巨厚弱膠結覆巖深部開采大能量事件與地表沉陷關系研究

鄭燦廣，孫兢超，汪鐵寧，郭廣禮，胡勇華，李懷展，劉峰建

（1.兗礦能源集團股份有限公司，山東 鄒城 273500；2.中國礦業大學環境與測繪工程學院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

我國煤炭資源在地理分布上呈“西多東少”的趨勢，西部煤炭資源占全國資源總量的70%以上，開發西部煤炭資源已成為保障我國能源安全戰略的重大現實需求[1-3]。然而，西部大部分煤礦其上覆巖層存在白堊系志丹群砂巖，該巖層普遍分布有多層呈厚層至巨厚層狀的不同粒級石英長石砂巖，具有強度低、膠結性差、易風化、小斷層及節理層理不發育等特點[4-7]。經實測研究發現，該巖層地表移動變形特征與中東部礦區有較大差異[8-9]，在開采初期地表下沉量明顯偏小，開采沉陷規律不明確，且存在大能量礦震事件的安全隱患[10-13]，嚴重制約了西部礦井大范圍安全高效開采，亟待圍繞巨厚弱膠結覆巖深部開采能量事件與地表沉陷關系開展系統研究。

目前，已有不少學者針對西部巖層移動及礦震與地表沉陷相關性開展了研究：張廣學等[14]對營盤壕煤礦首采工作面地表移動觀測數據進行了詳細分析，結果表明該礦地表移動變形值相對較小；殷和健[15]在呼吉爾特礦區和納林河礦區上覆巖層的鉆孔數據基礎上，提出多層厚度較大且力學強度偏高的巖體控制了覆巖運動和地表沉陷，導致了該地區的下沉率較小；郭文兵等[16]通過分析弱膠結覆巖碎脹特性和重復采動的巖層運移規律，深入研究了覆巖離層發育高度與地表沉降之間的關系；呂鵬飛等[17]以東灘煤礦工作面為背景，運用理論分析及統計分析等方法，發現了工作面高位砂巖運動為礦震發生提供巨大動力源，是主導礦震的關鍵因素；王利等[18]對地表變形參量與沖擊地壓、礦井工作面涌水量關系進行了分析，研究發現巨厚覆巖下開采引起的地表變形具有連續性和非連續性特征，并與井下沖擊地壓、礦井水等災害有一定關系；馬祥等[19]以紅慶河煤礦工作面為例，基于微震監測數據分析了鄰空寬煤柱工作面回采過程中的微震分布特征，研究發現工作面回采過程中的微震分布受超前支承壓力、構造應力、應力集中等多個因素的共同影響；王乃國等[20]以新巨龍礦井沖擊地壓防治問題為背景，綜合分析微震監測和地表沉陷數據，驗證了巖層運動、地表沉陷與沖擊地壓發生之間的關聯性，可作為預測沖擊地壓的輔助參考依據。綜上所述，地表移動變形數據與礦震等動力災害存在一定相關性，能夠輔助礦震的預警。然而西部弱膠結礦區由于存在開采初期下沉值偏小的特殊性，難以利用其進行礦山動力災害的有效預測。因此，亟需掌握弱膠結礦區地表移動變形規律和微震發生規律，明確二者之間的聯動效應。

基于此，本文以弱膠結地層典型礦井石拉烏素煤礦為例，在1203 工作面與1208 工作面已有的地表移動變形數據和微震監測數據的基礎上，計算地表移動變形參數，統計微震次數和最大能量的變化規律，以此為基礎分析地表移動變形與微震之間的聯動效應，研究成果為西部礦區通過地表移動進行動力災害預報提供理論依據，對陜蒙礦區巨厚弱膠結覆巖深部安全開采提供技術支撐。

1 礦井概況

1.1 研究區位置與地質概況

石拉烏素礦井位于內蒙古自治區東勝煤田納林才登普查區，地處鄂爾多斯市境內，礦區可采煤層9 層，現階段回采2-2 上煤層和2-2 煤層，煤系地層基底為三疊系上統延長組（T3s），地層由老至新發育有侏羅系中下統延安組（J1-2y）、侏羅系中統直羅組（J2z）、侏羅系中統安定組（J2ɑ）、白堊系下統志丹群（K1zh)、第四系（Q4eol）全新統[21]。其中，上覆巖層白堊系下統志丹群砂巖（K1zh）平均厚度為330 m，巖性為各種粒級的中砂巖、細砂巖及含礫粗粒砂巖夾砂質泥巖、粉砂巖組成，統計砂巖占比95%，巖石堅硬程度為軟到較軟，孔隙度大，巖石間顆粒以接觸式膠結為主，膠結物含量小于總含量30%，結構松散，膠結性較差。由巖石力學實驗數據分析，該組巖層普遍抗拉強度小于2 MPa；抗壓強度小于20 MPa；彈性模量小于2 GPa；黏聚力小于10 MPa，力學參數普遍小于中東部礦區同類巖石參數下限。巖層具有強度低、結膠性差、易風化、小斷層及節理層理不發育等松、散、弱特性，但同時巖層由于節理層理不發育等特點，巖層整體性較強，整體呈剛性。這種巖性特點導致開采初期地表下沉值偏小，開采沉陷規律不明確，且伴隨有能量事件的發生，因此，探究該地區地表沉陷與能量事件的關系對該地區的煤炭資源安全開采尤為重要。

1.2 工作面開采條件

1203 工作面位于礦井中部，工作面煤層傾角整體變化不大，平均約2°，工作面東西傾向寬290 m，南北走向長3 380 m，煤厚4.2～5.8 m，地質條件較簡單。采用綜采放頂煤（采放比1∶1）工藝回采，走向長壁式布置，全部垮落法管理頂板，工作面布置如圖1 所示。1208 工作面位于12 盤區中部，工作面東西傾斜寬290 m，南北走向長3 238 m，工作面煤層埋深641～669 m，平均655.2 m；煤厚8.5～9.5 m，平均煤厚9.1 m。面內煤層傾角0°～3°，平均1°，地質條件簡單，采用綜采放頂煤（采放比1∶1）工藝回采，走向長壁式布置，全部垮落法管理頂板，工作面布置如圖1 所示。

圖1 工作面布置圖Fig.1 Layout of working face

2 工作面地表下沉觀測結果與分析

2.1 工作面地表下沉觀測情況

自2020 年1 月至2023 年5 月，對1203 工作面與1208 工作面進行了兩年左右的巖移觀測工作。對1203 工作面與1208 工作面分別進行了45 次高程測量和67 次高程測量，以及各工作面4 次平面測量的巖移觀測工作，取得了初步資料，為后續研究工作提供了可靠的基礎數據。同時，對地表巖移觀測數據進行了綜合分析，獲得了1203 工作面和1208 工作面地表最大下沉值等地表下沉與變形分布值、各種移動角值及各類巖移參數與地表移動規律。

該項目觀測站設置依據《煤礦測量規程》《煤礦測量手冊》《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》以及《＜全球定位系統實時動態測量（RTK）技術規范＞CH/T 2009—2010》布置。為保證地表移動變形觀測站測點能夠與地表土層的移動同步，221 上01 工作面地表移動變形觀測站測點采用混凝土預制樁和道釘布設，標石上面200 mm×200 mm、下面250 mm×250 mm、高600 mm，如圖2 所示。埋設前坑底加石灰或石屑夯實基礎，測點周圍隨填土分層夯實。測點埋設時，利用GPSRTK 將設計點位坐標輸入儀器進行現場放樣，實際布設與設計基本相同。

高程測量采用美國徠卡廠生產NA720 水準儀及木質水準尺按四等水準的測量規范要求進行觀測。水準測量均附合到各端的控制點上構成水準網，利用程序進行水準網平差，水準測量限差表見表1。

表1 水準測量限差Table 1 Limit deviation of leveling measurement

監測點的觀測利用山東省衛星定位連續運行綜合應用服務系統（SDCORS），采用三腳支架方式進行。測量過程中儀器氣泡嚴格穩定居中，獨立初始化觀測3 次，每次60 個歷元，平面較差均小于5 cm，取3次觀測成果的平均值作為本點的坐標成果。儀器的標稱精度均為：5 mm+1 PPm×D。

2.2 1203 工作面地表下沉觀測數據分析

1203 工作面傾向長度為290 m，走向長度為2 368 m，根據工作面實地勘測資料，在1203 工作面地表布設走向監測線D、傾向監測線C 和傾向監測線A，工作測點的編號、具體觀測線設置情況如圖3所示。

圖3 1203（綜放）工作面地表移動觀測站觀測線布設Fig.3 Layout of observation line of surface movement observation station on 1203（fully mechanized caving）working face

根據1203 工作面監測線取得的地表下沉移動觀測數據，繪制了不同觀測線上各點在開采過程中的下沉曲線圖，如圖4 和圖5 所示。

圖4 1203 工作面走向觀測線（D 線）各點在開采過程中的下沉移動曲線Fig.4 Subsidence movement curves of each point of 1203 working face strike observation line（line D）in the mining process

圖5 1203 工作面傾向觀測線（C 線）各點在開采過程中的下沉移動曲線Fig.5 Subsidence movement curves of each point of 1203 working face inclination observation line（line C）in the mining process

1203 綜采工作面于2020 年6 月開始回采，到2023 年2 月工作面仍在回采中，工作面首次觀測始于2020 年7 月21 日。分析圖4 和圖5 可知，隨著工作面的回采，地表下沉量逐漸增大，形成下沉盆地，地表下沉增加過程符合開采沉陷的一般規律。截至2023 年2 月10 日，工作站觀測到的點位最大下沉值為1 521 mm，位于C25 號測點處。綜觀整個沉降過程，未有異常現象，地表未產生塌陷坑，也未觀測到裂縫，整個下沉盆地形似鍋形。截至2023 年2 月10 日，1203 工作面回采至整個工作面中部，工作面距切眼約1 435 m，工作面走向和傾向地表下沉系數分別為0.07 和0.28，且下沉曲線未出現“平底”現象，由此推斷該采區未達到充分采動階段。根據觀測站的實測數據，以最后一期下沉數據為基礎，求取各觀測點的變形曲線，如圖6 和圖7 所示。

圖6 1203 工作面走向變形曲線圖Fig.6 Strike deformation curves of 1203 working face

圖7 1203 工作面傾向變形曲線圖Fig.7 Inclination deformation curves of 1203 working face

分析圖6 和圖7 可知，最大下沉出現在工作面中部偏開切眼側，走向與傾向下沉速度各有一個突變點，最大傾斜出現在工作面邊界上方，最大曲率出現在工作面邊界上方左右一定范圍之內，可能由于巨厚弱膠結覆巖具有整體性強、整體呈剛性的特點，地表最大下沉值與中東部礦區對比明顯偏小，但整個下沉盆地形態和地表下沉增加過程符合常規的巖層和地表移動變形規律。

2.3 1208 工作面地表下沉觀測數據分析

1208 工作面傾向長度為290 m，走向長度為3 228 m，由工作面實地勘測資料，在1208 工作面地表布設走向監測線和傾向監測線，并沿輸油管道布設監測點。工作面走向觀測線為H 線，傾向觀測線為J 線和L 線，工作測點的編號、具體觀測線設置情況如圖8 所示。

圖8 1208（綜放）工作面地表移動觀測站觀測線布設Fig.8 Layout of observation lines of the surface movement observation station on 1208（fully mechanized caving）working face

根據1203 工作面地表下沉移動觀測數據，繪制了不同觀測線上各點在開采過程中的下沉曲線圖，如圖9～圖11 所示。

圖9 1208 工作面走向觀測線（H 線）各點在開采過程中的下沉移動曲線Fig.9 Subsidence movement curves of each point of 1208 working face strike observation line（line H）in the mining process

圖10 1208 工作面傾向觀測線（L 線）各點在開采過程中的下沉移動曲線Fig.10 Subsidence movement curves of each point of 1208 working face inclination observation line（line L）in the mining process

圖11 1208 工作面傾向觀測線（J 線）各點在開采過程中的下沉移動曲線Fig.11 Subsidence movement curves of each point of 1208 working face inclination observation line（line J）in the mining process

綜采工作面于2020 年1 月開始回采，到2023 年2 月工作面仍在回采過程中，工作面首次觀測始于2020 年1 月2 日。截至2023 年5 月20 日工作站觀測到的點位最大下沉值為1 374.3 mm，位于H104 號測點處。由圖9～圖11 可知，工作面地表最大下沉出現在該工作面中部偏（已采）工作面方向，在走向監測點H96 至H101、傾向監測點L25 至L30 地表下沉值變化較大，這是由于其監測點在1206A 工作面附近，受到了1206A（已采）工作面的影響。根據觀測站的實測數據，以最后一期下沉數據為基礎，求取各觀測點的變形曲線，如圖12 和圖13 所示。

圖12 1208 工作面走向變形曲線圖Fig.12 Strike deformation curves of 1208 working face

圖13 1208 工作面傾向變形曲線圖Fig.13 Inclination deformation curves of 1208 working face

由圖12 和圖13 可知，最大下沉出現在工作面中部偏開切眼側，下沉速度符合規律無異常現象，最大傾斜出現在最大下沉處上方，最大曲率出現在工作面邊界上方左右一定范圍之內。巨厚弱膠結礦區地表下沉盆地形態及沉陷規律與中東部礦區相似，但整體地表下沉值相較東部偏小。

3 工作面大能量事件數據及結果分析

石拉烏素煤礦2020 年以來發生多次大能量事件，雖未造成井下采掘空間的破壞，但地面有輕微震感，對井下開采工作仍具有潛在威脅，因此，需要對礦山微震事件進行監測和數據分析。目前，石拉烏素煤礦裝備有SOS 微震監測系統，能夠監測頻率為0.1～150 Hz 的礦山震動，其精度需滿足監測102J 以上能量的震動，并能夠對其進行定位和能量計算。為了科學評估礦震事件對井上下的影響，探究地表沉陷與微震之間的聯動效應，為井下持續安全開采工作提供依據，對1203 工作面和1208 工作面的礦震監測數據進行了統計和分析。

3.1 1203 工作面回采期間礦震監測數據

根據1203 工作面推進期間的微震監測數據，繪制了1203 工作面最大能量、微震次數監測數據折線圖，如圖14 所示。

圖14 1203 工作面推進微震監測數據Fig.14 Microseismic monitoring data in the advance of 1203 working face

由圖14 可知，工作面推進距離從836 m 推進到1 424 m 時，開始進入了微震事件的活躍期。該階段共出現3 次105J≤E的大能量事件，分別為推進距離為836 m 時，監測到能量為4.78×106J 微震事件；推進距離為1 155 m 時，監測到能量為4.15×105J 微震事件；推進距離為1 424 m 時，測到能量為8.94×106J 微震事件，并且該階段微震發生次數明顯增加，最大微震發生次數達到175 次。

選取1203 工作面自2020 年6 月至2023 年4 月回采期間所監測到的最大能量進行統計分析，如圖15 所示。由圖15 可知，在103J≤E＜104J 區間的礦震頻次最多，占總頻次的49.422%，而能量僅占7.491%；105J≤E的礦震事件，能量占比最多，為68.873%，但頻次僅占0.434%。說明工作面回采期間微震事件大部分以小能量事件為主，對工作面能量釋放占主導作用的為105J≤E的礦震事件。

圖15 1203 工作面回采期間大能量礦震頻次和能量占比Fig.15 Frequency and energy proportion of large energy of mine earthquake in the mining process of 1203 working face

3.2 1208 工作面回采期間礦震監測情況

根據1208 工作面推進期間的微震監測成果，繪制了1208 工作面最大能量、微震次數監測數據折線圖，如圖16 所示。

由圖16 可知，隨著工作面的推進，1208 工作面具有2 個微震事件的活躍期，分別為推進距離635～1 196 m 和推進距離2 044～2 629 m。1208 工作回采期間發生的105J≤E的大能量事件總計9 次，兩個階段大能量事件與對應推進距離見表2。

表2 1208 工作面回采期間大能量事件匯總表Table 2 Summary of large energy events in the mining process of 1208 working face

選取1208 工作面自2019 年12 月 至2023 年4 月回采期間所監測到的最大能量進行統計分析，結果如圖17 所示。由圖17 可知，在104J≤E＜105J 區間的礦震頻次最多，占總頻次的39.56%，能量占比也最大，為50.817%；在103J≤E＜104J 區間的礦震頻次比104J≤E＜105J 區間略小，占總頻次的38.006%，而能量僅占6.409%；雖然105J≤E的礦震事件占比僅為0.935%，但能量占比較大，為42.388%。

圖17 1208 工作面回采期間大能量礦震頻次和能量占比Fig.17 Frequency and energy proportion of large energy of mine earthquake in the mining process of 1208 working face

3.3 地表移動變形與微震的聯動效應

選取1203 工作面和1208 工作面不同推進距離最大累計下沉和對應的能量值進行分析，不連續數據通過線性插值的方式進行內插處理，在此基礎上分別得到了隨工作面推進，1203 工作面和1208 工作面最大下沉與大能量事件的關系圖，如圖18 所示。

圖18 隨工作面推進最大下沉與能量事件關系圖Fig.18 Relationship between maximum subsidence and energy events in the advanc of working face

由圖18 可知，在1203 工作面的推進過程中，當推進距離分別達到437 m、839 m 和1 155 m 時，最大下沉曲線的斜率明顯增大，出現了最大下沉的突變點。同時，推進距離在接近最大下沉突變點附近，微震能量值也呈現明顯的波峰，隨著1208 工作面的推進，也出現了相似的規律。推進距離為2 289 m 和2 650 m 時，同樣出現了最大下沉的突變點，并且微震能量值也呈現出較大的能量峰值。

分析以上結果，巨厚弱膠結礦區地表沉陷與能量事件之間存在著關聯性，最大下沉值的突變往往伴隨著大能量事件的發生，微震監測結果與地表沉陷觀測結果得到的巖層運動規律基本一致。這是由于巨厚弱膠結地層覆巖隨著工作面的推進巖層產生了一定的能量積聚，同時巖層發生著小幅度的移動變形破壞；當能量聚集到達一定程度時，巖層中積聚的能量發生突然釋放，釋放的能量加劇了巖層移動變形破壞過程，當這一過程傳遞到地表時發生地表最大下沉值的突變，過程如圖19 所示。

圖19 地表沉陷與能量事件關聯性概念剖面圖Fig.19 Conceptual profile of surface subsidence and energy event correlation

4 結論

1）巨厚弱膠結地層地表移動變形下沉分布集中，最大下沉處均位于工作面中部偏向已采工作面側，整體地表下沉盆地形態及下沉增加過程與中東部相似，但在未達到充分采動時，西部巨厚弱膠結礦區地表下沉值相比中東部明顯偏小。

2）巨厚弱膠結礦區煤層回采過程中均存在微震事件的活躍期。在該階段，微震事件的能量和次數均較高，同時伴隨有105J≤E的大能量事件發生。統計分析發現，1203 工作面微震事件的頻次最高集中在103J≤E＜104J 區間，能量占比較小，而105J≤E的礦震事件雖然頻次較低，但在能量釋放上占據主導地位。1208 工作面微震事件的頻次集中在104J≤E＜105J 區間，能量占比最大。105J≤E的礦震事件雖然頻次較低，但在能量釋放上仍然占據重要地位，其能量占比僅次于104J≤E＜105J 區間。

3）巨厚弱膠結礦區地表沉陷與能量事件之間存在著關聯性，隨著工作面的推進，最大下沉值的突變往往伴隨著大能量事件的發生。微震監測結果與地表沉陷觀測結果得到的巖層運動規律基本一致，隨著大能量事件的發生，釋放的能量加劇了巖層移動變形破壞過程，這一過程傳遞到地表時發生地表最大下沉值的突變。