傾斜厚煤層綜放工作面煤柱-關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)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(yè)有限公司 硫磺溝煤礦，新疆 昌吉 831100；5.北京安科興業(yè)礦山安全技術(shù)研究院有限公司，北京 102299)

隨著國內(nèi)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(fā)，我國煤礦開采布局正逐漸向中西部進行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，內(nèi)蒙古和新疆礦區(qū)煤炭資源豐富，但其煤層多具有傾斜度大、煤層厚和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)更廣，容易導致高位巖層的失穩(wěn)及鄰近斷層構(gòu)造的活化，進而誘發(fā)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(fā)。隨著礦井開采范圍的增大，煤礦開采的地質(zhì)條件愈加復雜多變，礦震發(fā)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(fā)生機理和傾斜煤層煤柱失穩(wěn)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(jié)了采動誘發(fā)斷層滑移失穩(wěn)規(guī)律，工作面初次來壓及見方階段易誘發(fā)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(fā)礦震機理，結(jié)果表明開挖煤層與斷層面交叉區(qū)為礦震頻發(fā)區(qū)，沖擊危險性較高；翟明華等分析了巨厚堅硬巖層下關(guān)鍵工作面開采的震沖及沖震效應，基于覆巖空間結(jié)構(gòu)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(shù)值模擬方法對煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)誘發(fā)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定的煤柱剩余尺寸；張明等建立了厚硬巖層-煤柱結(jié)構(gòu)力學模型，研究了系統(tǒng)變形及失穩(wěn)特征，揭示了復采工作面煤柱失穩(wěn)誘發(fā)礦震機理；朱斯陶等將陜蒙礦區(qū)隔離煤柱誘發(fā)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(fā)3種動力災害的機理，提出了沖擊地壓-礦震協(xié)同控制的合理煤柱寬度；王樹立等在總結(jié)重復采動高位硬厚巖層礦震發(fā)生規(guī)律的基礎上，提出了“剪切滑落型”和“滑移沉降型”2種分區(qū)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(guī)律，揭示了巨厚巖層失穩(wěn)誘發(fā)礦震機理，優(yōu)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(tǒng)模型，研究了大范圍開采時單一煤柱失穩(wěn)引發(fā)煤柱系統(tǒng)失穩(wěn)進而誘發(fā)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(qū)遺留煤柱支撐頂板導致厚硬關(guān)鍵層懸頂面積大幅增大形成的“煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)誘發(fā)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(shù)值模擬、微震監(jiān)測等方法，系統(tǒng)研究了遺留煤柱-關(guān)鍵層覆巖空間結(jié)構(gòu)特征及遺留煤柱-關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，揭示了傾斜厚煤層綜放工作面覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)誘發(fā)礦震機理，建立了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型礦震發(fā)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(qū)傾斜寬度為180 m，(4-5)02采空區(qū)傾斜寬度為140 m，兩采空區(qū)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(wěn)定煤層。硫磺溝煤礦4-5煤層單軸抗壓強度為13.34 MPa，經(jīng)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(jù)遺留煤柱附近27-2鉆孔柱狀圖得到的4-5煤層頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)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(xiàn)的可能性。

表1 27-2鉆孔巖層結(jié)構(gòu)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(fā)生一次5.17×10J能量的礦震，產(chǎn)生震動震級約為3.1級。事件位置距離三采空區(qū)見方位置為58 m。礦震發(fā)生時地面震感強烈，井下工作面現(xiàn)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。“12·10”礦震發(fā)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(qū)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(qū)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(jiān)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(shù)的1.46%；能量超過1×10J的微震事件有29次，其中26次發(fā)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(fā)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(fā)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(cè)，說明(4-5)04/06工作面采空區(qū)巖層形成的小結(jié)構(gòu)與(4-5)02采空區(qū)巖層“連通”后形成的大結(jié)構(gòu)處于運動之中，由此形成的覆巖空間結(jié)構(gòu)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(xiàn)行開采狀態(tài)下存在“煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(fā)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(tài)，因此需對工作面回采階段覆巖空間結(jié)構(gòu)特征及“煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行深入研究，確保工作面后續(xù)開采的安全性。

2 傾斜厚煤層綜放工作面“煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型礦震理論分析

2.1 傾斜厚煤層綜放工作面“煤柱-關(guān)鍵層”覆巖空間結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)關(guān)鍵層理論可知，關(guān)鍵層穩(wěn)定性決定著工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)的運動狀態(tài)與分布特征，同時影響著“煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)內(nèi)煤柱應力分布特征及其穩(wěn)定性。由2019-11-06地表沉陷觀測數(shù)據(jù)可知，(4-5)02工作面地表下沉量3.312 m，下沉系數(shù)為0.51，(4-5)04工作面地表下沉量1.721 m，下沉系數(shù)為0.27，(4-5)06工作面采空區(qū)地表下沉量1.627 m，下沉系數(shù)為0.25。說明工作面回采之后，地表沉降量小，覆巖關(guān)鍵層保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，工作面未達到充分采動狀態(tài)，在煤柱支撐作用下，關(guān)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(cè)采空區(qū)覆巖和關(guān)鍵層共同組成了“煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)，煤柱與關(guān)鍵層相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一，形成了一個相對平衡的壓力自承結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

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

圖3 “煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)力學簡化模型

2.2 傾斜厚煤層遺留煤柱穩(wěn)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(qū)段工作面回采完畢，煤柱應力存在時間上的持續(xù)性，經(jīng)歷了3個主要的變化階段：(4-5)02上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響→(4-5)04下區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響→(4-5)06下區(qū)段采空區(qū)側(cè)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(cè)工作面回采范圍的變化存在一個動態(tài)演化過程。

遺留煤柱兩側(cè)采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)處于非充分采動狀態(tài)，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(qū)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(cè)采空區(qū)上覆巖層轉(zhuǎn)移應力之和。根據(jù)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(jié)構(gòu)，從而阻礙了上部采空區(qū)矸石對下部煤柱的擠壓，因此不考慮遺留煤柱上區(qū)段采空區(qū)垮落矸石的推力。據(jù)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(qū)傾向?qū)挾?為(4-5)04采空區(qū)和(4-5)06采空區(qū)傾向?qū)挾?,分別為煤柱兩側(cè)上、下區(qū)段采空區(qū)最大垮落高度距離煤柱寬度;和分別為煤柱兩側(cè)采空區(qū)埋深;,分別為兩側(cè)采空區(qū)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(qū)傳遞載荷和下采空區(qū)傳遞載荷，即

=++

(1)

根據(jù)幾何關(guān)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(wěn)定性力學分析

遺留煤柱在兩側(cè)采空區(qū)傳遞應力作用下出現(xiàn)應力均化，煤柱彈性核區(qū)應力呈均勻分布，并逐漸趨于整體失穩(wěn)破裂高應力臨界狀態(tài)，當其受到巖層斷裂動載擾動，最終發(fā)生煤柱整體失穩(wěn)?？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(wěn)臨界狀態(tài)。則煤柱整體失穩(wěn)沖擊傾向性指數(shù)為

(6)

2.3 關(guān)鍵層穩(wěn)定性分析

2.3.1 關(guān)鍵層應力演化特征分析

根據(jù)前述可知(4-5)06工作面回采期間，煤柱未失穩(wěn)前，煤柱與采空區(qū)覆巖形成的空間結(jié)構(gòu)特征如圖5所示。圖5中，,分別為遺留煤柱兩側(cè)采空區(qū)巖層斷裂角。

圖5 “煤柱-關(guān)鍵層”覆巖空間結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)煤柱承載的穩(wěn)定性可將關(guān)鍵層的力學特性分為2個階段：① 煤柱兩側(cè)采空區(qū)形成后，在煤柱支撐作用下，“煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，煤柱載荷來自上覆巖層自重及兩側(cè)采空區(qū)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(tài)；此時關(guān)鍵層在煤柱支撐下能夠承載范圍更大的巖層結(jié)構(gòu)，其力學特性表現(xiàn)為兩端固支、下部受彈性支撐的兩跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)；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(wěn)的臨界值時在工作面動載擾動下失穩(wěn)破壞，進而失去承載能力，此時關(guān)鍵層中部無支撐，關(guān)鍵層載荷向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，其力學特性變現(xiàn)為上部受載的兩端固支懸跨梁結(jié)構(gòu)。

2.3.2 關(guān)鍵層穩(wěn)定性力學分析

根據(jù)關(guān)鍵層力學特性可將煤柱失穩(wěn)后關(guān)鍵層簡化為兩端固支懸跨梁模型，為突出關(guān)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(guān)鍵層極限跨度力學計算模型，以關(guān)鍵層上端部中心為原點，沿關(guān)鍵層傾斜方向為軸，沿關(guān)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(zhuǎn)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(guān)鍵層截面彎矩為0，因此不考慮切向載荷作用力。

圖6 關(guān)鍵層極限跨度計算力學模型

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

根據(jù)圖6得到煤柱失穩(wěn)后關(guān)鍵層任一橫截面上的彎矩為

(7)

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

根據(jù)材料力學可知，兩端固支關(guān)鍵層任意點的正應力為

=

(8)

式中，為關(guān)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(guān)鍵層，隨著巖梁跨度的增大，固支端彎矩變大，關(guān)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(guān)鍵層力學特性由兩端固支梁變?yōu)閮啥撕喼Я?，進而引起關(guān)鍵層跨中彎矩變大，關(guān)鍵層最終發(fā)生破斷。因此若使關(guān)鍵層不發(fā)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(guān)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(jù)27-2鉆孔柱狀圖可知關(guān)鍵層厚度為272.77 m，取=273 m，則關(guān)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(shù)代入式(11)可得關(guān)鍵層的極限跨距=498 m。

根據(jù)硫磺溝煤礦地質(zhì)資料取==78°，=54 m，計算可得煤柱失穩(wěn)后關(guān)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(qū)上覆巖層貫通，關(guān)鍵層懸露跨度超過其極限跨度后發(fā)生拉伸破壞，從而誘發(fā)高能量礦震。

2.4 “煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型礦震力學機理

在非充分采動狀態(tài)下，遺留煤柱應力隨兩側(cè)采動程度變化，“煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)處于動態(tài)平衡狀態(tài)，煤柱對上覆巖層的支撐作用處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。當煤柱一側(cè)工作面回采擾動導致煤柱穩(wěn)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(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，關(guān)鍵層在力學特性上由中部有支撐梁轉(zhuǎn)變?yōu)橹胁咳踔位驘o支撐梁，在上覆巖層及自重應力作用下，關(guān)鍵層懸跨中心距增大，其端部所受拉應力逐漸增大，直至關(guān)鍵層端部被拉斷破壞，當關(guān)鍵層極限跨度超過時，巖層由兩端嵌固梁變?yōu)閮啥撕喼Я海瑥亩谏细矌r層自重應力的作用下產(chǎn)生拉伸破壞。

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

圖7 “煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)覆巖運動示意

2.5 “煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型礦震發(fā)生判別準則

“煤柱-關(guān)鍵層”覆巖空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性決定著結(jié)構(gòu)失穩(wěn)方式與類型，根據(jù)前述失穩(wěn)機理可知，“煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型礦震主要與煤柱整體失穩(wěn)沖擊傾向性指數(shù)和關(guān)鍵層極限跨距有關(guān),據(jù)此建立發(fā)生判別準則如下：

2.5.1 不發(fā)生礦震

(1)煤柱未失穩(wěn)，關(guān)鍵層不破斷。煤柱寬度較大或煤柱兩側(cè)采空區(qū)面積較小時，煤柱承受載荷未超過煤柱整體失穩(wěn)容許載荷，煤柱具有較強的支撐能力，煤柱兩側(cè)采空區(qū)覆巖未連通，且單側(cè)采空區(qū)懸露巖梁跨度均未達到極限破斷步距，此時系統(tǒng)保持穩(wěn)定不發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型礦震，條件為

(12)

(2)煤柱失穩(wěn)，關(guān)鍵層不破斷。煤柱寬度較小或煤柱兩側(cè)采空區(qū)面積較大時，煤柱承受載荷超過煤柱整體失穩(wěn)容許載荷，煤柱失去承載能力，兩側(cè)采空區(qū)覆巖連通，但懸露關(guān)鍵層跨度未達到極限破斷步距，此時系統(tǒng)保持穩(wěn)定不發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型礦震，條件為

(13)

式中，為采空區(qū)連通后關(guān)鍵層懸露跨度，=++。

2.5.2 發(fā)生礦震

(1)煤柱未失穩(wěn)，關(guān)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(wěn)容許載荷，煤柱具有較強的支撐能力，煤柱兩側(cè)采空區(qū)覆巖未連通，但煤柱一側(cè)采空面積較大，懸露巖梁跨度超過極限破斷步距，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)發(fā)生礦震，條件為

(14)

(2)煤柱失穩(wěn)，巖梁破斷。煤柱寬度較小或煤柱兩側(cè)采空區(qū)面積較大時，煤柱承受載荷超過煤柱整體失穩(wěn)容許載荷，煤柱失去承載能力，兩側(cè)采空區(qū)覆巖連通，且懸露關(guān)鍵層跨度超過極限破斷步距，此時系統(tǒng)失穩(wěn)發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型礦震，條件為

(15)

根據(jù)硫磺溝煤礦現(xiàn)場實際情況可知，(4-5)04和(4-5)06工作面開采后關(guān)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(guān)鍵層懸露跨度=563 m，當(4-5)06工作面回采時，煤柱整體失穩(wěn)沖擊傾向性指數(shù)≈2>1.5，關(guān)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(wěn)條件進而失去承載能力，關(guān)鍵層的極限跨度大于(4-5)04和(4-5)06采空區(qū)寬度，但小于(4-5)02采空區(qū)、(4-5)04采空區(qū)、(4-5)06采空區(qū)和遺留煤柱疊加寬度，關(guān)鍵層懸露跨度由雙采空區(qū)自穩(wěn)變?yōu)槿煽諈^(qū)懸空，最終超過其極限跨度發(fā)生破斷，誘發(fā)5.17×10J能量級礦震。通過現(xiàn)場實際情況計算驗證了礦震機理分析的正確性。

3 數(shù)值模擬及微震監(jiān)測分析驗證

3.1 煤柱穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析

根據(jù)硫磺溝煤礦地質(zhì)和開采技術(shù)條件，以該礦鉆孔柱狀圖為基礎，采用FLAC數(shù)值模擬軟件沿煤層傾向方向建立模型，數(shù)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(cè)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(jù)礦井地質(zhì)資料及鉆孔實測資料確定模型巖層的物理及力學參數(shù)。根據(jù)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(shù)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(shù)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(cè)采空區(qū)轉(zhuǎn)移應力，由于遺留煤柱兩側(cè)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(xù)回采后，遺留煤柱一側(cè)采空區(qū)面積增大，采空區(qū)上覆巖層轉(zhuǎn)移應力增大，遺留煤柱疊加應力升高，煤柱集中應力系數(shù)超過強沖擊危險，當其受到采掘擾動時，易發(fā)生整體破裂失穩(wěn)。

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(qū)分布剖面，由圖9(a)可知，(4-5)02/04工作面開采后，采空區(qū)遺留煤柱并未呈現(xiàn)出完全塑性屈服狀態(tài)，中間有長度約為20 m的彈性承載區(qū)(彈性核)。由圖9(b)可知，(4-5)02/04/06工作面開采后煤柱已經(jīng)完全處于塑性屈服狀態(tài)，無彈性承載區(qū)存在。彈性承載區(qū)煤體處于三向應力狀態(tài)，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(qū)，具有較好的承載能力；當(4-5)06工作面繼續(xù)回采后，40 m寬的煤柱已無彈性承載區(qū)，說明煤柱在高應力作用下不斷發(fā)生塑性破壞變形，直至煤柱塑性區(qū)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(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖9 煤柱塑性區(qū)演化云圖

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

3.2 關(guān)鍵層穩(wěn)定性的現(xiàn)場微震監(jiān)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(fā)生的最大標高與每日微震事件的總能量。根據(jù)每天的微震事件發(fā)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(jié)構(gòu)范圍主要在工作面上方80～120 m，巖層破裂高度穩(wěn)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(fā)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(fā)生破斷。根據(jù)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(guī)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(tài)，說明上覆巖層一直處于蓄能狀態(tài)。

圖10 每日微震事件發(fā)生的最大標高與微震事件總能量

根據(jù)4-5煤層上覆巖層結(jié)構(gòu)可知，在工作面上方有一組約300 m厚的巨厚砂巖組，結(jié)合前述可知，3個采空區(qū)上覆巖層已經(jīng)形成了一個大的覆巖空間結(jié)構(gòu)處于運動過程中，微震監(jiān)測結(jié)果表明(4-5)06工作面上方高位巖層發(fā)生斷裂，1×10J大能量事件只有在關(guān)鍵層即巨厚砂巖組發(fā)生破斷時才能產(chǎn)生。綜合現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，礦震發(fā)生的直接原因是工作面上方關(guān)鍵層失穩(wěn)斷裂。

4 “減震-防沖”技術(shù)

4.1 減震控制措施

根據(jù)文獻[22-23]研究可知，礦震及沖擊地壓的發(fā)生與工作面回采速度密切相關(guān)，在相同生產(chǎn)時間內(nèi)工作面回采速度越快，上覆關(guān)鍵層懸頂距越長，巖層內(nèi)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(guān)鍵層破斷釋放大能量礦震事件呈明顯的正相關(guān)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(shù)量曲線。共統(tǒng)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(shù)量為6個，大能量微震事件數(shù)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(shù)量為9個，大能量微震事件數(shù)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(shù)量為57個，大能量微震事件數(shù)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(shù)量為49個，大能量微震事件數(shù)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(shù)量為5個，大能量微震事件數(shù)量占比為4%(推采速度超過4.2 m/d共4 d，發(fā)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(guān)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(qū)與(4-5)04,(4-5)02等相鄰多個采空區(qū)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(qū)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(xù)出現(xiàn)大能量礦震事件(根據(jù)微震監(jiān)測結(jié)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(fā)生的次數(shù)和頻次。

(4-5)06工作面開采采空區(qū)與(4-5)04，(4-5)02等相鄰多個采空區(qū)貫通時，采空區(qū)上覆硬巖為同一組關(guān)鍵層，關(guān)鍵層運動狀態(tài)決定著3個采空區(qū)上覆巖層的運動，現(xiàn)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(nèi)僅發(fā)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(fā)生的能量和頻次。

4.2 防沖技術(shù)措施

根據(jù)前述分析可知，防止采場出現(xiàn)“震-沖”災害的關(guān)鍵在于保證井下工作面及兩巷煤體處于低應力狀態(tài)，因此按照“有震無災”的防治原則提出以下防沖技術(shù)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(jù)工作面劃分的沖擊地壓危險區(qū)程度施工相應的鉆孔參數(shù)(孔深、直徑和間距等)，對于已經(jīng)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(tài)。

(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(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)每日微震數(shù)據(jù)做出工作面11月回采期間的震源分布平面圖，并結(jié)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(jiān)測預警。采取鉆屑法、應力在線監(jiān)測及微震監(jiān)測結(jié)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(fā)生預警時及時停止作業(yè)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(xiàn)較強動力現(xiàn)象時應加強卸壓至無明顯動力顯現(xiàn)為止。

5 結(jié) 論

(1)建立了傾斜厚煤層遺留煤柱受力估算模型和關(guān)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(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型礦震發(fā)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(tài)，隨著(4-5)06工作面回采，遺留煤柱發(fā)生失穩(wěn)破壞，關(guān)鍵層懸露跨度超過其極限跨度，在采掘活動擾動下，關(guān)鍵層發(fā)生破斷，進而誘發(fā)礦震。

(2)考慮遺留煤柱整體失穩(wěn)沖擊傾向性指數(shù)和關(guān)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(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型礦震發(fā)生判別準則。

(3)通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證了理論分析的合理性，通過數(shù)值模擬對遺留煤柱不同回采階段的應力和塑性區(qū)演化規(guī)律進行了研究，結(jié)合現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)對比驗證了“煤柱-關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)誘發(fā)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(shù)的分析，提出了工作面合理推采速度應小于3 m/d，現(xiàn)場監(jiān)測表明，降低推采速度能夠有效降低礦震發(fā)生的頻次及能量。