呂進國,姜耀東,李守國,任蘇迪,姜文忠,張占存

(1．煤科集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧沈陽 110016;2．中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083;3．中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;4．神華神東煤炭集團有限責任公司寸草塔礦,內蒙古鄂爾多斯 017200)

巨厚堅硬頂板條件下斷層誘沖特征及機制

呂進國1,姜耀東2,3,李守國1,任蘇迪4,姜文忠1,張占存1

(1．煤科集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧沈陽 110016;2．中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083;3．中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;4．神華神東煤炭集團有限責任公司寸草塔礦,內蒙古鄂爾多斯 017200)

為了揭示巨厚堅硬頂板條件下斷層誘發(fā)沖擊地壓的前兆特征及誘沖機制,基于義馬躍進煤礦25110工作面為研究對象,對某段時間內沖擊現(xiàn)象的發(fā)生規(guī)律進行了歸納分析,針對斷層誘發(fā)沖擊地壓的典型案例,結合微震監(jiān)測數(shù)據(jù),分析了沖擊地壓發(fā)生前的微震能量與頻次及微震活動的時空規(guī)律,并采用數(shù)值模擬研究了采動影響下斷層帶附近應力場的分布特征,從地質構造、微震活動、應力場3個方面討論了該工作面沖擊地壓發(fā)生的原因及機制。研究表明：巨厚堅硬頂板被F16逆斷層及兩正斷層切割,易造成頂板大面積運動,為沖擊地壓的發(fā)生提供了動載條件;工作面發(fā)生沖擊前微震能量與頻次下降,斷層帶附近區(qū)域微震活動減少,有明顯“缺震”現(xiàn)象,為沖擊地壓的發(fā)生積聚了能量;受采動、斷層及相鄰工作面采空區(qū)影響,25110工作面形成了高強度支承壓力,斷層帶至下巷附近應力高度集中,尤其下巷底板存在較高的水平應力,為沖擊地壓的發(fā)生提供了力源條件。

巨厚堅硬頂板;斷層;微震;沖擊地壓;應力場

沖擊地壓是煤礦開采中典型的動力災害之一,由于其力學環(huán)境、發(fā)生地點、微觀及宏觀顯現(xiàn)具有多樣性,它的顯現(xiàn)強度及破壞程度相差較大。在同一條件下,有的煤層發(fā)生,有的煤層不發(fā)生,有的區(qū)域發(fā)生,有的區(qū)域則不發(fā)生,由此可知,引起沖擊地壓的發(fā)生是多方面的[1-5]。根據(jù)國內大量沖擊地壓礦井的統(tǒng)計分析來看,具有沖擊危險性的煤層,通常有一層厚且堅硬的頂板巖層,尤其地質構造發(fā)育的區(qū)域通常更易發(fā)生沖擊地壓、煤與瓦斯突出及礦震等礦山動力災害[6-11]。特別是在巨厚堅硬頂板與斷層共同影響下,沖擊地壓災害往往具有破壞性強、發(fā)生較為頻繁、突然而劇烈的特點[12]。例如2008年義馬千秋煤礦21201綜采工作面下副巷發(fā)生“6·5”沖擊地壓事故,巷道破壞范圍達100余米,沖擊嚴重的區(qū)域巷道完全合攏,事故共造成13人死亡、11人受傷。2011年千秋煤礦21221下巷掘進工作面發(fā)生了“11·3”特大沖擊地壓事故,下巷380 m向里巷道嚴重的擠壓垮冒,480 m處巷道基本合攏,造成75人被困,10人遇難。可見,對于此類型沖擊地壓的分析和研究是非常必要的。

近年來,國內外專家學者們對于巨厚堅硬頂板條件下的斷層誘沖擊機制研究較少,使得難以掌握此種類型沖擊地壓的發(fā)生機制。因此,本文以義馬躍進煤礦25110工作面為主要研究對象,分析歸納了該工作面某段時間內沖擊現(xiàn)象的發(fā)生規(guī)律,從而選取典型案例并結合微震監(jiān)測數(shù)據(jù),揭示沖擊地壓發(fā)生前的微震釋能與頻次及微震活動的時空規(guī)律及前兆特征,并采用數(shù)值模擬研究采動影響下斷層帶附近應力場的分布特征,從地質構造、微震活動、應力場等3個主要方向共同闡述此種沖擊類型的發(fā)生原因及機制。

1 義馬躍進煤礦工作面條件

1.1 工作面地質條件

義馬躍進煤礦25110工作面開采2-1煤層,采深800～1 200 m。工作面煤層厚度7．4～13．8 m,煤層較脆且硬度較低(f=1),煤層走向27°～112°,傾向202°～217°,傾角為12°,屬于緩傾斜特厚煤層。煤層賦存穩(wěn)定,整體上沿走向上巷變化不明顯,下巷東部厚西部薄。煤層偽頂為0．2 m厚的砂質泥巖,直接頂為18 m厚的泥巖,局部裂隙和節(jié)理發(fā)育,易破碎;基本頂為190 m厚而堅硬的礫巖;直接底為4 m厚的深灰色泥巖,如圖1所示。

圖1 25110工作面綜合柱狀圖Fig．1 Generalized geological section of the No．25110 working face

該工作面東臨23采區(qū)下山保護煤柱,南為25區(qū)下部未采煤層,東南部接近F16逆沖斷層,西為25區(qū)下山煤柱,北為25090工作面(一分層已采)。其中, F16斷層為向壓扭性逆沖斷層,延展約45 km,走向近東西,傾向南略偏東,淺部傾角75°,深部傾角一般15°～35°,斷層面上陡下緩,落差50～450 m,水平錯距120～1 080 m。25110工作面自西向東依次揭露有F2504,F2509等正斷層。其中,F2504斷層傾角50°～57°,落差0～1．7 m;F2509斷層傾角62°,落差0．6 m,兩斷層與工作面位置關系如圖2(a)所示。該工作面中部構造帶150 m范圍內礦山壓力顯現(xiàn)較為嚴重,節(jié)理發(fā)育,圍巖易破碎、底臌、片幫和冒頂。

圖2 25110工作面斷層位置關系及巷道布置示意Fig．2 Diagrammatic sketch of roadways and faults positions in the No．25110 face

1.2 工作面開采條件

工作面采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤法,一次采全高,自然垮落法控制頂板,采深超過1 000余米,該面布置3條巷道,分別為25110上巷、25110下巷及25090下巷,其中25110上巷在采空區(qū)下沿煤層底板掘進,采用內錯法布置在25090工作面的二分層中,二分層段留1．5 m厚頂煤,上巷長為1 017 m; 25110下巷沿煤層頂板掘進,長為1 007 m;25090下巷沿煤層頂板掘進,主要服務于25090工作面一分層回采。25090下巷與25110上巷間距為20．6 m,開切眼沿煤層頂板掘進,長為194 m,如圖2(b)所示。

2 沖擊地壓顯現(xiàn)特征及誘因分析

本文統(tǒng)計了2009年7月至2011年3月時間段內25110工作面在采掘過程中發(fā)生的沖擊地壓事件。如圖2(a)所示,沖擊事件用圓點表示,事件1～6為掘進過程中沖擊地壓在下巷的顯現(xiàn),事件7～9為回采過程中在下巷的顯現(xiàn),具體的沖擊時間、發(fā)生位置、破壞特征及誘發(fā)因素見表1。通過統(tǒng)計分析25110下巷在采掘過程中發(fā)生的多次沖擊事件,可得到其在巷道的顯現(xiàn)特征如下：

(1)25110上巷布置在25090工作面的二分層中,上巷在采掘中基本沒有發(fā)生沖擊事件,但下巷的沖擊事件較為頻繁。下巷掘進過程中多數(shù)沖擊事件為放炮等震動誘發(fā)的,回采過程中為采動誘發(fā)的,其中事件7與8直接誘因是回采誘發(fā)的,但事件9是在回采階段檢修期間發(fā)生的,距離工作面268 m,可以推測F16逆沖斷層與其他兩個小斷層共同促使了巨厚堅硬頂板的大面積運動,觸發(fā)了此次沖擊事件。

(2)掘進期間受放炮等震動的直接影響,沖擊地壓發(fā)生的頻次較高,釋放能量較小,巷道的破壞程度也相對較小;回采階段沖擊地壓的發(fā)生頻次明顯減少,但由于受斷層構造及回采的直接影響,沖擊釋放的能量遠高于掘進期間,破壞程度也相對較大。無論掘進還是回采階段,沖擊地壓造成破壞的位置大多為巷道底板及上幫。

(3)25110下巷的沖擊事件基本集中在距F16逆沖斷層、F2504、F2509正斷層較近的區(qū)域,沖擊頻度、強度受斷層影響顯著,具有明顯的區(qū)域性。其中,事件4與9沖擊位置相近,水平相距71 m,高度相差100 m,其中事件4為掘進期間斷層構造受掘進影響而發(fā)生活化,造成較小能量的釋放,震級較小;事件9在回采階段受采動應力的影響,使斷層進一步活化,釋放的能量遠高于事件4,相當于3．2級地震。通過對比分析以往記錄可知：在斷層構造附近,掘進期間發(fā)生的沖擊地壓易于在回采期間再次發(fā)生,具有明顯的重復性。

3 沖擊地壓典型案例前兆特征

3.1 微震能量及頻次前兆特征

針對上述沖擊地壓事件,選取了靠近斷層且破壞性較大的“3·1”沖擊地壓典型案例(事件9)為主要研究對象。此次事故發(fā)生前,電磁輻射沒有監(jiān)測到發(fā)生沖擊的危險前兆信息,但通過對25110工作面微震事件頻次與釋放的能量分析可以發(fā)現(xiàn)：2011-01-01之前的微震活動保持一定水平,在2011-01-01—03-01期間,微震事件次數(shù)與釋放的能量突然下降,并保持較低水平,甚至出現(xiàn)無震現(xiàn)象,在3月1日突然發(fā)生沖擊地壓(圖3)。

表1 25110下巷沖擊地壓顯現(xiàn)特征及誘因Table 1 Appearance features and inducements of coal bumps in the No.25110 lower roadway

圖3 微震事件頻次及釋放能量隨時間的演化特征Fig．3 Evolution characteristics of microseismic frequency and energy with time

研究表明[2-3,12-18],微震活動有明顯的重復性及填空性,強度越大的微震事件在區(qū)域重復的現(xiàn)象越少;微震強度越大,則空白空間范圍越大,且形成空白的時間越長。從“3·1”沖擊發(fā)生前的微震活動規(guī)律來看,微震能量與頻次大幅度降低,出現(xiàn)了明顯的“缺震”現(xiàn)象是此次沖擊地壓的前兆特征。

3.2 微震活動時空分布前兆特征

通過選取2011-02-01—03-01的微震事件進行歸納分析,確定微震事件的發(fā)生時間、釋放能量與工作面及頂板的相對位置關系,從而得到了沖擊地壓發(fā)生前微震活動的時空分布特征,見表2。

表2 2月份微震事件Table 2 Microseism events on February

圖4中圓球代表微震震源位置,球體大小代表著能量的大小。微震事件主要集中于工作面前方100 m內的巨厚堅硬頂板中,但強度較小,釋放能量較低,反映了在工作面超前支承壓力影響范圍內,頂板發(fā)生了微破裂。在2月7日監(jiān)測到了一次臨近F16逆沖斷層的高能微震事件,但震級較小。此事件說明隨著工作面的回采,采動應力對F16逆沖斷層造成了影響,已經(jīng)出現(xiàn)了活化的前兆,大的斷裂結構可能會對回采過程造成災害性的后果[8,10]。

隨著工作面繼續(xù)向前推進,微震活動也逐漸向前遷移。在2月26日監(jiān)測到了能量為2．94×105J的微震事件,此事件距工作面前方309 m,且位于F2504與F2509兩斷層構造區(qū)域的堅硬頂板中,說明兩斷層在采動應力的影響下,已經(jīng)出現(xiàn)了活化前兆。當工作面繼續(xù)向前推進時,在2 d內兩斷層附近沒有微震的發(fā)生,呈現(xiàn)出積聚能量的趨勢,出現(xiàn)了明顯的“缺震”現(xiàn)象,需要高能事件進行填補,最終在3月1日的檢修期間發(fā)生了沖擊地壓。此次沖擊事件可解釋為：采動影響誘發(fā)了斷層的活化,斷層的活化直接誘發(fā)了巨厚堅硬頂板的破裂,使得煤巖系統(tǒng)積聚的彈性能瞬間釋放,發(fā)生了構造應力型沖擊地壓。

4 臨近斷層巷道發(fā)生沖擊的力學分析

圖4 微震事件空間分布特征Fig．4 Spatial distribution characteristics of microseisms

從圖5的下巷受力分析示意可知,相鄰工作面一分層已回采,25110上巷相當于布置在卸壓帶內,減小了應力集中水平,降低了沖擊地壓發(fā)生的概率。然而,已回采的相鄰工作面巨厚堅硬頂板難以充分垮落,形成大面積的懸空頂板,支承壓力影響范圍較廣,使得下巷工作面一側的側向(或稱為傾向)支承壓力大幅度增加;另外,受采掘影響,形成了由采掘引起的側向支承壓力,使得支承壓力疊加,造成了應力高度集中,巨厚堅硬頂板不斷積聚大量的彈性能,極大地增大了下巷發(fā)生沖擊地壓的危險性。

圖5 力學分析示意Fig．5 Sketch map of mechanics analysis

隨著采掘活動的不斷進行,下巷逐漸接近F16斷層,此斷層逐漸活化,將形成由斷層活動引起的側向支承壓力與采掘形成的側向支承壓力相疊加。通過數(shù)值模擬進一步驗證下巷兩側處在高應力集中區(qū),如圖6所示。

若工作面推進到F2509與F2504小斷層構造帶附近時,工作面前方也將出現(xiàn)由采動、F16大斷層、F2509與F2504小斷層及臨近工作面采空區(qū)共同作用所引起的高強度支承壓力,此時工作面前方的25110下巷很有可能發(fā)生高能量的動力失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖6 垂直應力分布特征Fig．6 Distribution characteristics of vertical stress

25110下巷發(fā)生沖擊事件的顯現(xiàn)特征都是以底板沖擊破壞為主,主要原因有：

(1)底板存在高強度水平應力。由于開采深度達到1 000 m左右,在自重應力狀態(tài)下可產(chǎn)生高水平應力,即

其中,λ為側壓系數(shù)。當考慮到構造應力作用時,水平應力為

式中,K為水平構造應力影響系數(shù),當存在較大的水平構造應力時,K＞1。

(2)留存沖擊傾向性底煤,易于發(fā)生拉伸破壞[19]。由于25110下巷臨近F16大斷層,可能存在高水平的構造應力,這將導致下巷底板水平應力的高度集中,底板易發(fā)生破壞,將導致巷道圍巖系統(tǒng)所積聚的彈性能從脆弱的地帶快速釋放,造成底板沖擊,如圖7與圖8所示。

圖7 底板沖擊示意Fig．7 Sketch map of seam floor for coal bumps

經(jīng)過現(xiàn)場及資料文獻[20]證明了25110下巷存在高水平應力,在開采擾動下,極易發(fā)生底板沖擊。

5 采掘過程中斷層帶應力場變化特征

圖8 底板位移及塑性區(qū)Fig．8 Displacement and plastic zones of seam floor

利用FLAC3D的強大模擬計算能力,以義馬躍進煤礦25110工作面地質條件為實際背景,建立了巨厚堅硬頂板條件下斷層的簡化數(shù)值模型,如圖9所示。該模型共劃分有400 400個網(wǎng)格單元,本構采用莫爾-庫侖模型,水平垂直巷道軸向方向為1．2倍垂直應力,頂面上施加20 MPa的面荷載,位移邊界條件為：模型頂面自由,四周各邊界面及底部均為位移約束。

圖9 數(shù)值模型Fig．9 Numerical model

5.1 采動影響下小斷層帶應力場分布特征

從圖10中可知應力場變化特征如下：

(1)當回采至F2509斷層附近時,工作面前方垂直應力集中程度較高,應力峰值最高達到48 MPa,但位于斷層處較小,達到了20 MPa。這是由于煤巖體強度低,黏聚力小,抗拉強度小,難以形成應力集中。當回采到斷層F2509與F2504之間區(qū)域時,兩末端區(qū)域垂直應力形成應力疊加,應力峰值為53 MPa。當回采過F2504斷層時,工作面前方垂直應力峰值降為51 MPa,應力集中程度明顯降低。

(2)當回采至F2509斷層附近時,斷層末端至下巷之間出現(xiàn)了水平應力集中。當回采到斷層F2509與F2504區(qū)域時,斷層末端的應力集中區(qū)域不斷前移且不斷擴大,水平應力集中峰值約36 MPa,斷層處水平應力為13．5 MPa,工作面內平均水平應力為28 MPa,斷層至下巷之間區(qū)域的水平應力是斷層處水平應力的2．69倍,是工作面平均水平應力的1．3倍(圖11)。當回采過F2504斷層時,工作面前方水平應力集中程度下降,沒有出現(xiàn)明顯的水平應力集中區(qū)域。

圖10 小斷層附近應力場分布Fig．10 Distribution of stress field near small faults

圖11 小斷層附近水平應力Fig．11 Horizontal stress near small faults

5.2 采動影響下F16斷層帶應力場分布特征

為了研究此斷層對工作面回采的影響,主要針對第3～5排測點數(shù)據(jù)進行對比分析,第3排測點距下巷70 m,第4排測點距下巷45 m,第5排測點距下巷10 m,監(jiān)測點布置如圖12所示。

圖12 監(jiān)測點布置Fig．12 Layout of monitoring points

從圖13可知,未開采條件下,越靠近下巷,垂直應力越高,且在3號測點應力值最大。同樣水平應力也是隨著靠近下巷而逐漸增大,但在6號測點最大,表明距F16斷層與下巷越近,水平應力越大。

圖13 原巖應力對比Fig．13 Comparison of virgin rock stresses

考慮到監(jiān)測點數(shù)據(jù)的變化幅度受監(jiān)測點與工作面的距離直接影響,選取了第3排測線的數(shù)據(jù)進行了分析。從圖14中可知,工作面回采時,2～4號測點水平應力與垂直應力明顯增加,其中,垂直應力變化幅度最大為151%,水平應力變化最大幅度為119%。

圖14 第3排測點應力對比Fig．14 Stresses comparison in the third row

6 結 論

(1)25110下巷的沖擊地壓大多發(fā)生在距F16逆沖斷層、F2504、F2509正斷層較近的區(qū)域,沖擊頻度、強度受斷層影響顯著,具有明顯的區(qū)域性;在斷層構造附近,掘進期間發(fā)生的沖擊地壓易于在回采期間再次發(fā)生,具有明顯的重復性?？山忉尀椋壕藓駡杂岔敯逡子诜e聚能量,由于斷層將其切割,易造成頂板大面積運動,為沖擊地壓的發(fā)生提供動載條件。

(2)從“3·1”沖擊發(fā)生前的微震活動規(guī)律來看,微震能量與頻次大幅度降低,出現(xiàn)了明顯的“缺震”現(xiàn)象是此次沖擊地壓的前兆特征,為沖擊地壓的發(fā)生積聚了能量。此次沖擊事件可解釋為：采動影響誘發(fā)了斷層的活化,斷層的活化直接誘發(fā)了巨厚堅硬頂板的破裂,使得煤巖系統(tǒng)積聚的彈性能瞬間釋放,發(fā)生了構造應力型沖擊地壓。

(3)由采動、斷層及相鄰工作面采空區(qū)引起的高強度支承壓力,使得25110下巷處于應力集中區(qū)。并認為下巷底板水平應力高度集中,易于發(fā)生拉伸破壞,導致巷道圍巖系統(tǒng)所積聚的彈性能從脆弱的地帶快速釋放,造成底板沖擊。通過數(shù)值模擬分析,認為回采過程中F16逆沖斷層、F2504、F2509正斷層附近與下巷之間區(qū)域形成了高度的應力集中,為沖擊地壓的發(fā)生提供了力源條件。

[1] 姜耀東,趙毅鑫,劉文崗,等．煤巖沖擊失穩(wěn)的機理和實驗研究[M]．北京：科學出版社,2009．

Jiang Yaodong,Zhao Yixin,Liu Wengang,et al．Investigation on the mechnanism of coal bumps and relating experiments[M]．Beijing：Science Press,2009．

[2] 齊慶新,竇林名．沖擊地壓理論與技術[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2008．

[3] 姜耀東．煤炭深部開采中的動力災害機理與防治基礎研究[R]．北京：中國礦業(yè)大學(北京),2010．

[4] 竇林名,何學秋．沖擊礦壓防治理論與技術[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2001：11-15．

Dou Linming,He Xueqiu．Burst control theory and technology[M]．Xuzhou：China University of Mining and Technology Press,2001： 11-15．

[5] 齊慶新,李宏艷,潘俊鋒,等．沖擊礦壓防治的應力控制理論與實踐[J]．煤礦開采,2011,16(3)：114-118．

Qi Qingxin,Li Hongyan,Pan Junfeng,et al．Stress control theory and practice of rock-burst prevention[J]．Coal Mining Technology, 2011,16(3)：114-118．

[6] 趙毅鑫,姜耀東,王 濤,等．“兩硬”條件下沖擊地壓微震信號特征及前兆識別[J]．煤炭學報,2012,27(12)：1960-1965．

Zhao Yixin,Jiang Yaodong,Wang Tao,et al．Features of microseismic events and precursors of rock burst in underground coal mining with hard roof[J]．Journal of China Coal Society,2012,27(12)： 1960-1965．

[7] 王存文,姜福興,劉金海．構造對沖擊地壓的控制作用及案例分析[J]．煤炭學報,2012,37(S2)：263-268．

Wang Cunwen,Jiang Fuxing,Liu Jinhai．Analysis on control action of geologic structure on rock burst and typical cases[J]．Journal of China Coal Sciety,2012,37(S2)：263-268．

[8] 姜福興,苗小虎,王存文,等．構造控制型沖擊地壓的微地震監(jiān)測預警研究與實踐[J]．煤炭學報,2010,35(6)：900-903．

Jiang Fuxing,Miao Xiaohu,Wang Cunwen,et al．Predicting research and practice of tectonic-controlled coal burst by microseismic monitoring[J]．Journal of China Coal Society,2010,35(6)：900-903．

[9] 姜福興,楊淑華,Xun Luo．微地震監(jiān)測揭示的采場圍巖空間破裂形態(tài)[J]．煤炭學報,2003,28(4)：357-360．

Jiang Fuxing,Yang Shuhua,Xun Luo．Spatial fracturing progresses of surrounding rock masses in longwall face monitored by microseismic monitoring techniques[J]．Journal of China Coal Society,2003, 28(4)：357-360．

[10] 姜福興,楊淑華,成云海,等．煤礦沖擊地壓的微地震監(jiān)測研究[J]．地球物理學報,2006,49(5)：1511-1516．

Jiang Fuxing,Yang Shuhua,Cheng Yunhai,et al．A study on microseismic monitoring of rockburst in coal mine[J]．Chinese J．Geophys．,2006,49(5)：1511-1516．

[11] 潘一山,王來貴,章夢濤,等．斷層沖擊地壓發(fā)生的理論與試驗研究[J]．巖石力學與工程學報,1998,17(6)：642-649．

Pan Yishan,Wang Laigui,Zhang Mengtao,et al．The theoretical and testing study of fault rockburst[J]．Chinese Journal ofRock Mechanics and Engineering,1998,17(6)：642-649．

[12] 呂進國．巨厚堅硬頂板條件下逆斷層對沖擊地壓作用機制研究[D]．北京：中國礦業(yè)大學(北京),2013．

Lü Jinguo．Influence mechanism research of coal bump induced by thrust fault based on huge thick and hard roof[D]．Beijing：China University of Mining and Technology(Beijing),2013．

[13] 呂進國,姜耀東,趙毅鑫,等．沖擊地壓層次化監(jiān)測及其預警方法的研究與應用[J]．煤炭學報,2013,38(7)：1154-1159．

Lü Jinguo,Jiang Yaodong,Zhao Yixin,et al．Hierarchical monitoring for coal bumps and its study and application of early warning methods[J]．Journal of China Coal Society,2013,38(7)： 1154-1159．

[14] 呂進國,潘 立．微震預警沖擊地壓的時間序列方法[J]．煤炭學報,2010,35(12)：2002-2005．

Lü Jinguo,Pan Li．Microseismic predicting coal bump by time series method[J]．Journal of China Coal Society,2010,35(12)： 2002-2005．

[15] Mendecki A J．Seismic monitoring in mines[M]．London：Chapman and Hall,1997：12-75．

[16] Luo X,Hatherly P．Application of microseismic monitoring to characterise geomechnic conditions in longwall mining[J]．Exploration Geophysics,1998,129：489-493．

[17] Ge M C．Efficient mine microseismic monitoring[J]．International Journal of Coal Geology,2005,64(1)：44-45．

[18] 周光文,劉文崗,姜耀東,等．強采場沖擊地壓的能量積聚釋放特征分析[J]．采礦與安全工程學報,2008,25(1)：73-77．

Zhou Guangwen,Liu Wengang,Jiang Yaodong,et al．Characteristics of energy accumulation and release of rock outburst in mining face [J]．Journal of Mining&Safety Engineering,2008,25(1)：73-77．

[19] 徐學鋒,竇林名,劉 軍,等．煤礦巷道底板沖擊礦壓發(fā)生的原因及控制研究[J]．巖土力學,2010,31(6)：1977-1982．

Xu Xuefeng,Dou Linming,Liu Jun,et al．Research of reasons and controlling for floor burst in coal mine roadway[J]．Rock and Soil Mechanics,2010,31(6)：1977-1982．

[20] 李志華．采動影響下斷層滑移誘發(fā)煤巖沖擊機理研究[D]．徐州：中國礦業(yè)大學,2009．

Li Zhihua．Research on rockburst mechanism induced by fault slip during coal mining operation[D]．Xuzhou：China University of Mining and Technology,2009．

Characteristics and mechanism research of coal bumps induced by faults based on extra thick and hard roof

Lü Jin-guo1,JIANG Yao-dong2,3,LI Shou-guo1,REN Su-di4,JIANG Wen-zhong1,ZHANG Zhan-cun1

(1.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,CCTEG China Coal Technology&Engineering Group,Shenyang 110016,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;3.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;4.Cuncaota Colliery,Shenhua Shendong Coal Group Corporation Limited,Ordos 017200,China)

In order to discover the precursory characteristics and the mechanism of coal bumps by faults with extra thick and hard roof,the No．25110 working face of Yuejin Coal Mine in Yima was investigated to analyze the law of coal bumps in a certain period．The law of time and space of microseismic energy and frequency and microseismic activity were analyzed with the combination of the microseismic monitoring data based on the typical cases of coal bumps induced by faults in the condition of extra thick and hard roof．The distribution characteristics of stress fields near faults under mining influence was studied by numerical simulation．The causes and mechanism of coal bumps of the face were discussed from three aspects of geological structure,microseismic activity and stress fields．The results showthe extra thick and hard roof is cut by F16thrust faults and two normal faults,which can cause a large roof movement, and provide a condition for the dynamic load of coal bumps．The microseismic energy and frequency decrease,and the microseismic activities near faults reduce．This is the evidence of microseism phenomenon reduction,while the energy is accumulated for coal bumps．High strength abutment pressure is formed by extraction,faults and the goaf of adjacent face．High stress concentration is formed from the faults to No．25110 lower roadway．Especially high horizontal stress is in the floor of lower roadway．The conditions of power source are provided for coal bumps．

extra thick and hard roof;faults;microseism;coal bumps;stress field

TD315

A

0253-9993(2014)10-1961-09

2013-09-16 責任編輯：王婉潔

國家“十二五”大型油氣田及煤層氣開發(fā)科技重大專項資助項目(2011ZX05041-003);國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2010CB226801)

呂進國(1984—),男,遼寧阜新人,博士。E-mail：glvjinguo2005@163．com

呂進國,姜耀東,李守國,等．巨厚堅硬頂板條件下斷層誘沖特征及機制[J]．煤炭學報,2014,39(10)：1961-1969．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1325

Lü Jinguo,Jiang Yaodong,Li Shouguo,et al．Characteristics and mechanism research of coal bumps induced by faults based on extra thick and hard roof[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：1961-1969．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1325