鄂爾多斯礦區高位厚硬巖層破斷機理及響應規律

高中祥，曲 治，李 友，陳 淼

（1.兗礦能源集團股份有限公司，山東 濟寧 272000；2.山東科技大學能源與礦業工程學院，山東 青島 266590）

0 引 言

由于地層形成的復雜性，在煤系地層中會賦存著硬度高、厚度大的巖層。在我國的鄂爾多斯地區，煤層上方存在著有硬度高、厚度大的砂巖組。該巖層具有強度高、厚度大、遠離采場、懸頂面積大等特點[1]。在該地區煤礦開采中，隨著工作面煤體的不斷采出，采空區面積逐漸增大，厚硬巖層會形成大面積懸頂并積聚大量彈性能，當采空區面積達到極限值，厚硬巖層發生破斷失穩并突然釋放積聚的大量彈性能，產生大能量強礦震事件，不僅會極大的提高井下沖擊地壓發生概率，影響煤礦安全生產，甚至還會引起地面強烈震感，對建筑物構成震動威脅，對煤炭安全高效開采與礦區和諧穩定發展提出了嚴峻挑戰，。

我國學者對厚硬巖層破斷規律進行了諸多研究，取得了大量有益成果。蔣金泉等[1-3]建立了厚硬巖層的力學模型，研究得到了巖層破斷跨度的計算式，并利用微震、支架壓力及地表下沉等進行了動力響應分析；姜福興等[4]研究覆巖結構提出了“載荷三帶”理論，基于該理論對采場可能發生的沖擊地壓進行了分類和危險性判定；張明[5-6]提出了基于厚硬關鍵層破斷導致強礦震的評估方法，并提出了防控思路；王樹立等[7-8]建立了多工作面聯合運動的力學模型，推算了紅層砂巖的破斷步距并闡明了紅層破斷規律，并利用微震技術分析驗證了響應特征。

以往研究主要集中在中低位厚硬巖層破斷響應方面，對于鄂爾多斯地區賦存的遠場、高位、巨厚、堅硬巖層，在多工作面共同影響條件下的破斷演化規律及響應特征研究較少。本文以營盤壕煤礦2201、2202 工作面為背景，以高位厚硬砂巖組為研究對象，建立高位厚硬巖層破斷力學模型，對影響高位厚硬巖層破斷規律及響應進行分析。研究成果對分析高位厚硬巖層的破斷規律和破斷造成的響應規律有重要意義

1 地質概況

營盤壕煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市西南方向的烏審旗。井田南北長約13.63 km，東西寬約8.32 km，面積113.32 km2。礦井生產能力1 000萬t/a，可采儲量約10 億t。地面標高+1 244.6—+1 261.4 m，區內可采煤層為2-2、3-1 煤層，煤層底板標高分別為+490—+540 m、+450—+500 m。

營盤壕煤礦現主采煤層為2-2 煤層，其中2-2煤層埋藏深度660.38～783.68 m，平均722.88 m，煤層厚度3.16～10.24 m，平均6.29 m。煤層頂板巖性多為粉砂巖及砂質泥巖，局部為中細粒砂巖，底板巖性多為砂質泥巖、泥巖。圖1 為營盤壕2202 工作面綜合柱狀圖，由圖1 可知，距2-2 煤層上方32 m、193 m 和297 m 處分別存在厚度為10 m 第一層砂巖組、28 m 第二層砂巖組和320 m第三層砂巖組，其中第三砂巖組為該礦井的關鍵巖層，當該巖層出現懸頂時工作面沖擊危險性將明顯增大。

圖1 營盤壕2202 工作面綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of Yingpanhao No.2202 Face

2 高位厚硬巖層力學模型

依據營盤壕煤礦2201、2202 工作面及上部高位厚硬巖層，建立四周固支的厚板力學模型，如圖2 所示。其中，x 軸是工作面走向推進方向，y軸是工作面傾斜方向，z 軸是垂直方向，原點O位于厚板中面三軸交匯處，h 為厚硬巖層厚度，a為巖層走向懸露長度，b 為巖層傾向懸露長度，q為厚硬巖層所受均布載荷，H 為主關鍵層與煤層間距，LZ和LQ為工作面沿走向和傾向的推進長度，α 為巖層破斷角。

圖2 高位厚硬巖層力學模型示意Fig.2 Mechanical model of high thick hard rock stratum

基于符拉索夫理論[9]得到厚板彎曲微分方程組：

式中：D 為抗彎剛度；E 為彈性模量；h 巖層厚度；Ψx、Ψy分別為x、y 的轉角；ν 為泊松比；ω 為撓度；G 為剪切變形模量；q 為均布載荷。

當下部覆巖跨落后，可將高位厚硬巖層看作固支梁，其邊界條件如下：

將邊界條件式（2） 帶入符拉索夫微分方程式（1） 中，推導計算得到式（3）：

由式（3） 可知，高位厚硬巖層的破斷將受巖石抗拉強度σ、巖層走向懸露長度a、巖層傾向懸露長度b、巖層厚度h、上覆載荷q、泊松比υ 等因素的影響。

假設厚板模型在工作面沿走向方向長度為LZ，在工作面沿傾向方向長度為LQ，則厚硬巖層破斷尺寸與開采空間尺寸對應關系如下：

3 高位厚硬巖層破斷分析

為得到營盤壕遠場高位厚硬巖層的破斷規律，根據營盤壕煤礦具體工程地質條件，將相關參數帶入力學模型公式進行分析計算。通過分析營盤壕煤礦 地 質 測 量 數 據，得 到[σ] =4.68 MPa，υ=0.3，α=65°，h=320 m，q=11 180 kN/m2。

2201 工作面開采時，LQ=300 m，根據巖層運動理論亦可知，此時工作面開采覆巖破壞高度（約為短邊長度1/2）[10]亦未波及高位厚硬巖層，巖層穩定性未受到明顯影響。

2201、2202 工作面開采時，雙工作面傾向長度LQ=600 m，此時工作面開采覆巖破壞高度開始波及高位厚硬巖層；由式（4） 計算得b=320 m；進一步代入式（3） 得，厚硬巖層破斷時走向長度a 為260 m，相應的工作面走向長度為540 m。

綜上分析可知，營盤壕煤礦2201 工作面推采過程中，高位厚硬巖層不會發生破斷；當2202 工作面推采至540 m 左右時，會發生初次破斷。

當開采2201 工作面時，工作面傾向長度僅為300 m，因為覆巖破裂高度為采空區短邊長度的一半，高位厚硬巖層距離煤層300 m，因此2201 單工作面開采并未影響到高位厚硬巖層，此時工作面未受到高位厚硬巖層的能量沖擊，工作面相對安全，大能量事件較少，如圖3 所示。

圖3 高位厚硬巖層未被破壞時狀態圖Fig.3 State diagram of high thick and hard rock strata when not destroyed

在2202 工作面開采之初，兩個工作面采空區寬度將達到600 m，但此時采空區范圍較小，隨著工作面推進，裂隙將發育至高位厚硬巖層，高位厚硬巖層逐漸起到支撐作用，由于其厚度較大、強度較高，易造成大范圍的懸頂，但不會發生破斷，集聚大量的彈性能，如圖4 所示。

圖4 高位厚硬巖層離層時狀態圖Fig.4 State diagram of high-level thick hard rock bed separation

當繼續回采2202 工作面時，隨著工作面持續推進，采空區范圍變大，采空區上覆巖層逐漸垮落和破斷，懸頂下部空間足夠大，破壞范圍發育至高位厚硬巖層，據計算結果推采至540 m 左右時，達到其極限破斷強度，高位厚硬巖層發生破斷并會釋放大量能量，誘發大能量事件。大能量事件在該地區并不少見，能量沖擊會對巖體造成擾動，巖體擾動極易發生沖擊地壓事故，尤其是開采之初，高位厚硬巖層的斷裂對工作面會造成嚴重影響，如圖5所示。

圖5 高位厚硬巖層破斷時狀態圖Fig.5 State diagram of high thick and hard rock strata when breaking

4 微震規律分析

在工作面推進過程中，高位厚硬巖層的損傷破壞，必然會伴隨著能量事件，因此有必要對營盤壕煤礦2201、2202 工作面推進期間的能量事件進行監測。2201 工作面開采期間監測到的大能量事件主要受頂板斷裂影響，此期間未影響到高位厚硬巖層，因此對2202 工作面開采期間的大能量事件進行研究分析。

2202 工作面自2019 年8 月7 日開始回采，至2021 年6 月10 日期間，工作面推進約1 317.8 m。因為高位厚硬巖層的破斷會釋放積聚的大量能量，因此為了更準確的研究高位厚硬巖層破斷帶來的影響，對此期間發生的大能量礦震（105J 以上） 事件進行統計，并分析研究其規律。

該期間共發生22 次大能量事件，對大能量事件進行重新標定和能量計算，最終分析確定在2202 工作面推采期間因采掘影響引發的能量大于105J 以上的礦震共發生21 次，占總頻次的0.14%，能量占總能量的27.59%，大能量礦震雖然發生頻次低，但是其釋放的總能量卻高于低能量礦震，如圖6 所示。

圖6 2202 工作面回采期間大能量礦震頻次、能量占比Fig.6 No.2202 Face during the mining period of large energy mine earthquake frequency,energy ratio

圖7 是2202 工作面回采期間大能量事件的平面圖。由圖7 可知，能量大于105J 的礦震事件大多分布在工作面兩巷、工作面見方與2201 采空區二次見方，表明2202 工作面開采過程中，裂隙逐漸向上發育至高位厚硬巖層，導致高位厚硬巖層大面積懸頂、斷裂釋放大量能量，造成大能量事件。

圖7 2202 工作面回采期間大能量事件（1×105J 及以上） 平面圖Fig.7 No.2202 Face mining during large energy events(1×105 J and above)plan

由表1 可知，能量大于105J 的礦震事件主要發生于工作面后方100 m 左右且分布在工作面進尺500～700 m，即雙工作面見方時，表明在此期間內高位厚硬巖層發生破斷，厚硬巖層內的大量能量被釋放，因此造成多次大能量事件。

表1 2202 工作面開采期間大能量事件（1×105J 及以上） 對應位置統計Table 1 No.2202 Face during mining large energy events(1×105 J and above)corresponding position statistics table

5 結 論

（1） 將營盤壕煤礦具體的工程地質條件帶入建立的力學模型及公式，可以得到高位硬厚巖層在2201 工作面開采時不發生破斷，2202 工作面開采時雙工作面聯合致動高位硬厚巖層發生破斷。

（2） 當2201 工作面開采時，巖層裂隙未發育至高位硬厚巖層；2202 工作面開采前期，雙工作面傾向長度達到600 m，開采影響到高位硬厚巖層，導致其大面積懸頂并積聚大量彈性能；當2202 工作面開采至雙工作面見方時，高位硬厚巖層發生破斷釋放大量能量，此時大能量事件明顯增多。