不規則工作面開采礦震活動規律及其致沖風險控制研究

曹安業，趙書寧，孫 偉，郭 偉，劉延俊，桑成辛

（1.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2.陜西永隴能源開發建設有限責任公司 崔木煤礦，陜西 寶雞 721501）

近年來，經濟的快速發展、煤炭開采和需求量的不斷增加，導致我國煤礦開采深度逐年增大。諸多煤炭開采進入深部開采階段，國內礦井開采深度超過1 000 m 的礦井多達50 個。隨著開采深度的增加，開采強度加大、開采布局變得復雜，沖擊地壓災害頻繁發生，對礦山安全開采構成了極大威脅[1-3]。諸多學者針對沖擊地壓發生機理開展了大量的研究，并且基于沖擊地壓發生機理制定了相關防治措施[4-9]。其中，動靜載疊加作用是沖擊地壓發生的根本原因[10-12]。當采掘空間周圍煤巖體中的靜載荷與礦震形成的動載荷疊加超過煤巖體沖擊的最小載荷時會發生沖擊地壓，不同點是靜載應力和動載應力在沖擊地壓發生時的貢獻大小不同。

煤礦開采是對煤巖應力場的強擾動過程，原巖應力平衡打破后，應力將經歷動態調整至新平衡，應力的動態調整過程將產生礦震，礦震動力擾動是誘發沖擊地壓的主要原因之一，沖擊地壓多發生在礦震活動頻繁、礦震能量較高的時期[13]。礦震是礦井動載來源，研究表明，礦震能量達到104J 時，有誘發沖擊顯現的危險。賀虎等[14]研究了高褶皺構造應力區域礦震時空演化規律，并制定了勻速回采與超前卸壓的礦震災害防治措施；曹安業等[15-16]分析了典型礦震的震源機制，為現場快速識別沖擊危險信號與及時采取解危措施提供了重要依據；武少國等[17]開展了防沖擊煤柱寬度變化期間的微震活動規律，并提出了針對該條件下的沖擊地壓綜合防治措施；王浩等[18]基于礦震能量、頻次及其空間分布特征分析了逆斷層構造影響區域的不規則綜放工作面沖擊危險性。綜上所述，不同地質條件和開采技術條件下的礦震活動規律不同，因此從源頭上降低礦震能量、頻次，對沖擊地壓的防治有著重要意義。陜西某礦特厚煤層工作面開采期間曾發生由強礦震引起的沖擊地壓現象，造成巷道部分區域產生底鼓和片幫現象。強礦震形成的動力擾動易誘發沖擊地壓危險；由于21306 不規則工作面在回采過程中發生大量104J 以上礦震，故研究特厚煤層不規則工作面開采條件下礦震活動規律，制定相關風險控制措施，為相似條件工作面的礦震致沖風險控制提供借鑒。

1 工程概況

陜西某礦21306 工作面采深在650～760 m，開采深度大。煤層厚度在8.5～15.7 m，平均厚度12.7 m，平均傾角3°，煤層具強沖擊傾向性，煤層頂板為弱沖擊傾向性。為減少工作面回采后期給運輸大巷造成的危害，對原設計的回風巷進行了改造，初步設計預留約94 m 大巷保護煤柱，在回采后期形成了“刀把”形不規則工作面，工作面走向長1 200 m，傾向長160 m（縮面部分為110 m），工作面采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面南距21305 工作面采空區間留有35 m 區段煤柱，西側為西大巷，北側為運輸大巷。21306 工作面布置如圖1。

圖1 21306 工作面平面圖Fig.1 Plan of 21306 working surface

根據工作面煤層柱狀圖及煤層、圍巖物理力學性質，結合關鍵層判別方法，對滿足（qn）m＜（qn-1）m的第n 層覆巖層判定為關鍵層[19]。

式中：（qn）m為第n 層頂板對第m 層頂板的載荷，MPa；m、n、i 分別為頂板巖層序號；Em為第m 層覆巖的彈性模量GPa；hm為第m 層覆巖的厚度，m；Ei為第i 層覆巖的彈性模量，GPa；hi為第i 層覆巖的厚度，m；ρi為第i 層覆巖的密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2。

判定21306 工作面煤層上部存在5 層硬巖，工作面上覆巖層關鍵層見表1。

表1 工作面上覆巖層關鍵層Table 1 Overlying strata on working face

2 工作面開采礦震活動規律

2.1 工作面上覆巖層破斷特征

相鄰工作面采空區間煤柱寬度可決定上覆巖層能否形成相互作用的空間結構。一般情況下，20 m以上的大煤柱能夠有效隔離兩工作面采空區間覆巖協同運動。當工作面煤柱寬度較小，相鄰工作面采空區間覆巖將會協同運動，形成相互作用的空間結構。竇林名等[20]綜合頂板斷裂線與煤柱穩定所需寬度條件，得出兩相鄰工作面采空區覆巖形成獨立空間結構的煤柱寬度Lmin為：

式中：Ld為基本頂斷裂線距煤壁位置，m；R 為煤柱屈服區寬度，m；Wc為煤柱彈性區寬度，m。

根據工作開采情況可知，式（2）中Ld=8.5 m，R=7.5 m，Wc=0.85 m，則Lmin≥17 m，21306 工作面與21305 工作面之間煤柱寬度為35 m，滿足上述條件，35 m 煤柱可在一定程度上隔離兩工作面采空區覆巖協同運動，特別是在21306 工作面回采初期采空區覆巖難以發生大范圍協同運動，隨著采空范圍增大，35 mm 煤柱的隔離效應減弱，采空區覆巖協同運動可能性增大。

21306 工作面回采前，相鄰21305 工作面已停采半年左右，采空區范圍較大，其上覆巖層破斷充分至基本趨于穩定。隨著工作面的推進，21306 工作面關鍵層形成“O－X”型破斷結構，工作面覆巖關鍵層將發生初次及周期性破斷，同時覆巖斷裂破壞高度也隨著采空區范圍的不斷擴大逐漸向上演化。工作面非縮面階段回采結束后，與相鄰采空區形成對稱長臂T 型結構，非縮面（160 m）階段開采傾向覆巖結構如圖2。

圖2 非縮面（160 m）階段開采傾向覆巖結構Fig.2 Structure of overlying strata above working face at the non-shrinking stage（160 m）

21306 在進入縮面階段后，雖然工作面長度由原來的160 m 縮短至110 m，但頂板覆巖仍發生周期性破斷，周期破斷距較縮面前有所增加。縮面（110 m）階段開采傾向覆巖結構如圖3。

圖3 縮面（110 m）階段開采傾向覆巖結構Fig.3 Structure of overlying strata above working face at the shrinking stage（110 m）

2.2 工作面開采圍巖應力分布特征

數值模型以21306 工作面實際地質條件為基礎，對工作面地質條件進行了適當簡化，煤層傾角按水平考慮。數值模型尺寸（長×寬×高）為：2 000 m×1 000 m×283 m，共劃分545 000 個網格單元、632 379 個網格節點。

模型采用應變軟化準則，設定邊界條件為：x、y方向設定水平位移為0，模型下邊界固支，即下邊界的位移為0，上邊界為施加等效載荷的自由邊界，承受的自重為9.93 MPa，兩側施加17.32 MPa，方向為x、y 軸方向。模型中煤巖體力學參數見表2。

表2 煤巖物理力學參數Table 2 Mechanical parameters of coal and rock mass

2.2.1 工作面回采前煤柱區應力分布特征

根據建立的FLAC3D數值模型，在給定力學條件與位移邊界條件下計算，使模型由初始狀態達到初始應力平衡狀態。按照實際生產過程先開挖大巷和21305 工作面，在采空區應力平衡后，對21306 工作面進行回采。21306 工作面回采前煤柱區應力分布特征如圖4。

圖4 21306 工作面回采前應力分布Fig.4 Stress distribution of 21306 working face before mining

由圖4 可知：21306 工作面回采前，受21305 采空區側向支承壓力影響下，區段煤柱區域應力集中程度較高，最大垂直應力為38.7 MPa，應力集中系數為2.40。由此可知：21306 工作面回采前，臨采空區側已處于高應力狀態；21305 工作面回采已對運輸大巷安全產生一定影響，故21306 工作面回采必然會對運輸大巷產生進一步影響。

2.2.2 工作面非縮面開采階段圍巖應力分布特征

21306 工作面非縮面開采階段回采80、480、880 m 等不同時期圍巖應力分布如圖5。

圖5 工作面非縮面開采階段圍巖應力分布特征Fig.5 Stress distribution characteristics of the surrounding rock in the working face at the non-shrinking stage

由圖5 可知：在21306 工作面回采期間，工作面前方及運輸大巷側應力影響范圍不斷擴大，該區域應力集中程度不斷增大；隨著工作面推進，區段煤柱區域應力集中程度明顯加大；在回采80 m 時區段煤柱最大應力為42.3 MPa；回采至480 m 時垂直應力已達到54.67 MPa，約是回采前垂直應力的1.41 倍；在工作面回采480～880 m 范圍內均維持在35 MPa 左右，應力集中系數約為2.17，工作面當前回采位置前方運輸巷（采空區側）附近應力集中程度較高。

2.2.3 工作面縮面開采階段圍巖應力分布特征

在工作面回采后期，為減少回采擾動對運輸大巷的影響，考慮采用縮短工作面長度的方法以減少對運輸大巷危害，2 種方案的模擬結果分別如圖6。

圖6 回采后期工作面長度變化圍巖應力對比Fig.6 Comparison of surrounding rock stress of working face length in later stage of mining

由圖6 可知：隨著工作面繼續推進，其距運輸大巷垂直距離越來越小，運輸大巷最大垂直應力不斷上升，回采至900 m 處時，運輸大巷已受到工作面回采擾動影響。由圖6（c）、圖6（d）回采后期工作面長度變化圍巖應力對比可知：工作面長度縮短之后對運輸大巷的影響范圍較不縮面而言明顯減少。此外，在工作面縮短之后形成“刀把型”不規則工作面，由此造成工作面縮面階段應力明顯高于非縮面開采階段，縮短拐角區域應力集中程度明顯較高。

不同條件下工作面距模型邊界圍巖應力分布對比如圖7。

圖7 不同條件下工作面距模型邊界圍巖應力分布對比Fig.7 Comparison of stress distribution of the surrounding rock under different conditions

由圖7 可知：隨著工作面的繼續推進，縮面較不縮面而言運輸大巷區域應力有一定程度的降低；在縮面回采至1 200 m 時，運輸大巷最低應力為13.5 MPa；不縮面回采至1 200 m 時，運輸大巷區域最低應力為14.1 MPa；故縮面開采能夠有效降低回采擾動對運輸大巷危害；縮面開采后，高應力區更多集中在遠離運輸大巷區域；當工作面開采900 m 后形成“刀把型”不規則面而造成部分區域應力集中程度明顯，最大應力達到40.7 MPa，應力集中系數高達2.52；當工作面繼續回采至980 m 時則降低至31 MPa，應力集中系數降低至1.9；開采至1 200 m 較980 m 位置有一定程度降低，降低了0.25 MPa。故縮面階段開采期間隨著開采區域遠離縮面拐角區域應力逐漸降低，但降低幅度較小。

2.3 工作面開采各階段礦震活動規律

利用SOS 微震監測系統對21306 工作面回采期間的礦震進行記錄、定位以及能量計算。

2.3.1 非縮面開采階段礦震活動規律

2015-10-20—2016-03-18 期間，21306 工作面從開切眼推進至約860 m 處，監測到的非縮面開采礦震統計見表3，工作面非縮面開采微震能量、頻次變化曲線如圖8。

表3 非縮面開采礦震統計Table 3 Non-shrinkage mining shock bump statistics

圖8 工作面非縮面開采微震能量、頻次變化曲線Fig.8 Variation curves of micro-seismic energy and frequency in non-shrinking mining of working face

由表3 可以看出：21306 工作面回采初期，礦震能量主要分布在103～105J 范圍；隨著工作面向前推進至“見方”階段，102～103J 小能量礦震減少，104～105J 礦震發生頻次約是回采初期的2.45 倍，105J以上礦震更是回采初期的4 倍左右。圖8（a）顯示，由開采初期至“見方”階段工作面日震動總能量及日震動頻次皆呈增長趨勢，在12 月4 日（280 m）左右日震動總能量達到最大值；此后，工作面日震動總能量有所下降，但日震動頻次后期仍維持較高水平。

工作面410～860 m 開采階段礦震能量主要分布在103～105J 范圍內。工作面開采至635 m 期間大于104J 能量發生頻次達到最大值，而小于104J 能量發生頻次達到最小值。圖8（b）統計顯示，該階段日礦震總能量初期呈上升趨勢，1 月10 日以后整體呈下降趨勢，但工作面日震動頻次維持在較高水平。

21306 工作面在該回采過程中發生較多能量大于105J 以上礦震，共514 次。小于104J 能量頻次逐漸降低后，大于104J 的大能量事件逐漸增多。研究表明，沖擊地壓和大能量礦震總是相伴而生[21]。為此選取工作面回采過程中非縮面開采階段能量大于2×105J 礦震進行分析。21306 工作面不同回采期間大能量礦震空間分布情況如圖9。

圖9 非縮面開采階段大能量礦震空間分布Fig.9 Spatial distribution of strong shock bump in the non-shrinking stage

結合圖9 大能量礦震空間分布情況及工作面資料，從工作面推進方向和垂直方向展開統計分析得出：震源事件主要分布于回采工作面前方50 m 范圍內，共有21 條記錄，占總事件數的41.2%；其次工作面前方50～100、100～150 m 發生頻率相對較大，分別占13.7%、9.8%；在工作面前方200 m 以上逐漸降至7.8%；隨著工作面開采臨近縮面區域，工作面大能量礦震發生頻繁，且大能量礦震發生區域在工作面縮面區域。

由圖9（b）、圖9（d）可以看出：在垂直方向上（z=650 為巷道底板位置），礦震主要分布在+22～+74 m（底板為0 m 點）范圍內，結合工作面關鍵層判斷可知，礦震集中分布于厚硬的中砂巖亞關鍵層1、2中，占總事件數的64.7%，其中發生在亞關鍵層1 中共有20 條，亞關鍵層2 中共有11 條。故可初步認為，工作面推進過程中頂板巖層結構特征、亞關鍵層周期性破斷是誘發大能量礦震發生的直接原因。

2.3.2 縮面開采階段礦震活動規律

2016-03-19—2016-05-31 期間，21306 工作面推進范圍為860～1 180 m，監測到的縮面開采階段礦震統計見表4，工作面縮面階段微震能量、頻次變化曲線如圖10。

表4 縮面開采階段礦震統計Table 4 Statistics of shock bump at the first stage

圖10 工作面縮面階段微震能量、頻次變化曲線Fig.10 Variation curves of microseismic energy and frequency at the shrinking stage of working face

由圖10 可知：工作面日震動總能量在縮面后即2016 年4 月5 日左右達到最大值1.6×106J，此后隨著工作面的繼續推進逐漸降低并趨于平穩；工作面日震動頻次在進入縮面階段后整體呈增長趨勢。

工作面在該回采階段中發生能量大于105J 以上的礦震共42 次。選取工作面回采過程中縮面開采階段能量大于2×105J 礦震進行分析。工作面縮面階段回采期間大能量礦震空間分布情況如圖11。

圖11 縮面階段大能量礦震空間分布Fig.11 Spatial distribution of strong shock bump in the shrinking stage

結合表4 可知：工作面縮面回采階段礦震能量主要分布在102～104J 范圍。在優化沖擊地壓防治措施后，隨著工作面向前推進，進入縮面階段形成“刀把型”工作面，震動總數明顯增多；震動主要為102～104J 低能量礦震，105J 以上大能量礦震所占比例大幅降低。由圖11 所示，工作面縮面階段開采期間2×105J 以上強礦震數較非縮面開采階段明顯降低。

2.4 工作面開采礦震活動規律

21306 不規則工作面開采前，工作面臨空側已處于高應力狀態。隨著工作面的開采，35 m 寬的區段煤柱制約了兩工作面采空區間覆巖協同運動，使工作面覆巖形成“O－X”型破斷結構，與相鄰采空區形成對稱長臂T 型結構，該結構導致工作面臨空側巷道的應力集中程度增大。同時，工作面縮面布置導致縮面拐角區域應力集中，縮面開采階段應力集中程度較大。因此21306 工作面開采期間整體處于高應力環境下。

結合非縮面開采階段微震監測結果可知：強礦震主要集中在工作面開采縮面區域、見方區域，且強礦震主要發生在工作面前方50 m 及底板上方22～74 m 范圍內。

綜合上述分析結果，特厚煤層工作面開采期間礦震發生頻繁，強礦震頻繁發生前，小于104J 能量發生頻次逐漸降低。不規則工作面開采期間大能量礦震主要發生在覆巖失穩破斷和應力集中程度較高區域，高應力環境下頂板巖層結構特征、亞關鍵層周期性破斷是誘發大能量礦震發生的直接原因。

3 礦震致沖風險控制技術

3.1 控制方案

1）礦震致沖風險控制原方案。采用大直徑鉆孔卸壓，鉆孔直徑150 mm，孔深25 m，水平間距3 m，孔口距底板1.2 m，垂直煤壁布置。同時在工作面兩巷超前15 m 開始，實施兩巷底板預裂爆破和頂板深空預裂爆破。底板爆破鉆孔直徑42 mm，組距3 m，每組兩底角各1 個鉆孔，鉆孔長度見巖為止，傾角均為60°，封孔長度大于2 m；頂板爆破鉆孔直徑94 mm，每組3 個鉆孔，組距20 m，爆破采用煤礦安全許用三級乳化炸藥、毫秒延期電雷管配合發爆器起爆，連線方式采用串聯。具體頂板深孔預裂爆破參數見表5，礦震致沖風險控制方案如圖12。

表5 頂板預裂爆破參數Table 5 Parameters for roof rupture blasting

圖12 礦震致沖風險控制原方案Fig.12 The original plan for risk control of shock bump

2）礦震致沖風險控制優化方案。結合上述分析，工作面后期開采靜載應力較大，上覆堅硬巖層破斷誘發大能量礦震，動載荷疊加可能超過煤巖體沖擊的最小載荷，工作面開采沖擊危險性較大。因此需在降低煤體應力集中程度的基礎上，加強弱化頂板結構，降低懸頂長度。故礦震致沖風險控制優化方案為在原方案基礎上增加了部分頂板預裂爆破鉆孔，重新布置了原方案。優化后頂板預裂爆破參數見表6，礦震致沖風險控制優化方案如圖13。

表6 優化后頂板預裂爆破參數Table 6 Optimized parameters for roof precracking blasting

圖13 礦震致沖風險控制優化方案Fig.13 Optimized plan for risk control of shock bump

3.2 控制效果檢驗

工作面回采期間礦震統計見表7。

表7 工作面回采期間礦震統計Table 7 Statistics of shock bump during mining face

由微震監測結果可知：在優化頂板爆破治理措施后，工作面回采縮面階段（860～1 180 m）礦震能量主要集中在102～104J 范圍。工作面回采期間礦震統結合圖9（d）、圖11（b）可知，縮面開采階段105J 以上強礦震數明顯降低，表明優化后的降載釋能控制方案對工作面強礦震治理起到良好效果。

4 結 語

1）工作面開采過程中，縮面和非縮面階段的上覆關鍵層均逐次發生“O－X”破斷及周期性破斷，同時覆巖斷裂破壞高度隨著開采范圍的不斷擴大逐漸向上演化直至主關鍵層，最終與相鄰采空區形成對稱長臂T 型覆巖空間結構。

2）通過數值模擬分析得出21306 工作面回采前，區段煤柱區域應力集中程度較高；回采初期工作面前方及運輸大巷側應力隨開采范圍擴大逐漸升高；隨著工作面的開采，區段煤柱承載載荷不斷加大，該區域始終處于高應力狀態；工作面回采后期縮面形成“刀把型”不規則工作面造成改造風巷側應力集中程度較高，縮短拐角區域應力集中程度明顯增大。同時通過模擬對比得出縮面能夠有效降低回采擾動對運輸大巷的影響。

3）工作面開采期間強震源事件主要分布于回采工作面前方50 m 及底板上方22～74 m 范圍內，強礦震誘發力源主要是由于高應力環境下亞關鍵層1、亞關鍵層2 周期性破斷引起。

4）基于礦震活動規律，優化了動靜載力源降載釋能的多手段控制方案。在措施實施后，工作面強礦震的治理起到良好的效果，保障了工作面后期的安全回采。