薄基巖條件礦震誘發煤與瓦斯突出研究

楊福禹 張振揚 郝生雷 周江闊

(兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦，山東省濟寧市，272069)

礦震是一種常見的礦山動力災害，隨著我國煤礦逐漸進入深部開采，礦震災害問題日趨嚴重，尤其是在大震級礦震事件頻發的采區，易于發生礦震誘發煤與瓦斯突出的事故。區別于一般的地質條件，厚表土層薄積巖地質條件下，表土層作用在薄基巖的附加載荷會造成后段運動缺失，巖層破斷形式為沿煤壁整體切斷垮落，而不存在巖層的縱向離層運動，更容易發生礦震事故[1-4]。上覆高位頂板巖層破斷導致礦震發生，而礦震為煤與瓦斯突出的發生提供動力源和能量源，是誘發煤與瓦斯突出的重要因素之一。薄基巖條件下礦震誘發煤與瓦斯突出是一種新型的災害，國內外的研究還沒有就其機理與防治技術達到完全認識與根治的程度。因此本文以巨野煤田趙樓煤礦為研究對象，探討了薄基巖采場礦震誘發煤與瓦斯突出的機制，并給出了防治措施，對類似條件下煤礦礦震誘發煤與瓦斯突出的防治具有借鑒意義。

1 工作面概況

趙樓煤礦3303工作面開采標高-850～-890 m，表土層厚度約588 m，地面標高+43.3～+43.6 m，直接頂和基本底均為堅硬砂巖。基巖與表土層比例約為1∶1.6，是典型的深部薄基巖厚表土層的地質結構。

根據3303工作面的地質資料可知，該區域斷層發育明顯，斷層多且相互切割，呈星羅密布、縱橫交錯式結構。在縱向上整體穿透斷層的存在，破壞了地層的整體連續狀態，形成了“棋盤式”的構造格局。斷層的切割將一個整體連續的板塊，切割成多個破碎的板塊，斷層切割的邊界視為簡支梁。簡支梁解除周邊約束，重力作用更加明顯，垮落步距減小，工作面頂板斷裂速度快、釋放能量大，易于發生礦震[5-6]。

2 礦震誘發煤與瓦斯突出發生機制

煤與瓦斯突出的孕育和發展是一個復雜的非線性過程，但其物理變化的本質是能量的轉化。厚表土層薄基巖條件下采場巖層整體切斷垮落導致礦震，而礦震為煤與瓦斯突出的發生提供了動力源和能量源，是誘發煤與瓦斯突出的重要因素之一[7-8]。

2.1 上覆巖層破斷及運動規律

趙樓煤礦3303工作面表土層厚度約為588 m，基巖與表土層比例約為1∶1.6。表土層厚導致作用在頂板巖層的應力高，對回采工作面產生較大影響。由于頂板巖層為砂巖，彈性模量大、強度高，在回采過程中容易產生大面積懸頂，隨著回采工作的進行，巖層裂隙的寬度增加，厚表土層作用在基巖上的高集中應力使頂板產生斷裂并控制上方巖層一起運動。研究表明，巨厚巖層將以板的形式承載并發生破斷，因此，可以借鑒薄板的理論，覆巖呈“O-X”斷裂，斷裂規律如圖1所示。

圖1 覆巖“O-X”斷裂規律圖

2.2 上覆巖層斷裂過程能量傳播

當巖層為軟巖石或巖層破碎時，損耗的能量越大，堅硬頂板損耗的能量越小。因此，在上覆堅硬頂板斷裂失穩過程中，既會導致巖層下方的煤巖體能量增加，產生沖擊波，又會使煤巖形成動態負載，打破巖層下方煤巖體的平衡狀態，當上覆巖層斷裂產生的震動能與積聚在煤巖體中的彈性能疊加，當能量的疊加超過煤巖體所承載的極限時，就會發生礦震。

因此，上覆巖層斷裂所釋放的能量為：

(1)

式中：U——上覆巖層斷裂所釋放的能量；

ui——上覆巖層垮落的動能；

mi——上覆巖層質量；

t——上覆巖層斷裂時間；

i——巖層斷裂的層數；

Uv——煤巖體儲存的彈性能；

Uw——上覆巖層彎曲變形能。

上覆巖層越厚、堅硬，斷裂向下傳播的能量損耗越少，下方煤巖體積聚的彈性能越大，發生沖擊低壓的危險性越高。而當垂直方向存在已垮落的采空區時，由于采空區內充滿破碎巖層，可以對能量傳遞進行部分吸收。

2.3 礦震誘發煤與瓦斯突出機制

表土層作用在薄基巖的附加載荷會造成后段運動缺失，巖層破斷形式為沿煤壁整體切斷垮落，而不存在巖層的縱向離層運動，這個過程會造成工作面礦震。礦震為煤與瓦斯突出的發生提供能量源和動力源。厚表土層薄基巖的地質條件也會使煤體能量積聚，從而由彈性狀態轉化為塑性狀態，在這種條件下煤體會產生裂紋裂隙，孔隙壓力降低，吸附的瓦斯解析成游離的瓦斯膨脹。當頂板積聚的能量超過其所能承載的極限時，頂板整體垮落釋放巨大的能量，而煤體的動能進一步使局部的瓦斯解析膨脹，在振動的聯合作用下，誘發裂紋裂隙解吸出的游離瓦斯異常涌出，如圖2所示。

當上覆巖層的懸頂面積、懸長和彎矩達到最大時，礦震誘發煤與瓦斯突出的危險性就越高。在工作面開采過程中，一些特殊區域，如斷層、褶曲或者煤柱區域，能量積聚大，再加上礦震的影響，煤與瓦斯突出發生的危險性很高。

圖2 礦震誘發煤與瓦斯突出示意圖

3 表土層厚度對礦震影響數值模擬

采用RFPA分別對3303運輸巷垂直方向施加20 MPa、25 MPa、30 MPa垂直應力進行數值模擬，通過主應力和聲發射情況來判斷不同表土層厚度對巷道底板破壞的影響。不同應力條件下巷道破壞主應力和聲發射圖見圖3。

圖3 不同應力條件下巷道破壞主應力和聲發射圖

由圖3可知，隨著表土層厚度的增加，上覆巖層作用在巷道垂直方向上的載荷逐漸增大；隨著應力的增加，巷道破壞更加嚴重。因此，可以得知，隨著表土層厚度的增加，發生礦震的危險性逐漸增強。

厚表土層薄基巖的地質條件，上覆巖層相比較一般地質條件承受的應力載荷大，加上頂板為堅硬砂巖，因此，當應力達到一定程度時，頂板整體垮落釋放巨大的能量，從而發生礦震。厚表土層的地質條件使煤層能量積聚，產生裂隙，裂隙壓力降低，吸附的瓦斯解析成游離的瓦斯膨脹。而礦震的發生會為煤與瓦斯突出提供動能，從而誘發煤與瓦斯突出。因此，厚表土層薄基巖的地質條件比一般地質條件更容易誘發煤與瓦斯突出。

4 礦震誘發沖擊地壓防治技術

4.1 頂板深孔爆破斷頂

工作面卸壓主要以大直徑鉆孔卸壓為主，當大直徑鉆孔卸壓不能夠發揮作用，且在大范圍懸頂時，需要慎重采用頂板深孔爆破斷頂，從而降低礦震危險性，爆破有可能誘發沖擊地壓。對3303工作面輔助巷與膠帶巷沿兩側頂板進行爆破切頂卸壓。

在膠巷道和輔助巷兩側按照扇形孔布置，每組4個鉆孔，每側2個。每組間距20 m，第一組距離開切眼的距離不大于50 m。扇形孔中長孔長度設計為15 m，裝藥8 m，封孔7 m；短孔設計孔深為12 m，裝藥6 m，封孔6 m，鉆孔直徑42～50 mm。長鉆孔仰角75°，傾角90°(垂直巷道中線)；短鉆孔仰角60°，傾角80°，傾向采空區側。頂板深孔爆破預裂示意圖見圖4。

圖4 頂板深孔爆破預裂示意圖

4.2 預先瓦斯抽放

3303工作面對瓦斯進行提前預抽，共布置預抽鉆孔2625個，鉆孔孔徑?65 mm，孔間距0.6～1.0 m，孔深60～105 m，封孔材料為聚氨酯，封孔長度8 m，鉆孔角度與煤層傾角一致，抽放負壓25.864～25.998 kPa。

4.3 煤層注水

在趙樓煤礦3303工作面運輸巷和回風巷各布置10個注水鉆場，孔徑?94 mm、孔底間距15 m、孔深要求保證兩巷道鉆孔覆蓋全工作面。開孔高度在巷道底板往上1.0～1.5 m，鉆孔角度沿煤層傾角施工。各注水鉆孔注水卸壓參數見表1。

表1 各注水鉆孔注水卸壓參數

5 卸壓效果檢驗

3303工作面危險區域進行卸壓后，采用鉆屑法對不同危險區域進行效果檢驗，以確定工作面沖擊地壓危險是否解除，確定卸壓效果。

隨著工作面的推進，在運輸巷靠煤壁側每隔50 m布置1組鉆孔進行監測，每組3～5個鉆孔，監測范圍為10～20 m。鉆孔直徑為42 mm，鉆孔深8 m，鉆孔間距5 m，鉆孔距底板1.2 m，鉆孔單排布置并垂直于煤壁。

經鉆屑法監測后，隨機選取一組中5個監測鉆孔，根據記錄的鉆屑相關數據得出如表2所示的煤粉鉆屑量變化情況。由表2可知，1#～5#鉆孔的煤粉鉆屑量相差不大，在鉆孔深4 m后，鉆屑量普遍平穩，說明在煤壁內積聚的能量達到穩定，在鉆孔深7 m時鉆屑量平均為2.86 kg/m，雖然鉆屑量有所增加，但都穩定在2.9 kg/m上下，最大值未超過沖擊地壓危險臨界值3.4 kg/m，說明防控卸壓效果明顯，大大降低了煤體內積聚的沖擊能量。

表2 強沖擊危險區域鉆屑法監測數據

6 結論

(1)根據上覆巖層的運動破斷及運動規律，得出了厚表土層薄基巖條件礦震誘發煤與瓦斯突出的機制，堅硬頂板斷裂釋放巨大的彈性能，為煤與瓦斯突出的發生提供了能量源。

(2)采用RFPA對不同表土層厚度條件下巷道破壞情況進行數值模擬，表土層厚度越大，發生礦震災害的危險性越高，從而更容易誘發煤與瓦斯突出。

(3)采用爆破斷定、抽放瓦斯、煤層注水的措施對礦震誘發煤與瓦斯突出進行防治，并采用鉆屑法進行效果檢驗，取得了良好的防治效果。