高位巨厚覆巖運移規(guī)律及礦震觸發(fā)機制研究

白賢棲 ，曹安業(yè),2,3 ，楊 耀 ，王常彬 ，劉耀琪 ，趙迎春 ，郭文豪 ，顧穎詩 ，吳 震

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省礦山地震監(jiān)測工程實驗室, 江蘇 徐州 221116；3.徐州物碩信息技術(shù)有限公司, 江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 江蘇 徐州 221116；5.內(nèi)蒙古昊盛煤業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引 言

煤炭地下開采將引起上覆巖層的移動、破壞，最終可能造成地面沉降、地下水泄流、礦壓顯現(xiàn)等一系列礦山安全問題[1]。礦震是礦山壓力顯現(xiàn)的一種特殊形式，通常伴隨著彈性能快速釋放，并以震動波的形式向外傳遞[2]。強礦震活動不僅易誘發(fā)井下沖擊地壓，還可能造成地表晃動、塌陷、地面建筑物損傷等災(zāi)害[3]。我國已有超過120 多處礦井有發(fā)生強礦震的相關(guān)報道，尤其是近年來鄂爾多斯礦區(qū)隨著開采面積增大，強礦震現(xiàn)象越發(fā)頻繁[4]。2021 年來，鄂爾多斯某礦就發(fā)生了5 次2.0 級以上的強礦震事件，造成礦井停產(chǎn)，限產(chǎn)總計290 余天，嚴重影響了礦井的正常生產(chǎn)秩序。

鄂爾多斯礦區(qū)侏羅紀煤層厚度較大，常采用綜合放頂煤工藝回采；并且覆巖中常見巨厚白堊系層狀砂巖組，該砂巖層組距離煤層較遠、層厚較大、整體性較好，工作面回采后地表下沉偏小，形成的覆巖結(jié)構(gòu)跨度較大[5]，當采空區(qū)面積較大時該巨厚覆巖發(fā)生破斷、滑移容易誘發(fā)“巨厚覆巖型礦震”[6]。因此，深入研究鄂爾多斯礦區(qū)頂板巖層結(jié)構(gòu)與覆巖運移規(guī)律，對于揭示巨厚覆巖型礦震觸發(fā)機制具有重要的意義。

然而，采動巖層運移規(guī)律是一個非常復(fù)雜的“黑箱”問題，至今仍難以準確判識巖層運移規(guī)律[7]。在理論研究方面，國內(nèi)外學(xué)者針對巖層移動特征提出了多種假說和理論，有代表性的有壓力拱假說、懸臂梁假說、鉸接巖塊假說、關(guān)鍵層理論、砌體梁理論以及彈性薄板理論等[8]，其中錢鳴高[9]提出的關(guān)鍵層理論，將煤層至關(guān)鍵層的巖層運動進行統(tǒng)一研究，為研究煤礦采動覆巖結(jié)構(gòu)的形成與失穩(wěn)提供了理論依據(jù)?，F(xiàn)場監(jiān)測方面，錢鳴高等[10]采用鉆孔深基點監(jiān)測方法對下煤層開采后頂板巖層內(nèi)部移動規(guī)律開展了研究；張海峰等[11]采用空間地震探測技術(shù)、地面鉆孔窺視技術(shù)、地表沉降監(jiān)測技術(shù)等綜合分析了綜放工作面覆巖變形和破壞規(guī)律；于斌等[12]采用地表沉陷-覆巖運移-井下礦壓的“三位一體”聯(lián)動觀測，研究了堅硬頂板特厚煤層開采大空間遠、近場巖層失穩(wěn)破斷特征；鞠金峰等[13]采用地面鉆孔原位監(jiān)測方法，開展了深井大采高條件下覆巖內(nèi)部移動規(guī)律研究；以上研究對揭示采動巖移問題提供了較為實用的技術(shù)手段。

針對采動覆巖活動誘發(fā)礦震問題，姜福興等[14]和成云海等[15]對堅硬厚覆巖的空間結(jié)構(gòu)進行了研究，揭示了高能量礦震事件與巖層運動間的關(guān)系；曹安業(yè)等[16]通過研究采動煤巖破裂模式得到厚硬巖層剪切破斷、滑移失穩(wěn)更易誘發(fā)強礦震；竇林名等[17]結(jié)合現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了采動覆巖空間結(jié)構(gòu)OXF-T 演化規(guī)律，得到主關(guān)鍵層破斷期間大震動發(fā)生密度增加；王樹立等[18]研究了高位巨厚紅層砂巖破斷及其動力響應(yīng)特征，發(fā)現(xiàn)高能量礦震事件主要由紅層損傷引起。

綜上可知，堅硬厚巖層的破斷、滑移容易誘發(fā)高能量礦震，但高位巖層的內(nèi)部活動規(guī)律難以獲取，并且針對厚硬頂板大多以薄板理論研究其運動規(guī)律及動力響應(yīng)，如何準確揭示高位巨厚覆巖的內(nèi)部活動規(guī)律與演化過程是高位“巨厚覆巖型礦震”防控的基礎(chǔ)。因此，以鄂爾多斯某礦221上08 綜放工作面開采過程中發(fā)生的3 次強礦震事件為研究背景，基于符拉索夫厚板理論，結(jié)合地面探測孔、地表沉降以及微震監(jiān)測技術(shù)，對綜放開采巨厚覆巖結(jié)構(gòu)內(nèi)部活動規(guī)律及高位覆巖運動誘發(fā)礦震機制進行了研究，以期為高位“巨厚覆巖型礦震”災(zāi)害的預(yù)防與治理提供理論支撐。

1 工程背景

鄂爾多斯某礦井田面積約70.64 m2，核定生產(chǎn)能力8.0 Mt/a。礦井221 盤區(qū)南翼工作面開采2-2 煤層（2-2上與2-2中煤層合層），煤層平均厚度為9.26 m，采用綜合放頂煤工藝。2-2 煤層為近水平煤層，地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，埋深為640～711 m。221 盤區(qū)南翼開采順序為221上06A→221上08 工作面，其中221上06A工作面寬度為290 m，推進長度約1 120 m，工作面于2017 年9 月開始回采，2019 年10 月回采結(jié)束；221上08 工作面寬度為290 m，2019 年12 月開始回采，2021 年4 月回采至221上06A 開切眼位置，截至2021-12-20，221上08 工作面已通過221上06A 開切眼398.2 m。兩采空區(qū)之間留設(shè)5 m 的窄煤柱，礦井安裝有SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)，工作面及微震監(jiān)測臺站布置如圖1 所示。

圖1 221上08 工作面及礦震發(fā)生位置Fig.1 Location of longwall and mine earthquake in the 221上08 working face

221上08 工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)如圖2 所示，自上而下依次為第四系Q4（湖泊相沉積層、沖洪積層和風(fēng)積層，層厚0～50 m）；白堊系下統(tǒng)志丹群K1（2-2 煤層上方300 m 左右，層厚250～350 m，中粒砂巖、細粒砂巖互層）；侏羅系中統(tǒng)安定直羅組J2（煤層上方0～300 m 范圍，砂質(zhì)泥巖、砂巖層互層）；侏羅系中下統(tǒng)延安組J1-2y（砂巖、砂質(zhì)泥巖和煤層，含煤地層）。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，2-2上煤層及頂板巖層的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1，其中細粒砂巖、中粒砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)相近；經(jīng)鑒定2-2上煤層及頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，工作面評價具有中等沖擊危險性。

圖2 221上08 工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic of the strata structure in the 221Upper 08 working face

表1 221 采區(qū)覆巖主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Main physical and mechanical parameters of the overlying strata in 221 mining area

隨著開采面積的不斷增加，221上08 工作面自2021 年以來發(fā)生多次強礦震事件，雖未造成井下采掘空間的破壞，但導(dǎo)致地面有輕微震感，社會影響劇烈，嚴重制約了礦井的正常生產(chǎn)秩序。截至2021-12-20，內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局共監(jiān)測221上08 工作面發(fā)生3 次地震震級2.0 級以上的強礦震；同時，SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的強礦震波形如圖3 所示，強礦震具體發(fā)生情況見表2。

圖3 221上08 工作面強礦震波形Fig.3 Mine earthquakes wave diagram in the 221Upper 08 working face

表2 221上08 工作面強礦震發(fā)生情況Table 2 Occurrence of mine earthquakes in the 221Upper 08 working face

S 波與P 波的能量比，是快速判別礦震震源破裂類型的一個重要標志，ES/EP較小時（ES/EP＜40）礦震震源的破裂模式以張拉破裂為主[19]。221上08 工作面3 次強礦震的ES/EP均在10 左右，根據(jù)Gibowicz等[20]研究表明，這3 次強礦震均與采空區(qū)頂板的張拉斷裂、冒落等破裂活動有關(guān)。

2 巨厚覆巖結(jié)構(gòu)演化監(jiān)測情況

2.1 巨厚覆巖結(jié)構(gòu)內(nèi)部巖移監(jiān)測

為對221上08 工作面開采期間覆巖內(nèi)部巖移情況進行有效監(jiān)測，在221上08 工作面對應(yīng)的地表布置了3 個地面直通式離層探測孔（也作離層水導(dǎo)流孔使用），其中A 號、B 號探測孔位于221上08 工作面實體煤回采段，井下位置分別處于221上08 工作面中心線上距開切眼305 m、750 m 處；C 號探測孔221上08 工作面鄰空回采段，距221上06A 面開切眼260 m。探測孔A 號共鉆進540.9 m，終孔位于2-2煤頂板以上105.6 m；探測孔B 號共鉆進555.5 m，終孔位于2-2 煤頂板以上93.8 m；探測孔C 號共鉆進567.2 m，終孔位于2-2 煤頂板以上84.9 m。工作面涌水量與工作面進尺關(guān)系如圖4 所示。

圖4 221上08 工作面涌水量與進尺關(guān)系Fig.4 Diagram of relation between water inflow and stoping speed of the 221Upper 08 working face

工作面涌水量主要有3 個劇烈增加的階段，依次在推過A 號、B 號、C 號3 個探測孔附近，表明工作面推過探測孔后，采空區(qū)頂板破斷，離層導(dǎo)流孔中的水涌入采空區(qū)，增加了工作面的涌水量[21]。工作面實體煤回采階段，涌水量較少，過A 號探測孔約16.2 m 時工作面涌水量劇增，過A 號孔101.0 m 時工作面涌水量處于平穩(wěn)階段，維持在355 m3/h 左右；工作面推過B 號探測孔40.0 m 時工作面涌水量再次急劇增加，推過B 號孔約160.0 m 時工作面涌水量維持在600 m3/h 左右。工作面鄰空回采階段，涌水量較大，特別是工作面過C 號探測孔71.4 m 時工作面涌水量快速增加。

同時，煤礦對A 號、B 號、C 號3 個探測孔進行了電視成像窺視。A 號探測孔白堊系砂巖組厚度為323.9 m，距煤層309.0 m；B 號鉆孔探測孔白堊系砂巖組厚度為301.1 m，距煤層326.9 m；C 號探測孔白堊系砂巖組厚度為324.6 m，距煤層309.9 m。工作面推過A 號探測孔后，在距煤層308.5 m 處（白堊系巖層下方）開始出現(xiàn)裂縫；推過B 號探測孔后，在距煤層326.5 m 處（白堊系巖層下方）開始出現(xiàn)裂縫；推過C 號探測孔后，裂縫擴展至煤層上方444.8 m 處（白堊系巖層內(nèi)），具體窺視情況如圖5 所示。

圖5 221上08 工作面鉆孔窺視情況Fig.5 Surface borehole sight imaging of the 221Upper 08 working face

2.2 巨厚覆巖結(jié)構(gòu)地表沉降監(jiān)測

煤礦在221上08 工作面對應(yīng)的地表布置了地表巖移監(jiān)測線。221上08 工作面回采期間地表沉降等值線如圖6 所示（2021-12-20 觀測），工作面實體煤回采階段地表下沉量較小，并且維持在一個穩(wěn)定值；工作面進入鄰空回采階段地表下沉量急劇增加，最大下沉量達到了0.8 m 以上。

圖6 221上08 工作面地表下沉等值線（2021-12-20）Fig.6 Surface subsidence contour map of the 221Upper 08 working face （2021-12-20）

221上08 工作面回采各時間段走向線H 對應(yīng)的地表沉降情況如圖7 所示。實體煤回采階段，隨工作面推進，地表下沉量逐漸增大，當工作面推采約1 300 m時，地表下沉量達到穩(wěn)定值，維持在0.18 m 左右，繼續(xù)下沉的趨勢較??；結(jié)合覆巖內(nèi)部巖移觀測，工作面推過A 號、B 號探測孔時白堊系巨厚覆巖內(nèi)無裂隙產(chǎn)生。表明實體煤段工作面寬度較小，隨工作面的推進白堊系巨厚覆巖層沒有發(fā)生破斷，巨厚覆巖處于彎曲下沉的狀態(tài)，具有形成離層結(jié)構(gòu)的條件。

圖7 221上08 工作面走向線H 的地表下沉情況Fig.7 Surface subsidence of strike line H of the 221Upper 08 working face

鄰空回采階段地表下沉量變化明顯，工作面推采約2 100 m 時距開切眼1 900～2 000 m 范圍的地表開始出現(xiàn)相對抬升現(xiàn)象，之后隨工作面繼續(xù)推進抬升效應(yīng)逐漸增加；當工作面推采約2 200 m 后距開切眼2 000 m 的區(qū)域地表沉降量呈臺階式迅速增加，巨厚覆巖層活動性增強[7]；同時2021-08-08～2021-09-08 日地表沉降量急劇增加，發(fā)生“8·20”礦震后，工作面停產(chǎn)期間，地表沉降量繼續(xù)由0.41 m 增加至0.47 m。表明在實體煤段巨厚覆巖結(jié)構(gòu)處于彎曲下沉階段，頂板結(jié)構(gòu)儲存大量彈性能，當鄰空側(cè)巨厚覆巖結(jié)構(gòu)破斷滑移后，實體煤段巨厚覆巖結(jié)構(gòu)儲存大量彈性能開始釋放，頂板承載減小，此時地表開始出現(xiàn)相對抬升的趨勢；同時，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)在實體煤段與鄰空段交界位置發(fā)生了破斷滑移，地表沉降處于臺階式下沉的狀態(tài)；巨厚覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生初次破斷后，頂板結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，地表沉降繼續(xù)增加。

2.3 巨厚覆巖結(jié)構(gòu)破斷特征

221上08 工作面頂板破斷情況見表3，實體煤回采段，工作面推過A 號鉆孔16.2 m 時頂板垮落擴展至鉆孔底部位置，頂板破裂角較大，這也解釋了工作面隨采隨冒的特征；之后由于高位頂板結(jié)構(gòu)具有一定的支撐作用，頂板破斷至白堊系砂巖層下方，頂板破裂角逐漸減小至72°。推過B 號鉆孔時頂板破裂角有所減小，這是因為在此期間工作面回采速度較大（過B 號孔時回采速度平均為8 m/d，過A 號探測孔平均為4 m/d），頂板巖層結(jié)構(gòu)還存于調(diào)整階段，頂板垮落存在一定的滯后性，因此該階段頂板破斷角較小[22]。

表3 221上08 工作面頂板破斷角分布情況Table 3 Distribution of roof rupture Angle of the 221Upper 08 working face

鄰空回采階段，工作面推過C 號探測孔71.4 m時，涌水量開始增加，頂板破裂高度達到頂板以上309.9 m 處；推過鉆孔133 m 時巨厚覆巖層產(chǎn)生裂隙，并在孔深207.3 m 處套管斷開，此時頂板破裂高度達到頂板以上444.8 m 處，頂板破裂角相對實體煤回采階段有所增加，巨厚覆巖層以下頂板破斷角增加至77°。結(jié)合221上08 工作面回采期間地表沉降情況可得，綜放開采頂板結(jié)構(gòu)破斷特征如圖8 所示。

圖8 綜放開采頂板結(jié)構(gòu)破斷剖面特征圖Fig.8 Fracture characteristics of roof structure section in fully-mechanized caving mining

3 巨厚覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

3.1 巨厚覆巖初次破斷條件

誘發(fā)礦震的巖層運動范圍往往超過常規(guī)礦山壓力的研究范疇，主要體現(xiàn)在相鄰采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、大范圍采空區(qū)高位巨厚覆巖層的斷裂。根據(jù)板的相關(guān)理論，當覆巖厚度與工作面長度之比大于1/5 時，應(yīng)結(jié)合實際情況采用厚板理論求解[18]。根據(jù)符拉索夫厚板理論[23]，矩形厚板的彎距可表示為：

其中：D為厚板的抗彎剛度，D=Eh3/12(1-μ2)；ψx、ψy分別為x、y兩個常數(shù)截面的轉(zhuǎn)角；μ為巖石的泊松比；w為板的擾度；E為板彈性模量；h為板厚度。巨厚覆巖結(jié)構(gòu)在破斷前，處于四邊固支條件下，其邊界條件為：

其中：a為厚板的長度；b為厚板的寬度。根據(jù)邊界條件，轉(zhuǎn)角、擾度、載荷均可展開為雙三角函數(shù)[25]，同時Mx和My在結(jié)構(gòu)上具有良好的輪換性，且Mx、My均在x=a/2 和y=b/2 處有最大值。因此，令Mmax=Mx,max，將邊界條件代入式(1)可得：

式中：G為剪切變形模量；q為覆巖上覆載荷。

厚板下表面的最大拉應(yīng)力為：

在頂板彎曲過程中，當最大拉應(yīng)力達到極限抗拉強度后，巨厚巖層發(fā)生破斷，即：

當厚板無限長時（b→+∞），可得到厚板的極限破斷步距：

同時，當厚板a=b時，頂板發(fā)生正“O-X”破斷：

針對221上08 工作面，白堊系巨厚砂巖層距煤層約300 m，層厚最小為250 m，上覆載荷按埋深50 m的等效載荷計算，巖層的泊松比為0.22，抗拉強度2.62 MPa，可得白堊系巨厚砂巖組的破斷極限破斷步距為185.8 m，當a=b=336.5 m 時發(fā)生正“O-X”破斷。因此，巨厚覆巖懸露寬度b和覆巖破斷步距a之間的關(guān)系如圖9 所示。

圖9 巨厚覆巖結(jié)構(gòu)演化Fig.9 Structural evolution of extremely thick strata

同時，工作面推進過程中，覆巖由下而上逐漸產(chǎn)生破斷運動，在朝向采空區(qū)內(nèi)逐漸形成巖層垮落角。因此，覆巖的懸露尺度并不等于工作面的推進長度及工作面寬度，兩者需滿足：

式中：Lx為工作面推進長度；Ly為采空區(qū)寬度；hi為巨厚覆巖距煤層距離；β為巖層垮落角。其中，巖層垮落角需根據(jù)礦井覆巖實際垮落情況進行確定。

3.2 巨厚覆巖周期破斷條件

巨厚覆巖頂板在發(fā)生初次破斷后，隨著工作面繼續(xù)向前推進，覆巖結(jié)構(gòu)將再次發(fā)生周期破斷。同時，巨厚覆巖發(fā)生初次破斷后，由于煤層厚度較大破斷回轉(zhuǎn)量增加，巨厚覆巖層逐漸形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)[24]。因此，覆巖周期破斷步距常按照懸臂梁結(jié)構(gòu)確定[8]，根據(jù)材料力學(xué)公式：

式中：σ為覆巖的極限抗拉強度σt；J為梁的中性軸斷面矩，J=h3/12；Y為h/2（h為巖層厚度）；M為懸臂梁截面上的彎矩，M=-q(L-x)2/2，其最大彎矩為Mmax=qL2/2，則懸臂梁的極限跨距L為：

將221上08 工作面頂板巖層物理力學(xué)參數(shù)代入式(11)，得到白堊系巨厚砂巖組的周期破斷步距最小約為79.0 m，隨巨厚覆巖厚度增加而增加。

3.3 巨厚覆巖結(jié)構(gòu)演化情況

結(jié)合221上08 工作面開采頂板結(jié)構(gòu)破斷特征，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律如圖10 所示。221上08 工作面實體煤段，工作面寬度為290 m，工作面傾向方向頂板垮落角按72°計算，可得白堊系巨厚覆巖結(jié)構(gòu)的懸露寬度b≈105.0 m，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不垮落，不具備破斷的幾何條件。

圖10 221上08 工作面巨厚覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律Fig.10 Structural evolution of extremely thick strata in the 221Upper 08 working face

221上08 工作面鄰空段，工作面寬度約590 m，頂板垮落角按照77°計算，可得白堊系巨厚覆巖結(jié)構(gòu)的懸露寬度b≈451.5 m，當工作面推進約324.3 m 時，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)呈豎“O-X”破斷；當工作面繼續(xù)推進至少約83.7 m 時，白堊系巨厚覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生周期性破斷；并且隨工作面繼續(xù)推進，工作面再次發(fā)生周期性破斷，還可能誘發(fā)強礦震事件。

4 巨厚覆巖破斷能量演化及礦震觸發(fā)機制

4.1 巨厚覆巖結(jié)構(gòu)破斷能量釋放規(guī)律

巨厚覆巖結(jié)構(gòu)破斷過程中，其彈性能的來源主要為頂板彎曲彈性能，根據(jù)懸頂系統(tǒng)貯能模型[3]，得到巨厚覆巖結(jié)構(gòu)破斷釋放的彈性能大小為：

式中：UW1、UW2分別為巨厚覆巖結(jié)構(gòu)初次、周期破斷釋放的彈性能；q為巨厚覆巖自重及其上覆載荷；L1、L2分別為巨厚覆巖結(jié)構(gòu)初次、周期破斷步距；b為巨厚覆巖結(jié)構(gòu)的懸露跨度；E為巨厚覆巖的彈性模量；h為巨厚覆巖厚度。

巨厚覆巖破斷后，釋放的彈性能大多以動能、熱能等形式釋放，地震效率（以震動波的形式釋放能量與釋放的彈性能之比）ψ僅為0.26%～ 3.6%[25]；將巨厚覆巖結(jié)構(gòu)的初次破斷步距185.8 m，周期破斷步距83.7 m 代入式(12)，得到白堊系巨厚覆巖結(jié)構(gòu)初次、周期破斷釋放的彈性能分別為5.52×108J、1.49×108J。地震效率按最小值0.26%計算，則巨厚覆巖結(jié)構(gòu)初次、周期破斷產(chǎn)生的震動波最小能量分別為1.43×106J、3.87×105J；并且巨厚覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生初次破斷后，并不會一次完全釋放能量，當巨厚覆巖在破斷調(diào)整過程中，仍會再次釋放能量。

4.2 巨厚覆巖結(jié)構(gòu)破斷能量演化情況

礦井南翼綜放工作面回采期間能量大于1.0×104J 的微震平面定位及頂板結(jié)構(gòu)破斷情況如圖11 所示。綜放實體煤回采階段，工作面寬度為290 m，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不具備破斷的幾何條件，僅出現(xiàn)小于1.0×105J 的微震事件，并且大多積聚在工作面內(nèi)部，微震平面分布位置與實體煤段地表沉降較大的位置重合度較高。

圖11 221上08 工作面開采震源定位及頂板結(jié)構(gòu)破斷平面圖Fig.11 Microseismic location and fracture plan of roof structure in the 221Upper 08 working face

綜放鄰空回采階段，采空區(qū)寬度為580 m，產(chǎn)生多次能量大于1.0×105J 的微震事件，并且在工作面后方采空區(qū)及側(cè)向采空區(qū)內(nèi)發(fā)生了多次2.0 級以上的強礦震。當工作面推過221上06A 開切眼289.9 m，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生豎“O-X”型初次破斷、調(diào)整，誘發(fā)了2021-08-20”、“2021-08-29”礦震，且震源位置位于“O-X”型破斷線附近；工作面繼續(xù)推進約100 m，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生周期性破斷，誘發(fā)了“2021-12-20”礦震，震源位置同樣位于周期性破斷線附近?；九c理論計算相符。

4.3 巨厚覆巖破斷礦震觸發(fā)機制

綜上，高位巨厚覆巖破斷礦震觸發(fā)機制為：當采空區(qū)面積較小時，頂板破斷高度較小，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)懸頂面積較小，達不到垮落的面寬條件，容易形成類似短壁工作面開采或巷道的情形，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不發(fā)生破斷；當采空區(qū)面積增加時，隨工作面推進長度增加，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)達到極限破斷步距后，開始發(fā)生初次破斷，容易誘發(fā)強礦震事件；巨厚覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生初次破斷后，并不會一次完全釋放能量，仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當巨厚覆巖在破斷調(diào)整過程中，會再次產(chǎn)生強礦震；隨著工作面繼續(xù)回采，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)再次發(fā)生周期性大尺度破裂，仍可能誘發(fā)強礦震事件。

5 結(jié) 論

1）采用地面離層水導(dǎo)流孔結(jié)合孔內(nèi)電視成像開展了巨厚覆巖結(jié)構(gòu)內(nèi)部活動監(jiān)測。實體煤回采階段采空區(qū)面積較小，低位頂板垮落較為迅速，頂板破斷角64°～72°，高位巨厚覆巖結(jié)構(gòu)無明顯裂隙產(chǎn)生；鄰空回采階段，頂板破斷高度向巨厚覆巖層擴展，巨厚覆巖層產(chǎn)生裂隙，巨厚覆巖下頂板破裂角增加至77°。

2）地表沉降數(shù)據(jù)表明，實體煤回采階段，地表下沉量穩(wěn)定在0.18 m 左右，繼續(xù)下沉的趨勢較小；鄰空回采階段，在實體煤段與鄰空段交界位置地表有相對抬升的趨勢，之后在抬升位置交界處地表呈臺階式下沉。

3）基于符拉索夫厚板理論分析了巨厚覆巖結(jié)構(gòu)的破斷機制。鄂爾多斯某礦白堊系巨厚覆巖厚度較大、強度較高，鄰空回采階段工作面推進約324.3 m 時，巨厚覆巖結(jié)構(gòu)具備發(fā)生初次破斷的條件；其周期破斷步距為83.7 m。

4）根據(jù)微震監(jiān)測情況結(jié)合關(guān)鍵層破斷條件分析了巨厚覆巖破斷觸發(fā)礦震機制。綜放鄰空回采階段，頂板破裂高度逐漸擴展至高位巨厚砂巖組，該巨厚覆巖層發(fā)生豎“O-X”型初次破斷、滑移以及周期性破斷易誘發(fā)強礦震事件。