傾斜厚煤層綜放工作面煤柱-關鍵層結構失穩型礦震機理

王高昂，朱斯陶,，姜福興，張修峰，劉金海，王緒友，寧廷洲，張 宇，魏全德

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.山東能源集團有限公司，山東 濟南 250014；3.華北科技學院 河北省礦井災害防治重點實驗室，河北 三河 101601；4.兗礦新疆礦業有限公司 硫磺溝煤礦，新疆 昌吉 831100；5.北京安科興業礦山安全技術研究院有限公司，北京 102299)

隨著國內東部煤炭資源的日益枯竭與沖擊地壓、礦震等動力災害頻發，我國煤礦開采布局正逐漸向中西部進行戰略轉移，內蒙古和新疆礦區煤炭資源豐富，但其煤層多具有傾斜度大、煤層厚和結構復雜等特點。綜放工作面開采范圍大，開采后形成的覆巖空間結構更廣，容易導致高位巖層的失穩及鄰近斷層構造的活化，進而誘發礦震或沖擊地壓等動力災害。新疆硫磺溝煤礦煤層賦存具有厚度大和傾角大等特點，上覆地層中存在多組厚硬巖層，淺部煤層開采時未考慮深部開采動力災害防治問題，工作面間遺留寬煤柱，導致深部回采工作面礦震頻發。隨著礦井開采范圍的增大，煤礦開采的地質條件愈加復雜多變，礦震發生的頻次與強度也隨之增加，研究復雜條件下礦震機理對礦井的安全開采具有重要意義。

針對礦震發生機理和傾斜煤層煤柱失穩等問題，眾多學者展開了大量研究，朱廣安等利用FLAC對臨斷層孤島工作面礦震機理進行研究，總結了采動誘發斷層滑移失穩規律，工作面初次來壓及見方階段易誘發礦震；趙毅鑫等采用巖石力學試驗研究了逆斷層下盤煤層回采誘發礦震機理，結果表明開挖煤層與斷層面交叉區為礦震頻發區，沖擊危險性較高；翟明華等分析了巨厚堅硬巖層下關鍵工作面開采的震沖及沖震效應，基于覆巖空間結構理論提出了防沖的綜合設計；崔峰等采用相似材料模擬和數值模擬方法對煤層開采覆巖結構性失穩誘發礦震機理進行研究，得到了近距離煤層上行開采時保持覆巖結構穩定的煤柱剩余尺寸；張明等建立了厚硬巖層-煤柱結構力學模型，研究了系統變形及失穩特征，揭示了復采工作面煤柱失穩誘發礦震機理；朱斯陶等將陜蒙礦區隔離煤柱誘發動力災害劃分為3種典型類型，揭示了不同寬度隔離煤柱誘發3種動力災害的機理，提出了沖擊地壓-礦震協同控制的合理煤柱寬度；王樹立等在總結重復采動高位硬厚巖層礦震發生規律的基礎上，提出了“剪切滑落型”和“滑移沉降型”2種分區誘震類型；姜福興等研究了近距離煤層重復采動時頂板垮落和移動規律，揭示了巨厚巖層失穩誘發礦震機理，優化了工作面開采設計；譚毅等采用相似模擬建立了條帶式開采條件下煤柱系統模型，研究了大范圍開采時單一煤柱失穩引發煤柱系統失穩進而誘發地表塌陷型礦震過程。

以上眾學者對礦震機理進行了深入研究并取得了豐碩的成果，但對于采空區遺留煤柱支撐頂板導致厚硬關鍵層懸頂面積大幅增大形成的“煤柱-關鍵層”結構失穩誘發礦震和沖擊地壓災害研究較少。鑒于此，筆者在前人研究的基礎上，以硫磺溝煤礦傾斜厚煤層綜放工作面為工程背景，采用理論分析、數值模擬、微震監測等方法，系統研究了遺留煤柱-關鍵層覆巖空間結構特征及遺留煤柱-關鍵層結構穩定性，揭示了傾斜厚煤層綜放工作面覆巖結構失穩誘發礦震機理，建立了結構失穩型礦震發生判別準則，最后針對性地提出了此類礦震的防治措施，以期為相似條件下礦震機理的研究與防治提供借鑒。

1 硫磺溝煤礦綜放工作面礦震概況

1.1 硫磺溝煤礦綜放工作面概況

新疆硫磺溝煤礦(4-5)06工作面為沿空綜放工作面，南部為已回采完畢的(4-5)04和(4-5)02工作面，北部為實體煤(未采)，西部距井田邊界1 493 m，東部為大巷保護煤柱。如圖1所示，(4-5)06工作面走向長平均1 726 m，傾斜寬180 m，(4-5)04采空區傾斜寬度為180 m，(4-5)02采空區傾斜寬度為140 m，兩采空區間遺留煤柱寬40 m，截止到2019-12-10，運輸巷累計進尺1 073 m，軌道巷累計進尺1 051 m，(4-5)06工作面平均進尺1 062 m。

圖1 (4-5)06綜放工作面平面示意

(4-5)06工作面平均埋深約555 m，主采4-5煤層厚6.24～6.92 m，平均6.52 m，傾角25°～33°，平均29°，4-5煤層由4煤和5煤組合而成，一般含夾矸1層，為較穩定煤層。硫磺溝煤礦4-5煤層單軸抗壓強度為13.34 MPa，經煤巖沖擊傾向性鑒定，4-5煤層、頂板巖層和底板巖層均為弱沖擊傾向性。

表1為根據遺留煤柱附近27-2鉆孔柱狀圖得到的4-5煤層頂底板巖層結構特征。由表1可知，煤層下方直接底是5.39 m厚的煤及泥巖互層，基本底是2.92 m厚的細砂巖，煤層上方直接頂是3.57 m厚的煤及泥巖互層，基本頂是5.88 m厚的粉砂巖，基本頂直至地表巖層砂巖層占比97%，厚硬頂板運動增大了工作面礦震及沖擊地壓等動力災害顯現的可能性。

表1 27-2鉆孔巖層結構特征

1.2 傾斜厚煤層綜放工作面礦震情況

2019-12-10 T 20:56：00，(4-5)06工作面超前約78 m頂板發生一次5.17×10J能量的礦震，產生震動震級約為3.1級。事件位置距離三采空區見方位置為58 m。礦震發生時地面震感強烈，井下工作面現場有強烈的煤炮聲，頂板震動掉渣，但未造成人員傷亡，事件平面位置如圖1所示?！?2·10”礦震發生時，(4-5)06工作面已推進約1 062 m，由于(4-5)02,(4-5)04和(4-5)06三采空區寬度約為540 m，工作面回采位置距離(4-5)02開切眼距離約為415 m，此時(4-5)06工作面已進入三采空區見方影響范圍。

如圖2所示，2019-01-01—12-11，(4-5)06工作面及其周圍共監測到微震事件8 432次，其中能量超過1×10J的微震事件有123次，占總次數的1.46%；能量超過1×10J的微震事件有29次，其中26次發生在工作面進尺平齊(4-5)02工作面原開切眼位置之后，占比達到89.7%。高能微震事件的發生是由于高位巖層的損傷破裂導致的，工作面回采以來的高能微震事件集中爆發在工作面回采位置越過(4-5)02工作面開切眼之后，且大能量微震事件集中在回采工作面實體煤一側，說明(4-5)04/06工作面采空區巖層形成的小結構與(4-5)02采空區巖層“連通”后形成的大結構處于運動之中，由此形成的覆巖空間結構范圍在不斷增大。

圖2 (4-5)06工作面大能量微震事件平面投影

由硫磺溝煤礦礦井開拓布局和當前工作面回采設計可知，(4-5)02工作面與(4-5)04工作面之間留有40 m寬的遺留煤柱，現行開采狀態下存在“煤柱-關鍵層”結構，該結構穩定性決定著(4-5)06工作面開采的安全性。在(4-5)06工作面回采期間發生多起大能量礦震事件，巖層運動決定著工作面采動應力場，高能礦震事件反映出工作面上覆巖層處于運動狀態，因此需對工作面回采階段覆巖空間結構特征及“煤柱-關鍵層”結構穩定性進行深入研究，確保工作面后續開采的安全性。

2 傾斜厚煤層綜放工作面“煤柱-關鍵層”結構失穩型礦震理論分析

2.1 傾斜厚煤層綜放工作面“煤柱-關鍵層”覆巖空間結構特征

根據關鍵層理論可知，關鍵層穩定性決定著工作面覆巖空間結構的運動狀態與分布特征，同時影響著“煤柱-關鍵層”結構內煤柱應力分布特征及其穩定性。由2019-11-06地表沉陷觀測數據可知，(4-5)02工作面地表下沉量3.312 m，下沉系數為0.51，(4-5)04工作面地表下沉量1.721 m，下沉系數為0.27，(4-5)06工作面采空區地表下沉量1.627 m，下沉系數為0.25。說明工作面回采之后，地表沉降量小，覆巖關鍵層保持相對穩定狀態，工作面未達到充分采動狀態，在煤柱支撐作用下，關鍵層能夠承受自身及上部巖層載荷作用，從而在工作面傾向方向上煤柱、煤柱上覆巖層、兩側采空區覆巖和關鍵層共同組成了“煤柱-關鍵層”結構，煤柱與關鍵層相互協調統一，形成了一個相對平衡的壓力自承結構系統。

一般情況下，可假定采空區兩側未開采的大范圍煤巖體為剛性體，關鍵層兩端嵌固在未受采動影響的煤巖體內，可以假定關鍵層為兩端固支梁，關鍵層上方受地表巖層自重應力作用，煤柱及上覆至關鍵層間巖層視為彈性支座，可得到“煤柱-關鍵層”結構的簡化力學模型為兩端固支、下部受彈性支撐的兩跨連續梁結構系統，簡化力學模型如圖3所示。圖3中，為煤層傾角;為關鍵層上覆巖層載荷(包含關鍵層自重);和分別為關鍵層兩固支端集中反力;和分別為關鍵層兩固支端彎矩;為遺留煤柱簡化集中反力;為煤柱頂板至關鍵層下表面高度;為關鍵層厚度;和分別為遺留煤柱上下采空區巖層移動角;和分別為煤柱上下遺留采空區對應的關鍵層移動寬度;為遺留煤柱寬度。

圖3 “煤柱-關鍵層”結構力學簡化模型

2.2 傾斜厚煤層遺留煤柱穩定性分析

2.2.1 傾斜煤柱應力演化特征分析

遺留煤柱自形成至下區段工作面回采完畢，煤柱應力存在時間上的持續性，經歷了3個主要的變化階段：(4-5)02上區段采空區側向支承壓力影響→(4-5)04下區段采空區側向支承壓力影響→(4-5)06下區段采空區側向支承壓力影響，在不同的回采階段，遺留煤柱的應力集中程度也將不同，因此遺留煤柱應力隨兩側工作面回采范圍的變化存在一個動態演化過程。

遺留煤柱兩側采空區覆巖結構處于非充分采動狀態，回采工作面進入雙工作面見方后，覆巖破裂高度約為采空區寬度的一半，煤柱靜力源主要為煤柱上覆巖層的自重應力與兩側采空區上覆巖層轉移應力之和。根據文獻[20]的研究可知，對于正常開采的傾斜煤層，工作面覆巖垮落后將會沿煤層傾向方向形成相互咬合的砌體梁結構，從而阻礙了上部采空區矸石對下部煤柱的擠壓，因此不考慮遺留煤柱上區段采空區垮落矸石的推力。據此建立傾斜厚煤層條件下遺留煤柱應力估算模型如圖4所示。圖4中，為(4-5)02采空區傾向寬度;為(4-5)04采空區和(4-5)06采空區傾向寬度;,分別為煤柱兩側上、下區段采空區最大垮落高度距離煤柱寬度;和分別為煤柱兩側采空區埋深;,分別為兩側采空區最大垮落高度。

圖4 遺留煤柱受力估算模型

由圖4可知，遺留煤柱承受載荷包括煤柱上覆巖層自重、上采空區傳遞載荷和下采空區傳遞載荷，即

=++

(1)

根據幾何關系可得

(2)

(-sin)cos

(3)

(+sin)cos

(4)

式中，為上覆巖層容重。

則遺留煤柱所承受的平均靜應力為

=

(5)

2.2.2 煤柱穩定性力學分析

遺留煤柱在兩側采空區傳遞應力作用下出現應力均化，煤柱彈性核區應力呈均勻分布，并逐漸趨于整體失穩破裂高應力臨界狀態，當其受到巖層斷裂動載擾動，最終發生煤柱整體失穩?？紤]煤體三向抗壓強度和動載強度等因素，當遺留煤柱平均應力達到其平均綜合抗壓強度的1.5倍時，即認為遺留煤柱處于整體失穩臨界狀態。則煤柱整體失穩沖擊傾向性指數為

(6)

2.3 關鍵層穩定性分析

2.3.1 關鍵層應力演化特征分析

根據前述可知(4-5)06工作面回采期間，煤柱未失穩前，煤柱與采空區覆巖形成的空間結構特征如圖5所示。圖5中，,分別為遺留煤柱兩側采空區巖層斷裂角。

圖5 “煤柱-關鍵層”覆巖空間結構特征

根據煤柱承載的穩定性可將關鍵層的力學特性分為2個階段：① 煤柱兩側采空區形成后，在煤柱支撐作用下，“煤柱-關鍵層”結構保持穩定，煤柱載荷來自上覆巖層自重及兩側采空區未垮落巖層的加載，2種不同力源作用下煤柱處于高應力集中狀態；此時關鍵層在煤柱支撐下能夠承載范圍更大的巖層結構，其力學特性表現為兩端固支、下部受彈性支撐的兩跨連續梁結構；② 隨著(4-5)06工作面的開采，煤柱應力集中程度逐漸升高，當其超過整體失穩的臨界值時在工作面動載擾動下失穩破壞，進而失去承載能力，此時關鍵層中部無支撐，關鍵層載荷向兩側轉移，其力學特性變現為上部受載的兩端固支懸跨梁結構。

2.3.2 關鍵層穩定性力學分析

根據關鍵層力學特性可將煤柱失穩后關鍵層簡化為兩端固支懸跨梁模型，為突出關鍵層斷裂特征，將上覆巖層應力簡化為均布載荷進行計算，巖梁兩端受集中反力作用。由此建立傾斜煤層開采關鍵層極限跨度力學計算模型，以關鍵層上端部中心為原點，沿關鍵層傾斜方向為軸，沿關鍵層厚度方向為軸，如圖6所示。由于梁上面力及約束不沿厚度方向變化，因此將其轉化為平面應變問題，取單位厚度的梁進行計算，且不考慮覆巖垮落充填對工作面下部的支撐。由于切向載荷通過垂直于軸的關鍵層截面彎矩為0，因此不考慮切向載荷作用力。

圖6 關鍵層極限跨度計算力學模型

圖6中，為覆巖(含關鍵層自重)垂直巖梁方向的法向載荷，=cos；為關鍵層極限跨度；為關鍵層固支端反力，=/2;為關鍵層固支端彎矩。

根據圖6得到煤柱失穩后關鍵層任一橫截面上的彎矩為

(7)

由式(7)可知，關鍵層彎矩最大處位于巖梁嵌固端處，即=0時，關鍵層最大彎矩為-/12。

根據材料力學可知，兩端固支關鍵層任意點的正應力為

=

(8)

式中，為關鍵層對稱中性軸的斷面矩，單位寬度巖梁的斷面矩為/12。

對于兩端固支關鍵層，隨著巖梁跨度的增大，固支端彎矩變大，關鍵層端部正應力達到其抗拉強度極限時，巖層將在端部拉裂，關鍵層力學特性由兩端固支梁變為兩端簡支梁，進而引起關鍵層跨中彎矩變大，關鍵層最終發生破斷。因此若使關鍵層不發生破斷，則巖梁嵌固端處的拉應力應小于巖層的極限抗拉強度，即

≤

(9)

由式(7)，(8)可得，關鍵層兩端最大拉應力為

=(2)

(10)

將式(10)代入式(9)整理可得，嵌固端巖梁不被拉伸破壞的極限跨距為

(11)

根據27-2鉆孔柱狀圖可知關鍵層厚度為272.77 m，取=273 m，則關鍵層上覆均布載荷(含自重)=6 MPa，巖層極限抗拉強度=10 MPa。將各參數代入式(11)可得關鍵層的極限跨距=498 m。

根據硫磺溝煤礦地質資料取==78°，=54 m，計算可得煤柱失穩后關鍵層懸露跨度為=++=563 m，由于<，因此當遺留煤柱失去承載能力之后，三采空區上覆巖層貫通，關鍵層懸露跨度超過其極限跨度后發生拉伸破壞，從而誘發高能量礦震。

2.4 “煤柱-關鍵層”結構失穩型礦震力學機理

在非充分采動狀態下，遺留煤柱應力隨兩側采動程度變化，“煤柱-關鍵層”結構處于動態平衡狀態，煤柱對上覆巖層的支撐作用處于臨界失穩狀態。當煤柱一側工作面回采擾動導致煤柱穩定性遭到破壞后，煤柱失去其對上覆巖層的有效承載性，進而造成“煤柱-關鍵層”結構失穩，關鍵層在力學特性上由中部有支撐梁轉變為中部弱支撐或無支撐梁，在上覆巖層及自重應力作用下，關鍵層懸跨中心距增大，其端部所受拉應力逐漸增大，直至關鍵層端部被拉斷破壞，當關鍵層極限跨度超過時，巖層由兩端嵌固梁變為兩端簡支梁，從而在上覆巖層自重應力的作用下產生拉伸破壞。

如圖7所示，傾斜厚煤層綜放工作面礦震發生機理為：(4-5)02采空區與(4-5)04采空區之間留有40 m寬的遺留煤柱，煤柱的穩定性主要受采掘活動與上覆巖層結構運動的影響，隨著(4-5)06工作面回采，煤柱一側采空寬度增加，采空區側向支承壓力逐漸向煤柱中部轉移疊加，煤柱出現失穩破壞。煤柱整體失穩后，失去其承載能力，煤柱兩側采空區上覆高位關鍵層貫穿，關鍵層懸露跨度隨之增大，當其超過自身極限跨度后，懸露關鍵層在上覆巖層的重力作用下，引起跨中彎矩增大，導致關鍵層發生斷裂，進而誘發礦震。

圖7 “煤柱-關鍵層”結構失穩覆巖運動示意

2.5 “煤柱-關鍵層”結構失穩型礦震發生判別準則

“煤柱-關鍵層”覆巖空間結構的穩定性決定著結構失穩方式與類型，根據前述失穩機理可知，“煤柱-關鍵層”結構失穩型礦震主要與煤柱整體失穩沖擊傾向性指數和關鍵層極限跨距有關,據此建立發生判別準則如下：

2.5.1 不發生礦震

(1)煤柱未失穩，關鍵層不破斷。煤柱寬度較大或煤柱兩側采空區面積較小時，煤柱承受載荷未超過煤柱整體失穩容許載荷，煤柱具有較強的支撐能力，煤柱兩側采空區覆巖未連通，且單側采空區懸露巖梁跨度均未達到極限破斷步距，此時系統保持穩定不發生結構失穩型礦震，條件為

(12)

(2)煤柱失穩，關鍵層不破斷。煤柱寬度較小或煤柱兩側采空區面積較大時，煤柱承受載荷超過煤柱整體失穩容許載荷，煤柱失去承載能力，兩側采空區覆巖連通，但懸露關鍵層跨度未達到極限破斷步距，此時系統保持穩定不發生結構失穩型礦震，條件為

(13)

式中，為采空區連通后關鍵層懸露跨度，=++。

2.5.2 發生礦震

(1)煤柱未失穩，關鍵層破斷。煤柱寬度較大時，煤柱承受載荷未超過煤柱整體失穩容許載荷，煤柱具有較強的支撐能力，煤柱兩側采空區覆巖未連通，但煤柱一側采空面積較大，懸露巖梁跨度超過極限破斷步距，結構失穩發生礦震，條件為

(14)

(2)煤柱失穩，巖梁破斷。煤柱寬度較小或煤柱兩側采空區面積較大時，煤柱承受載荷超過煤柱整體失穩容許載荷，煤柱失去承載能力，兩側采空區覆巖連通，且懸露關鍵層跨度超過極限破斷步距，此時系統失穩發生結構失穩型礦震，條件為

(15)

根據硫磺溝煤礦現場實際情況可知，(4-5)04和(4-5)06工作面開采后關鍵層懸露跨度=383 m，(4-5)02，(4-5)04和(4-5)06工作面開采后關鍵層懸露跨度=563 m，當(4-5)06工作面回采時，煤柱整體失穩沖擊傾向性指數≈2>1.5，關鍵層極限跨距=383 m<=498 m<=563 m，滿足判別準則式(15)，煤柱應力集中程度較高，高應力作用下煤柱超過臨界失穩條件進而失去承載能力，關鍵層的極限跨度大于(4-5)04和(4-5)06采空區寬度，但小于(4-5)02采空區、(4-5)04采空區、(4-5)06采空區和遺留煤柱疊加寬度，關鍵層懸露跨度由雙采空區自穩變為三采空區懸空，最終超過其極限跨度發生破斷，誘發5.17×10J能量級礦震。通過現場實際情況計算驗證了礦震機理分析的正確性。

3 數值模擬及微震監測分析驗證

3.1 煤柱穩定性的數值模擬分析

根據硫磺溝煤礦地質和開采技術條件，以該礦鉆孔柱狀圖為基礎，采用FLAC數值模擬軟件沿煤層傾向方向建立模型，數值模型尺寸長×寬×高=583 m×100 m×382 m，煤巖層平均傾角29°。模型四側和模型底部施加位移邊界，在模型頂部施加2.5 MPa均布載荷代替所建模型頂部至地表之間100 m高度的巖層自重應力。采用Mohr-Coulomb準則對模型進行計算，根據礦井地質資料及鉆孔實測資料確定模型巖層的物理及力學參數。根據硫磺溝煤礦實際情況，4-5煤層工作面開采順序為：(4-5)02工作面→(4-5)04工作面→(4-5)06工作面。

圖8為4-5煤層工作面開采后遺留煤柱垂直應力云圖剖面。由圖8(a)可知，(4-5)02/04工作面開采后煤柱支承壓力峰值約為22.5 MPa，應力集中系數約為1.7。由圖8(b)可知，(4-5)02/04/06工作面開采后煤柱支承壓力峰值約為40 MPa，應力集中系數約為3。當(4-5)02/04工作面開采后，遺留煤柱承擔上覆巖層自重應力及兩側采空區轉移應力，由于遺留煤柱兩側采空面積較小，煤柱上方疊加應力總和較小，煤柱尚未達到中等沖擊危險；當(4-5)06工作面繼續回采后，遺留煤柱一側采空區面積增大，采空區上覆巖層轉移應力增大，遺留煤柱疊加應力升高，煤柱集中應力系數超過強沖擊危險，當其受到采掘擾動時，易發生整體破裂失穩。

圖8 煤柱支承壓力演化云圖

圖9為4-5煤層工作面開采后遺留煤柱塑性區分布剖面，由圖9(a)可知，(4-5)02/04工作面開采后，采空區遺留煤柱并未呈現出完全塑性屈服狀態，中間有長度約為20 m的彈性承載區(彈性核)。由圖9(b)可知，(4-5)02/04/06工作面開采后煤柱已經完全處于塑性屈服狀態，無彈性承載區存在。彈性承載區煤體處于三向應力狀態，是遺留煤柱的主要承載部分，當(4-5)02/04工作面開采后，40 m寬的煤柱中心處仍有20 m寬的彈性承載區，具有較好的承載能力；當(4-5)06工作面繼續回采后，40 m寬的煤柱已無彈性承載區，說明煤柱在高應力作用下不斷發生塑性破壞變形，直至煤柱塑性區全部貫通，極大地弱化了煤柱承載能力，在采掘活動擾動下最終發生失穩破壞。

圖9 煤柱塑性區演化云圖

綜上可知，隨遺留煤柱下區段(4-5)06工作面回采，煤柱應力不斷集中，塑性區由兩側采空區逐漸向彈性核區擴展，當其超過煤柱平衡狀態時失穩，遺留煤柱失去承載能力后，(4-5)02/04/06采空區上覆破裂巖層貫通形成大結構拱，工作面上覆高位關鍵層懸頂面積隨之增大，最終超過其極限跨度發生破斷。

3.2 關鍵層穩定性的現場微震監測分析

圖10為2019-11-11—12-21，(4-5)06工作面頂板巖層每天微震事件發生的最大標高與每日微震事件的總能量。根據每天的微震事件發生的最大標高可知，微震事件標高主要分布在+740～+780 m，(4-5)06工作面平均標高為+660 m，則工作面覆巖空間結構范圍主要在工作面上方80～120 m，巖層破裂高度穩定在上覆100 m左右的巖層。12月9日微震事件最大標高達到+852 m，距離工作面垂直高度約為192 m，12月10日礦震發生日微震事件最大標高為+811 m，距離工作面垂直高度約為151 m，均超過工作面回采期間的正常巖層破裂高度，說明工作面上覆高位巖層發生破斷。根據每日微震事件的總能量變化可以看出，自11月11日至11月29日每日微震總能量處于較為規律的“蓄能-釋放”階段，說明隨著工作面的回采，上覆巖層隨之正常的破斷。而1月30日至12月9日，每日微震總能量始終處于一個低位狀態，說明上覆巖層一直處于蓄能狀態。

圖10 每日微震事件發生的最大標高與微震事件總能量

根據4-5煤層上覆巖層結構可知，在工作面上方有一組約300 m厚的巨厚砂巖組，結合前述可知，3個采空區上覆巖層已經形成了一個大的覆巖空間結構處于運動過程中，微震監測結果表明(4-5)06工作面上方高位巖層發生斷裂，1×10J大能量事件只有在關鍵層即巨厚砂巖組發生破斷時才能產生。綜合現場微震監測數據分析可知，礦震發生的直接原因是工作面上方關鍵層失穩斷裂。

4 “減震-防沖”技術

4.1 減震控制措施

根據文獻[22-23]研究可知，礦震及沖擊地壓的發生與工作面回采速度密切相關，在相同生產時間內工作面回采速度越快，上覆關鍵層懸頂距越長，巖層內積聚的彎曲變形能越高，工作面超前支承壓力峰值距離工作面煤壁距離越近，因此高推采速度與工作面關鍵層破斷釋放大能量礦震事件呈明顯的正相關性，通過制定工作面合理的推采速度可保證工作面的安全回采。

圖11為(4-5)06工作面開采以來工作面推采速度與1×10J以上微震事件數量曲線。共統計1×10J以上事件126個，由圖11可知，當工作面推采速度小于2.1 m/d時，大能量微震事件數量為6個，大能量微震事件數量占比僅為5%；當工作面推采速度在2.1～2.8 m/d時，大能量微震事件數量為9個，大能量微震事件數量占比僅為7%；當工作面推采速度在2.8～3.5 m/d時，大能量微震事件數量為57個，大能量微震事件數量占比為45%；當工作面推采速度在3.5～4.2 m/d時，大能量微震事件數量為49個，大能量微震事件數量占比為39%；當工作面推采速度超過4.2 m/d時，大能量微震事件數量為5個，大能量微震事件數量占比為4%(推采速度超過4.2 m/d共4 d，發生大能量微震事件共5次)。

圖11 (4-5)06工作面日進尺與大能量微震事件關系曲線

硫磺溝煤礦(4-5)06工作面每天推采速度約為3.5 m/d，預計后期(4-5)06工作面開采后采空區與(4-5)04,(4-5)02等相鄰多個采空區貫通時，礦震等級和能量還會進一步增加，因此(4-5)06工作面在三采空區見方期間合理的推采速度應降低至2.8 m/d(4刀/d)，若在此期間繼續出現大能量礦震事件(根據微震監測結果確定)，再將工作面推采速度降低至2.1 m/d(3刀/d)，預計可以有效減小大能量礦震發生的次數和頻次。

(4-5)06工作面開采采空區與(4-5)04，(4-5)02等相鄰多個采空區貫通時，采空區上覆硬巖為同一組關鍵層，關鍵層運動狀態決定著3個采空區上覆巖層的運動，現場實踐表明，自12月11日至12月25日(4-5)06工作面推進度一直保持在2.8 m/d及以下，在此期間內僅發生一次1×10J能量級微震事件，說明降低推采速度可有效的減緩礦震發生的能量和頻次。

4.2 防沖技術措施

根據前述分析可知，防止采場出現“震-沖”災害的關鍵在于保證井下工作面及兩巷煤體處于低應力狀態，因此按照“有震無災”的防治原則提出以下防沖技術措施。

(1)加密卸壓鉆孔。工作面回采巷道在掘進時已施工大直徑鉆孔進行預卸壓，在工作面回采前應根據工作面劃分的沖擊地壓危險區程度施工相應的鉆孔參數(孔深、直徑和間距等)，對于已經塌孔的鉆孔要及時進行補打，確保工作面回采時超前巷道兩幫煤體處于低應力狀態。

(2)加強巷道超前支護強度和距離。選取(4-5)06 回采工作面11月1日至11月30日的微震監測數據，根據每日微震數據做出工作面11月回采期間的震源分布平面圖，并結合工作面每天的實際推進度，通過處理分析得出工作面回采過程中的超前擾動范圍，得出(4-5)06回采工作面超前影響范圍為200 m左右，礦井目前超前支護長度為120 m，因此建議加強工作面兩巷超前支護至200 m，且加強超前支護強度，提高超前支護體系的抗沖擊和擾動能力。

(3)加強監測預警。采取鉆屑法、應力在線監測及微震監測結合的方式進行沖擊危險性預警。提高鉆屑法檢測頻率，加密應力在線測點，對微震能量與頻次進行宏觀變化趨勢分析，當任一指標發生預警時及時停止作業并進行卸壓解危。

(4)加強卸壓解危。嚴格落實防沖卸壓措施，確保回采巷道兩幫、底板卸壓鉆孔深度、間距和超前距離，若卸壓過程中出現較強動力現象時應加強卸壓至無明顯動力顯現為止。

5 結 論

(1)建立了傾斜厚煤層遺留煤柱受力估算模型和關鍵層極限跨度計算力學模型，揭示了傾斜厚煤層綜放工作面“煤柱-關鍵層”結構失穩型礦震發生機理：(4-5)02/04兩工作面回采后，遺留煤柱應力處于極限平衡狀態，隨著(4-5)06工作面回采，遺留煤柱發生失穩破壞，關鍵層懸露跨度超過其極限跨度，在采掘活動擾動下，關鍵層發生破斷，進而誘發礦震。

(2)考慮遺留煤柱整體失穩沖擊傾向性指數和關鍵層極限跨距的影響，提出了傾斜厚煤層綜放工作面“煤柱-關鍵層”結構失穩型礦震發生判別準則。

(3)通過現場數據驗證了理論分析的合理性，通過數值模擬對遺留煤柱不同回采階段的應力和塑性區演化規律進行了研究，結合現場微震監測數據對比驗證了“煤柱-關鍵層”結構失穩誘發礦震的事實。

(4)通過對工作面推采速度與每日微震能量和每日微震次數的分析，提出了工作面合理推采速度應小于3 m/d，現場監測表明，降低推采速度能夠有效降低礦震發生的頻次及能量。