zhuǎn)移至上組巖層組中的堅(jiān)硬巖層，形成新的應(yīng)力平衡。隨著工作面不斷推進(jìn)(采空范圍逐步增加)，采場(chǎng)上覆巖層逐層破斷運(yùn)動(dòng)，上述堅(jiān)硬巖層破斷與水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程將不斷重復(fù)，直至破裂高度達(dá)到主關(guān)鍵巖層，形成主關(guān)鍵層的水平應(yīng)力集中。因此，可通過建立垂直方向水平應(yīng)力釋放與轉(zhuǎn)移簡(jiǎn)化模型，對(duì)上述開采水平應(yīng)力演化的過程進(jìn)行半定量化分析。垂直方向水平應(yīng)力分布與轉(zhuǎn)移模型如圖6所示。

(a) 初始水平應(yīng)力分布；(b) 水平應(yīng)力向上轉(zhuǎn)移

假設(shè)堅(jiān)硬巖層逐層破斷且釋放大部分水平應(yīng)力主要向相鄰未破斷堅(jiān)硬巖層轉(zhuǎn)移，1，2，3和4分別為第1~4堅(jiān)硬巖層厚度，1，2，3和4分別為第1~4巖層組中堅(jiān)硬巖層初始水平應(yīng)力，相應(yīng)2′，3′和4′分別為開采過程中相應(yīng)堅(jiān)硬巖層斷裂前集中的水平應(yīng)力。由圖6(b)可知：當(dāng)回采第1個(gè)工作面(或采空范圍較小)時(shí)，第1組(最近)堅(jiān)硬巖層破斷，大部分水平應(yīng)力向臨近的第2組堅(jiān)硬巖層轉(zhuǎn)移。若假設(shè)第1組堅(jiān)硬巖層破斷后水平應(yīng)力向第二組堅(jiān)硬巖層轉(zhuǎn)移系數(shù)為1，則第2組堅(jiān)硬巖層積聚水平應(yīng)力2′為

同理，回采第2個(gè)及第3個(gè)工作面，設(shè)第2組、第3組堅(jiān)硬巖層轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為2和3，則第2組、第3組堅(jiān)硬巖層集中的水平應(yīng)力3′和4′分別為

歸納采場(chǎng)水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移規(guī)律，由式(1)~(2)可得第組堅(jiān)硬巖層斷裂前集中的水平應(yīng)力σ′為

由此可知關(guān)鍵層受到的水平應(yīng)力由原水平應(yīng)力和開采引起的水平轉(zhuǎn)移應(yīng)力2部分疊加而成，開采尺度(覆巖破裂范圍)越大，則關(guān)鍵層水平應(yīng)力越集中。

4 大斷層控制采場(chǎng)水平集中應(yīng)力估算與開采尺度關(guān)系分析

4.1 大斷層控制下的采場(chǎng)關(guān)鍵層水平應(yīng)力近似估算

綜合數(shù)值模擬和水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移的趨于定量化分析，覆巖運(yùn)動(dòng)與水平應(yīng)力演化之間存在一定關(guān)系，特別是大斷層控制采場(chǎng)對(duì)水平應(yīng)力和頂板運(yùn)動(dòng)影響大，需分析和估算大斷層采場(chǎng)關(guān)鍵層水平應(yīng)力集中程度。

圖7 大斷層控制下覆巖破裂與水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移簡(jiǎn)化模型

地殼淺部由于受板塊運(yùn)動(dòng)、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和巖體蠕變等影響，地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律復(fù)雜、多變，但呈現(xiàn)隨地層埋深增加水平應(yīng)力逐漸增加的總體趨勢(shì)[12]。為此，假定大斷層控制采場(chǎng)的水平應(yīng)力近似按照線性規(guī)律分布，如圖7所示。由式(3)可知：工作面開采后，采空區(qū)上覆任意未破斷關(guān)鍵層水平應(yīng)力s為原水平應(yīng)力h和開采引起的水平轉(zhuǎn)移應(yīng)力Δ的疊加，則有

s=h+Δ(4)

h=(5)

式中：為覆巖平均容重；為巖層埋深；為與巖層、采場(chǎng)周邊環(huán)境等有關(guān)常數(shù)。在均勻巖體內(nèi)，巖體在自重應(yīng)力狀態(tài)下，原始水平側(cè)壓系數(shù)0/(1?)，其中為巖層泊松比。考慮大斷層等構(gòu)造的影響時(shí)，設(shè)泊松比不變，則水平側(cè)壓系數(shù)計(jì)算式0=/(1?)，其中為水平應(yīng)力集中系數(shù)，在通常情況下，＞1。

單個(gè)工作面或首采面開采尺度較小，關(guān)鍵層底部懸露跨距較小，可能無(wú)法達(dá)到其極限破斷跨距。隨著采空區(qū)范圍增加，關(guān)鍵層能夠保持相對(duì)穩(wěn)定并阻止垂直方向上破裂高度的向上發(fā)展(又稱“厚硬巖層效應(yīng)平臺(tái)”[13])。但在此過程中，由于低位巖層和底板巖層的破裂，對(duì)應(yīng)原持力層集中的水平應(yīng)力釋放并向未破斷的關(guān)鍵層轉(zhuǎn)移，工作面開采過程包含覆巖破裂和水平應(yīng)力釋放轉(zhuǎn)移2個(gè)過程。

當(dāng)?shù)貙舆M(jìn)入充分采動(dòng)階段前，采場(chǎng)上覆巖層的最大破裂高度近似為采空區(qū)短邊長(zhǎng)度的一半[11, 14]。一般情況下，工作面最大破裂高度與采空區(qū)短邊(工作面斜長(zhǎng)或推進(jìn)距離)的長(zhǎng)度有關(guān)。在主關(guān)鍵層破斷前，采場(chǎng)上覆巖層的最大破裂高度H=1i(其中i為采空區(qū)短邊寬度，1為不同開采技術(shù)、地質(zhì)條件決定的覆巖破斷高度系數(shù))，底板破裂深度D=2i(其中2為不同開采技術(shù)、地質(zhì)條件決定的底板破裂深度系數(shù))。當(dāng)覆巖破裂高度達(dá)到關(guān)鍵層賦存高度時(shí)，即(i1i=L)，由于“厚硬巖層效應(yīng)平臺(tái)”效應(yīng)，覆巖破裂高度不再向上發(fā)展，關(guān)鍵層水平應(yīng)力保持相對(duì)不變，則覆巖破裂“釋放”的水平集中力為

式中：L為關(guān)鍵層距離煤層高度；為煤層埋深。

開采破裂區(qū)域“釋放”的水平集中力能夠轉(zhuǎn)移至頂?shù)装鍘r層。在理想情況下，水平應(yīng)力大部分轉(zhuǎn)移到未破斷的頂板至地表各巖層(綜合平均轉(zhuǎn)移系數(shù)為)，其余部分轉(zhuǎn)移至工作面底板區(qū)域(轉(zhuǎn)移系數(shù)為1?)。為便于研究，設(shè)轉(zhuǎn)移的水平應(yīng)力仍按照垂直線性分布，未破斷頂板受到的轉(zhuǎn)移水平應(yīng)力Δ為

將式(5)和式(7)代入式(4)，可得未破斷的關(guān)鍵層水平應(yīng)力s為

式中：為關(guān)鍵層厚度，∈[D，D+Z]。

對(duì)公式(8)進(jìn)行定積分，則水平集中力估算為

水平集中力除了由特定的采場(chǎng)條件決定之外，還與采場(chǎng)尺度(開采范圍)密切相關(guān)。不同工作面采空范圍與采動(dòng)程度決定了覆巖和底板的破裂高度和深度。通過地層結(jié)構(gòu)分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法能夠得到相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而趨于定量估算關(guān)鍵層受到的水平集 中力。

4.2 考慮水平應(yīng)力作用的頂板型礦震簡(jiǎn)化模型

以往頂板型礦震模型研究時(shí)主要將采場(chǎng)附近關(guān)鍵層等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為固(簡(jiǎn))支梁分析，但模型未考水平應(yīng)力集中效應(yīng)。類似于大斷層控制影響下，關(guān)鍵層受開采水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移和集中影響較為明顯，理論上不能完全忽略。為反映主要矛盾，根據(jù)圣維南原理，受水平應(yīng)力作用的固支梁力學(xué)簡(jiǎn)化模型[15]如圖8所示。

圖8 水平力作用下固支梁簡(jiǎn)化模型

梁彎曲變形時(shí)，既有與彎曲變形相應(yīng)的彎曲應(yīng)變能，又有與剪切變形相應(yīng)的剪切應(yīng)變能，剪切變形相對(duì)位移的影響通常很小，工程中可忽略。梁彎曲時(shí)其長(zhǎng)度為d微小變形內(nèi)的彎曲應(yīng)變能為

式中：為梁彈性模量；為單位寬度巖梁截面慣性矩，=3/12。

梁彎曲時(shí)在其全長(zhǎng)范圍內(nèi)貯存應(yīng)變能為

梁彎曲過程垂直均布載荷所做的功為

水平集中應(yīng)力對(duì)梁所做的功為

根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒，梁彎曲過程儲(chǔ)存總能量為

根據(jù)模型的邊界條件，有|=0=0和|=L=0，設(shè)在梁懸跨的中部位置最大撓度為，即|=L/2=，利用Rayleigh-Ritz法[16]建立撓度曲線方程

由此得出表達(dá)式為

式中：54/(384)為梁僅受豎直均載荷時(shí)的最大撓度，歐拉常數(shù)C=2/2。在水平集中應(yīng)力和垂直均布載荷用下，梁?jiǎn)挝唤孛孀畲髲澢瓚?yīng)力及其不發(fā)生破斷的條件為

式中：m為梁彎曲時(shí)截面最大拉應(yīng)力；[]為梁極限抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)一般長(zhǎng)梁破壞特征，一般在梁支承端1=0或，或跨中位置2=/2最先達(dá)到其極限彎矩：

關(guān)鍵巖梁彈性變形時(shí)，其撓度是個(gè)微小量，在工程上可忽略，即滿足m≈2/12，可得水平集中應(yīng)力作用下梁的極限跨距為

4.3 大斷層控制采場(chǎng)關(guān)鍵層破斷誘發(fā)礦震原因

工作面開采過程存在水平應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移與“持力層”水平應(yīng)力集中的內(nèi)在機(jī)制。隨著工作面開采尺寸增加，巖層破裂釋放水平應(yīng)力和關(guān)鍵層應(yīng)力集中程度增加。大斷層控制的采場(chǎng)由于受到兩側(cè)大斷層約束控制，水平應(yīng)力對(duì)關(guān)鍵層穩(wěn)定狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征的影響尤為突出。此條件下誘發(fā)礦震的關(guān)鍵巖梁受到兩側(cè)水平集中應(yīng)力的“夾持”作用，其端部會(huì)形成“反力矩”，能夠阻止其支承端部拉伸破壞，極限跨度進(jìn)一步增加。當(dāng)達(dá)到一定極限值后，能夠造成關(guān)鍵層頂板及其上覆巖層處于長(zhǎng)期、大面積懸頂狀態(tài)，不易自然垮落。在外界于擾作用下，若關(guān)鍵層形成的頂板結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，則其系統(tǒng)貯存的大量彈性能釋放，是誘發(fā)礦震等動(dòng)力災(zāi)害的主要原因。

5 大斷層控制采場(chǎng)的減震開采設(shè)計(jì)

對(duì)近煤層厚度20 m以內(nèi)的關(guān)鍵層，采用頂板爆破截?cái)嗉夹g(shù)效果較為明顯。由于16101工作面頂板石灰?guī)r距離煤層較遠(yuǎn)，厚度接近30 m，考慮施工難度，強(qiáng)爆破存在一定的危險(xiǎn)性以及爆破效果難以評(píng)估，工作面復(fù)產(chǎn)采用“窄工作面+條帶開采技術(shù)+合理開采強(qiáng)度”開采設(shè)計(jì)。

5.1 “窄工作面+條帶開采技術(shù)+合理開采強(qiáng)度”開采設(shè)計(jì)

礦震主要原因是開采水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移和關(guān)鍵層水平應(yīng)力集中導(dǎo)致關(guān)鍵層處于長(zhǎng)期大面積懸頂狀態(tài)。通過控制工作面開采尺度降低覆巖破裂范圍，減小水平應(yīng)力釋放和關(guān)鍵層應(yīng)力集中程度，再結(jié)合優(yōu)化開采強(qiáng)度，可達(dá)到控制巖層破裂高度和控制礦震的目的。

1) 原16101工作面寬度由150 m減至80 m，將石灰?guī)r的最大懸露跨度控制在其極限破斷步距之內(nèi)，避免石灰?guī)r發(fā)生破斷。同時(shí)，采用條帶工作面開采布置，避免相鄰接續(xù)面開采引起石灰?guī)r甚至高位巨厚火成巖的破斷運(yùn)動(dòng)。等地面村莊居民搬遷完畢后，再采用大面開采或回采遺留煤柱，開采布置方案如圖9 所示[18]。

數(shù)據(jù)單位：m

2) 調(diào)整16101工作面推采速度，從每天1 m/d開始，根據(jù)微地震系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究結(jié)果，逐步增加推進(jìn)速度，實(shí)際工作面開采強(qiáng)度約3 m/d，不超過5 m/d。若監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)震動(dòng)的次數(shù)和頻率急劇增加，則表明當(dāng)前推采速度偏大，進(jìn)行停采分析研究。

5.2 工程應(yīng)用分析

16101工作面采空區(qū)覆巖破裂角=75°，工作面傾斜方向的石灰?guī)r底部懸露尺0=C?2Lcot75= 125 m。如果石灰?guī)r巖梁不發(fā)生破斷，由圖11可知對(duì)應(yīng)的最小側(cè)壓系數(shù)0.3。石灰?guī)r泊松0.2，若不考慮大斷層影響，則=1，石灰?guī)r側(cè)壓系數(shù)/(1?)=0.25，接近于石灰?guī)r極限破斷時(shí)的側(cè)壓系數(shù)0.3。考慮采場(chǎng)兩側(cè)F7和FN大斷層等控制影響，則＞1，當(dāng)大于1.2時(shí)側(cè)壓系數(shù)即滿足＞0.3，此時(shí)石灰?guī)r底部實(shí)際跨度小于其極限破斷步距，是造成頂板大面積懸頂?shù)闹饕颉?/p>

通過實(shí)施以“窄工作面+條帶開采技術(shù)+合理開采強(qiáng)度”的減震開采設(shè)計(jì)為主的復(fù)采方案后，16101工作面的實(shí)際開采過程未發(fā)生強(qiáng)礦震，實(shí)現(xiàn)了將厚硬巖層的運(yùn)動(dòng)控制在工作面安全生產(chǎn)范圍之內(nèi)的目的。

圖10 不同側(cè)壓系數(shù)與石灰?guī)r頂板極限跨距

6 結(jié)論

1) 大斷層構(gòu)造能夠影響采場(chǎng)應(yīng)力(場(chǎng))分布，并且與工作面開采尺度存在一定對(duì)應(yīng)的關(guān)系。大斷層控制采場(chǎng)水平應(yīng)力演化和關(guān)鍵層水平應(yīng)力集中是誘發(fā)厚硬頂板型礦震的主要因素。

2) 工作面開采包含覆巖破裂和水平應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移2個(gè)過程，以此為基礎(chǔ)，建立開采關(guān)鍵層(持力層)水平應(yīng)力趨于定量化的簡(jiǎn)化分析模型及其水平集中應(yīng)力估算方法。

3) 受巖梁兩端的水平集中應(yīng)力“夾持”作用，能夠在巖梁端部形成“反力矩”，阻止其支承端部拉伸破壞，造成頂板的極限跨度進(jìn)一步增加，這是關(guān)鍵層懸頂及誘發(fā)強(qiáng)礦震的主要力學(xué)原因。

4) “窄工作面+條帶開采技術(shù)+合理開采強(qiáng)度”開采設(shè)計(jì)能夠降低大斷層對(duì)關(guān)鍵層控制作用，減小開采水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移大小及影響程度，降低開采礦震的可能性。

[1] 錢鳴高, 石平五, 許家林. 礦山壓力與巖層控制[M]. 2版. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)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] 姜福興, 魏全德, 王存文, 等. 巨厚礫巖與逆沖斷層控制型特厚煤層沖擊地壓機(jī)理分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 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, 彭華, 喬蘭, 等. 萬(wàn)福煤礦地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及其與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 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] 王愛文, 潘一山, 李忠華, 等. 斷層作用下深部開采誘發(fā)沖擊地壓相似試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 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] 姜福興, 劉偉建, 葉根喜, 等. 構(gòu)造活化的微震監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬耦合研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 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 ?, 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. 近斷層采動(dòng)巷道變形破壞機(jī)制與控制技術(shù)研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 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] 何富連, 王曉明, 許磊, 等. 大斷面切眼主應(yīng)力差轉(zhuǎn)移規(guī)律及支護(hù)技術(shù)[J]. 巖土力學(xué), 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] 孫宗頎, 張景和. 地應(yīng)力在地質(zhì)斷層構(gòu)造發(fā)生前后的變化[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 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] 錢鳴高, 繆協(xié)興, 許家林, 等. 巖層控制的關(guān)鍵層理論[M]. 1版. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)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] 趙德安, 陳志敏, 蔡小林, 等. 我國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 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] 曹建軍, 馬其華, 王宜泰. 基于采場(chǎng)覆巖空間結(jié)構(gòu)的寬條帶開采技術(shù)研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 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] 張明, 姜福興, 李克慶, 等. 巨厚巖層?煤柱系統(tǒng)協(xié)調(diào)變形及其穩(wěn)定性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 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] 江學(xué)良, 曹平, 楊慧, 等. 水平應(yīng)力與裂隙密度對(duì)頂板安全厚度的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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] 劉人懷. 板殼力學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1990: 71?111. LIU Renhuai. Plate and shell mechanics[M]. Beijing: China Machine Press, 1990: 71?111.

[17] 蔣金泉, 王普, 武泉林, 等. 上覆高位巖漿巖下離層空間的演化規(guī)律及其預(yù)測(cè)[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 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] 張明, 姜福興, 李克慶, 等. 基于厚硬關(guān)鍵層破斷的地面震動(dòng)損害邊界研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 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.

(編輯 伍錦花)

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

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0801408)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51574008, 51674014)；深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)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)，工程師，從事礦山動(dòng)力災(zāi)害防治研究；E-mail: wfwqd@126.com