朱斯陶，劉金海，姜福興，尚曉光，孫希奎，張修峰，宋大釗，張 明，王愛文，謝華東，曲效成

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點實驗室，北京 101601；3.山東能源集團有限公司，山東 濟南 250014；4.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；5.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；6.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 102299)

我國山東、內(nèi)蒙古、新疆和黑龍江等主要產(chǎn)煤地區(qū)均有巨厚硬巖賦存，且隨著井下開采面積增大，工作面開采過程中厚硬關(guān)鍵層破斷、運動產(chǎn)生礦震，易誘發(fā)煤礦井下沖擊地壓和地面建筑物震動損壞等災(zāi)害，已經(jīng)嚴重制約我國煤礦安全生產(chǎn)。近年來，頻繁發(fā)生大能量礦震導(dǎo)致地面震感明顯，也嚴重影響了礦區(qū)附近居民的正常生活，社會影響惡劣。因此開展可靠的煤礦頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害預(yù)測與防控是我國煤礦安全高效開采的重大需求。

目前國內(nèi)外學(xué)者在礦震發(fā)生機理及其誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動損害與防控技術(shù)方面開展了相關(guān)研究，如竇林名等對煤礦礦震類型及震動波傳播規(guī)律研究，將煤礦礦震分為采動破裂型、巨厚覆巖型和高能礦震型3種；姜福興等結(jié)合關(guān)鍵巖層斷裂特征與煤巖體應(yīng)力變化關(guān)系，提出了依據(jù)礦震發(fā)生前煤巖應(yīng)力突變規(guī)律實現(xiàn)臨場沖擊地壓預(yù)警的方法；曹安業(yè)等揭示了礦震輻射能量的傳播模式與衰減規(guī)律，分析了礦震動載的誘沖機理及其對巷道圍巖沖擊破壞效應(yīng)的影響因素；翟明華等提出了巨厚堅硬巖層礦井沖擊地壓存在“關(guān)鍵工作面效應(yīng)”、“震動誘沖效應(yīng)”和“沖擊震動效應(yīng)”3個特點；高明仕等基于沖擊地壓巷道圍巖破壞過程及關(guān)鍵影響因素分析，提出了沖擊地壓巷道減隔震技術(shù)原理，實現(xiàn)了巷道圍巖消波降載支護體整體釋能抗沖的性能特征；張明等根據(jù)厚硬關(guān)鍵層破斷及能量傳播規(guī)律，提出了“震動損害邊界”的觀點，初步建立了礦震誘發(fā)地面震動損害的評估方法；于斌等針對堅硬頂板特厚煤層開采造成的強礦壓顯現(xiàn)及控制難題，提出井下近場預(yù)裂和地面遠場壓裂的堅硬巖層弱化技術(shù)控制工作面強礦壓顯現(xiàn)；軒大洋等提出了老采空區(qū)注漿充填控制巨厚火成巖下動力災(zāi)害的技術(shù)方案，并在現(xiàn)場進行了成功應(yīng)用。

以上研究成果對于認識煤礦頂板運動型礦震發(fā)生機制及其防控具有重要意義，但對于頂板運動型礦震能量及其誘發(fā)災(zāi)害危險程度的預(yù)測與源頭防控技術(shù)研究較少。由于誘發(fā)礦震的關(guān)鍵層厚度大、層位高、運動方式復(fù)雜，導(dǎo)致頂板運動型礦震發(fā)生機理復(fù)雜、類型多，且存在同時誘發(fā)井下和地面災(zāi)害的可能。筆者采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測等方法，揭示了頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害機制，提出了頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害的預(yù)測方法和工程分類方法，建立了頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防治技術(shù)體系，以期為煤礦頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防治提供參考。

1 我國煤礦頂板運動型礦震類型

1.1 我國煤礦礦震發(fā)生情況

由于大型斷層地質(zhì)構(gòu)造活化、巨厚堅硬頂板運動和強烈的沖擊地壓災(zāi)害均可能誘發(fā)礦震，尤其是工作面開采期間上覆巖層一直處于運動狀態(tài)，導(dǎo)致部分礦井頻繁發(fā)生大能量礦震，嚴重影響了礦井的安全高效生產(chǎn)。根據(jù)課題組調(diào)研，當前我國山東兗州礦區(qū)、黑龍江鶴崗礦區(qū)、內(nèi)蒙古鄂爾多斯礦區(qū)和新疆硫磺溝礦區(qū)礦震發(fā)生較為頻繁，以上4個礦區(qū)地層中均存在200～500 m巨厚堅硬巖層，近5 a累計發(fā)生2.0級以上礦震近300次。通過對以上礦震事件發(fā)生位置和發(fā)生機理的分析，將煤礦開采型礦震分為沖擊地壓誘發(fā)型、斷層構(gòu)造活化型和頂板運動型3類。

(1)沖擊地壓誘發(fā)型礦震。當采掘工作面高應(yīng)力圍巖發(fā)生沖擊破壞時，釋放的彈性能能夠引起地面建筑物震動損害，如1959年門頭溝發(fā)生的3.8級沖擊地壓，不僅給井下生產(chǎn)設(shè)施造成嚴重破壞，并且波及至地面，震壞、震裂房屋達百余間，有感震動半徑達5 km。近期如2019-06-09T20：01：00，吉林龍家堡發(fā)生2.3級沖擊地壓事故破壞巷道220 m，事故發(fā)生瞬間地面房屋晃動明顯，人員震感較強。當前我國學(xué)者對沖擊地壓發(fā)生機理、預(yù)測預(yù)警及防控開展了大量研究，取得了突破性的進展，基本實現(xiàn)了沖擊地壓的可防可控，因此沖擊地壓誘發(fā)型礦震通過提前采取防控措施能夠避免。

(2)斷層構(gòu)造活化型礦震。斷層形成過程中，在地應(yīng)力作用下斷層兩側(cè)煤巖體中積聚了大量構(gòu)造應(yīng)力，當工作面采掘擾動打破了斷層兩側(cè)應(yīng)力平衡狀態(tài)時，容易誘發(fā)斷層活化型礦震。如東灘煤礦六采區(qū)6304首采工作面初采期間(頂板未發(fā)生大范圍運動)頻繁發(fā)生1.5級以上礦震，其主要原因是開切眼附近的斷層活化產(chǎn)生。對于大型斷層構(gòu)造控制型礦震，其活化過程中釋放的彈性能是難以估算的，通過合理的開采設(shè)計可以提前避免或降低斷層構(gòu)造活化產(chǎn)生礦震能量。

(3)頂板運動型礦震。當工作面大范圍開采時，采空區(qū)上方厚硬關(guān)鍵層破斷、回轉(zhuǎn)或滑移運動時，釋放巨大的彈性能和重力勢能引起礦震。我國主要產(chǎn)煤地區(qū)均有巨厚硬巖賦存，且隨著煤礦開采深度增加和井下開采面積增大，頂板運動型礦震發(fā)生頻次明顯增加。由于地層中關(guān)鍵層的厚度、抗壓強度等特征參數(shù)可通過地質(zhì)資料獲取，因此可通過建立理論模型來預(yù)測礦震發(fā)生的能量和震級。

沖擊地壓誘發(fā)型礦震和斷層構(gòu)造活化型礦震一般對井下沖擊地壓影響較大，對地面建筑物的震動損害較小；頂板運動型礦震由于發(fā)生位置距離地面較近，一般同時存在誘發(fā)井下沖擊和地面建筑物震動損害的可能。大量現(xiàn)場實踐表明，頂板運動型礦震是我國煤礦深部開采面臨的主要礦震類型，其誘發(fā)井下和地面災(zāi)害的頻次及可能性也遠高于沖擊地壓誘發(fā)型礦震和斷層構(gòu)造活化型礦震。因此筆者主要針對頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害類型、預(yù)測與防控開展研究。

1.2 煤礦頂板運動型礦震類型

課題組通過對多個礦區(qū)礦震發(fā)生規(guī)律、機理和現(xiàn)場顯現(xiàn)的長期監(jiān)測及分析表明，煤層上方關(guān)鍵層在不同運動狀態(tài)下均可能誘發(fā)礦震。在綜合考慮采礦工程移動性、頂板運動階段性和周期性、巖層運動范圍擴展性的基礎(chǔ)上，根據(jù)關(guān)鍵層層位將頂板運動型礦震分為低位礦震和高位礦震，結(jié)合關(guān)鍵層運動階段將煤礦頂板運動型礦震分為初次斷裂和周期斷裂，基于關(guān)鍵層運動模式將頂板運動型礦震分為關(guān)鍵層斷裂型、關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)型和關(guān)鍵層滑移型3類礦震，如圖1所示。全面揭示了“煤層開采—頂板斷裂—覆巖運動—礦震”的煤礦頂板運動型礦震發(fā)生過程，為煤礦頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害預(yù)測和分類防范提供了理論基礎(chǔ)。

圖1 不同關(guān)鍵層運動狀態(tài)誘發(fā)礦震模型

2 頂板運動型礦震能量預(yù)測

礦震能量和震級的預(yù)測是開展礦震誘發(fā)災(zāi)害預(yù)測的基礎(chǔ)。在頂板運動型礦震分類的基礎(chǔ)上，建立了基于“關(guān)鍵層運動狀態(tài)”的頂板運動型礦震預(yù)測模型(圖2)。不同關(guān)鍵層運動狀態(tài)產(chǎn)生礦震能量來源也存在較大差異，其中初次斷裂型礦震能量最大，來源主要是關(guān)鍵層初次斷裂時積聚的彎曲彈性能；周期斷裂型礦震能量次之，來源主要是關(guān)鍵層周期斷裂時積聚的彎曲彈性能；回轉(zhuǎn)和滑移型礦震能量相對較小，來源主要是關(guān)鍵層重力勢能。

圖2 煤礦頂板運動型礦震能量預(yù)測模型

2.1 關(guān)鍵層斷裂型礦震能量預(yù)測

關(guān)鍵層初次斷裂時，其彈性能來源主要為彎曲彈性能。煤層上方第個關(guān)鍵層懸頂結(jié)構(gòu)初次或周期破斷時釋放的彈性能分別為

(1)

式中，ε1為第個關(guān)鍵層初次破斷釋放彈性能；ε2為第個關(guān)鍵層周期破斷釋放彈性能；為第個關(guān)鍵層自重和上覆巖層附加載荷的單位長度折算載荷；為第個關(guān)鍵層梁彈性模量；1，2分別為第個關(guān)鍵層初次、周期破斷步距；為第個關(guān)鍵層厚度；為第個關(guān)鍵層懸空跨度。

由于關(guān)鍵層破斷時地震效率較低，震動波釋放的能量一般為總應(yīng)變能的0.26%～3.60%。則第個關(guān)鍵層初次破斷和周期破斷時釋放的能量分別為

=ε1

(2)

=ε2

(3)

2.2 關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)和滑移型礦震能量預(yù)測

關(guān)鍵層發(fā)生回轉(zhuǎn)或滑移時產(chǎn)生礦震能量主要由自重產(chǎn)生，因此工作面上方第個關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)和滑移產(chǎn)生的礦震能量分別為

=21

(4)

=22

(5)

式中，1為第個關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)高度；2為第個關(guān)鍵層滑移高度；為巖層容重。

3 頂板運動型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動損害預(yù)測

3.1 頂板運動型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動損害機制

煤層上覆厚硬關(guān)鍵層破斷產(chǎn)生的強礦震不僅能夠誘發(fā)井下沖擊地壓等災(zāi)害，還能夠?qū)Φ孛娼ㄖ锇踩珮?gòu)成潛在威脅，同時給礦區(qū)居民造成了較大的心理“恐慌”，礦震由采礦安全問題逐步演化成公共安全問題?；诘V震附加應(yīng)力和震動損害邊界的概念，建立頂板運動型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物損害的一體化力學(xué)模型(圖3)，圖中為煤層埋深；為震源到地表建筑物空間距離；′為震動影響平面范圍;為礦震震源與地表垂距;為巖層移動角;為煤層靜載荷；為礦震引起的煤層附加應(yīng)力；為煤層沖擊的臨界應(yīng)力。

圖3 頂板運動型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動損害力學(xué)模型

頂板運動型礦震震動波傳播至井下引起圍巖質(zhì)點震動產(chǎn)生附加應(yīng)力導(dǎo)致沖擊地壓機制為

+>

(6)

礦震震動波傳播至地面引起地面質(zhì)點震動導(dǎo)致建筑物破壞機制為

≥

(7)

式中，為礦震引起地面質(zhì)點震動速度；為地面建筑物容許極限震動速度。

3.2 煤礦頂板運動型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓危險評估方法

根據(jù)動靜載疊加誘沖理論，對于礦震誘發(fā)的井下沖擊地壓災(zāi)害，震動形成的動態(tài)附加應(yīng)力與煤層應(yīng)力疊加，當疊加應(yīng)力超過沖擊臨界應(yīng)力時發(fā)生沖擊失穩(wěn)(圖4)。采掘工作面煤體發(fā)生沖擊地壓可能性系數(shù)為

圖4 頂板運動型礦震誘發(fā)井下沖擊示意

=(+)

(8)

式中，為沖擊可能性系數(shù)，當分別位于(0，1.5)，[1.5，2.0)，[2.0，2.5)，[2.5，+∞)區(qū)間時具有無、弱、中等和強沖擊危險；為煤層單軸抗壓強度。

課題組提出了一種量化回采工作面某一點煤層靜態(tài)應(yīng)力()的沖擊危險性評價方法，即

(9)

式中，()為煤層某一點自重應(yīng)力；Δ()為某一點第個誘發(fā)沖擊地壓影響因素產(chǎn)生的應(yīng)力增量，包含構(gòu)造、采空區(qū)、煤柱等。

頂板運動型礦震波傳遞至采掘空間周圍時，殘余的能量為

=-

(10)

式中，為礦震釋放的能量；為震源到采掘空間的距離；為礦震波衰減系數(shù)。

根據(jù)彈性波理論，礦震附加應(yīng)力為

=

(11)

式中，為煤巖介質(zhì)密度；為礦震波傳播速度；為礦震波引起采掘空間巷道圍巖質(zhì)點的峰值震動速度，=(2/)，為礦震能量作用系數(shù)。

3.3 煤礦頂板運動型礦震誘發(fā)地面建筑物震動損害評估方法

根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》和相關(guān)研究成果，質(zhì)點震動速度是判別建筑物震動損害最常用的指標。現(xiàn)場實踐表明，大量2.0～3.0級礦震發(fā)生時，雖然沒有造成地面建筑物震動破壞，但礦震引起的強烈震感引起地面大量居民恐慌，因此劃分礦震對建筑物震動損害標準時，應(yīng)綜合考慮地面居民和建筑物受到的礦震震動效應(yīng)。綜合相關(guān)標準和文獻研究成果，以質(zhì)點振動速度將頂板運動型礦震(一般情況下頂板運動型礦震主頻≤10 Hz)對地面建筑物和居民影響程度劃分為3個標準：①≤5 mm/s，建筑物安全且人震感不明顯；② 5 mm/s<≤30 mm/s，建筑物安全但人震感強烈；③>30 mm/s，民用建筑物可能產(chǎn)生震動破壞并造成人員傷亡。

由于僅有部分礦震波作用在地面單位體積質(zhì)點，則礦震波誘發(fā)地面質(zhì)點震動損害的臨界條件為

-≥′()/2

(12)

式中，′為地表附近傳播介質(zhì)密度。

=(2-/′)

(13)

根據(jù)式(13)可計算得到工作面開采期間礦震引起地表距離最近的建筑物震動速度，進而識別頂板運動型礦震對地面建筑物的影響程度。

4 煤礦頂板運動型礦震工程分類方法

針對工作面開采期間煤層上方不同層位關(guān)鍵層在不同運動狀態(tài)下誘發(fā)地面和井下災(zāi)害的差異性，通過對關(guān)鍵層運動階段、運動狀態(tài)和誘發(fā)災(zāi)害程度進行分析，基于煤礦頂板運動型礦震誘發(fā)地面建筑物震動損害和井下沖擊地壓機制，提出了頂板運動型礦震誘發(fā)災(zāi)害的工程分類方法(圖5)。

圖5 頂板運動型礦震與誘發(fā)災(zāi)害類型

將煤層上方可能引起礦震的關(guān)鍵層運動狀態(tài)分為6類，礦震誘發(fā)地面建筑物震動損害等級分為無～弱震感、震感強烈和建筑物損害3級，礦震誘發(fā)井下沖擊地壓危險等級分為無、弱、中等和強4級。其分類的具體流程(圖6)為：

圖6 頂板運動型礦震誘發(fā)災(zāi)害工程分類流程

(1)獲取礦井地質(zhì)與采礦資料。包含試驗工作面煤層賦存條件、采煤方法、鉆孔柱狀圖、地質(zhì)構(gòu)造和支護設(shè)計等。

(2)分析地層結(jié)構(gòu)，確定礦震關(guān)鍵層層位、厚度等特征參數(shù)及礦震類型，基于礦震能量預(yù)測模型分別計算各關(guān)鍵層在不同運動狀態(tài)下產(chǎn)生的礦震能量。

(3)根據(jù)井下巷道圍巖結(jié)構(gòu)、沖擊地壓影響因素和地面建筑物類型確定井下沖擊地壓和地面震動損害臨界值和。

(4)基于礦震附加應(yīng)力和震動損害邊界原理，計算礦震附加應(yīng)力和地面建筑物質(zhì)點震動速度。

(5)將，代入和中，確定井下圍巖沖擊危險等級和地面建筑物震動危險等級。

(6)根據(jù)井下沖擊危險等級和地面震動損害等級，識別礦震誘發(fā)災(zāi)害工程類型。

通過井下圍巖沖擊危險性指標和地面建筑物震動損害指標對工作面開采期間產(chǎn)生礦震誘發(fā)災(zāi)害的危險性進行評價，并進行分級分類，形成了集頂板運動型礦震與誘發(fā)災(zāi)害類型于一體的危險性評價方法。

5 煤礦頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防控技術(shù)

5.1 煤礦頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防控技術(shù)體系

基于煤礦頂板運動型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動損害的機制，控制關(guān)鍵層的破斷運動、降低礦震釋放能量和提高巷道或建筑物的抗震能力是有效防控礦震誘發(fā)災(zāi)害危險的關(guān)鍵。課題組提出了分類防控、源頭減震、吸能抗震協(xié)同防控頂板運動型礦震的理念，形成了以低礦震能量、低圍巖密度和高抗震能力為基礎(chǔ)的煤礦頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防控體系，如圖7所示。其中防控途徑分為主動防控和被動防控2類，如地面鉆孔壓裂和頂板深孔爆破為主動防控技術(shù)，巷道吸能支護和煤層鉆孔等為被動防控技術(shù)。目前在我國山東兗州礦區(qū)、內(nèi)蒙古鄂爾多斯礦區(qū)和陜西彬長礦區(qū)等多個煤礦已開展了地面鉆井壓裂源頭主動防控礦震的技術(shù)試驗研究，取得了一定的成效。

圖7 頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防控體系

5.2 煤礦頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害預(yù)測技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

..東灘煤礦六采區(qū)概況

東灘煤礦六采區(qū)開采3煤層，煤層平均厚度約5.4 m，平均埋深約700 m，采用綜采一次采全高采煤工藝。六采區(qū)工作面開采順序為6304工作面→6305工作面→6303工作面→6306工作面(正在開采)，工作面平均寬度約為260 m，如圖8所示。

圖8 東灘煤礦六采區(qū)平面示意

根據(jù)六采區(qū)O2-D7鉆孔揭露地層結(jié)構(gòu)可知，煤層上方約86 m處存在厚度為263 m的砂巖組，為地層中主關(guān)鍵層，見表1。

表1 O2-D7鉆孔地層參數(shù)

..六采區(qū)工作面開采期間礦震能量及誘發(fā)災(zāi)害危險性預(yù)測

六采區(qū)煤層上方存在厚度為263 m的巨厚砂巖主關(guān)鍵層，因此該關(guān)鍵層初次破斷時易產(chǎn)生大能量礦震，且對井下沖擊地壓和地面建筑物的影響最大。因此對263 m主關(guān)鍵層初次斷裂時產(chǎn)生礦震進行分析。根據(jù)東灘煤礦六采區(qū)地質(zhì)孔巖石力學(xué)測試報告中相關(guān)參數(shù)，取主關(guān)鍵層平均厚度=263 m，最大抗拉強度[]=6 MPa，彈性模量=15 GPa，采用兩端固支梁模型可計算得到關(guān)鍵層初次斷裂步距=355 m。將以上參數(shù)代入式(3)中可得到主關(guān)鍵層初次破斷時釋放的彈性能=3.4×10J，取地震效率=0.5%，則主關(guān)鍵層初次破斷產(chǎn)生礦震波的能量=1.7×10J。東灘煤礦六采區(qū)開采期間最大礦震能量為2017-12-30發(fā)生的3.04級礦震，微震定位能量為1.45×10J，與理論計算結(jié)果相近。

(1)礦震引起井下沖擊地壓危險評估。由于六采區(qū)首采6304工作面寬度為260 m，遠小于主關(guān)鍵層初次破斷步距，因此預(yù)測主關(guān)鍵層為第2個6305工作面開采期間發(fā)生破斷。6305工作面在預(yù)測關(guān)鍵層破斷區(qū)域平均埋深約710 m，周邊無明顯地質(zhì)構(gòu)造影響。取采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力集中系數(shù)為1.5，根據(jù)式(9)計算得到=26.6 MPa，3煤層的平均單軸抗壓強度=19.6 MPa，由式(8)可得煤體在靜載作用下的沖擊可能性系數(shù)=1.4，具有無沖擊危險；取礦震能量作用系數(shù)=1%，巖層介質(zhì)=25 kN/m，礦震波傳播速度=3 500 m/s，震源到煤層的最近距離=86 m，礦震波衰減系數(shù)=1.5，將以上參數(shù)代入式(10)和式(11)中，可計算得到頂板運動型礦震波給工作面煤體施加的動應(yīng)力=5.6 MPa，代入式(8)可得煤體在動靜載作用下的沖擊可能性系數(shù)=1.6，具有弱沖擊危險。對照圖3可知，主關(guān)鍵層初次破斷產(chǎn)生礦震波引起井下煤體沖擊危險類型為C。

(2)礦震引起地面建筑物震動損害危險評估。根據(jù)式(12)和式(13)可反推出礦震波對地面建筑物的震動影響半徑為

(14)

分別取=5，30 mm/s，計算可得關(guān)鍵層破斷引起地面建筑物強烈震感半徑=7 587 m；引起地面建筑物震動破壞半徑=696 m。由于式(14)計算結(jié)果為空間距離，為便于現(xiàn)場應(yīng)用，將其換算為地面直線距離。根據(jù)圖3可推導(dǎo)出礦震震動影響范圍平面距離為

(15)

圖9 6306工作面開采地面震動影響范圍

對照圖3可知，主關(guān)鍵層初次破斷產(chǎn)生礦震波引起地面建筑物震動損害危險類型為B。

綜上所述，通過采用煤礦頂板運動型礦震工程分類方法，可快速識別關(guān)鍵層在不同運動狀態(tài)下誘發(fā)井下沖擊危險和地面建筑物震動損害危險的等級，為頂板運動型礦震能量預(yù)測及誘發(fā)災(zāi)害的防范提供依據(jù)。

5.3 地面直井壓裂防控頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

截至目前，東灘煤礦六采區(qū)開采期間發(fā)生1.5級以上礦震近400次，根據(jù)課題組研究，雖然沒有誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動損害，但頻繁發(fā)生大能量礦震導(dǎo)致礦區(qū)周邊約7.6 km范圍內(nèi)建筑物震感明顯，給周邊居民帶來了較大的心理恐慌。由于引起礦震的關(guān)鍵層距離煤層較遠且厚度大，常規(guī)手段難以有效防控礦震。東灘煤礦聯(lián)合課題組提出了地面直井壓裂巨厚關(guān)鍵層源頭防控礦震的方法，在東灘煤礦6306工作面施工了6口地面直井壓裂巨厚關(guān)鍵層，壓裂范圍約625 m，如圖10所示。

圖10 地面壓裂井布置平面示意

現(xiàn)場鉆井、壓裂施工照片如圖11(a)所示，圖11(b)為4號井壓裂期間高精度微震監(jiān)測壓裂裂縫高度和范圍。由圖11(b)可知，4號壓裂井分3段壓裂結(jié)束后，形成的主裂縫長270 m，裂縫在垂直方向上主要分布于-530～-200 m，累計縫高達330 m，基本實現(xiàn)了礦震關(guān)鍵層的全厚壓裂。

圖11 地面壓裂井布置及壓裂微震監(jiān)測示意

根據(jù)微震監(jiān)測結(jié)果，截至2021-03-13，6306工作面推采約600 m，6304，6305，6303和6306工作面推采至600 m時分別發(fā)生1.5級以上礦震46，57，69和27次，如圖12所示。試驗對比表明，實施地面壓裂后，相同開采范圍內(nèi)1.5級以上礦震頻次平均下降52.9%，大幅降低了煤礦頂板運動型礦震的發(fā)生頻次。

圖12 六采區(qū)工作面回采期間1.5級以上礦震累計發(fā)生頻次

6 問題與討論

東灘煤礦6306工作面在2020-11-30T09：41：29—49連續(xù)發(fā)生2次大能量礦震，微震定位礦震能量分別為7.55×10J(震級1.9級)和2.38×10J(震級2.2級)，震源分別位于煤層上方177 m和128 m處。根據(jù)現(xiàn)場勘察，2次礦震發(fā)生時井下震感較強，雖然對井下人員及設(shè)備未造成影響，但在礦震作用下6306工作面沿空巷道超前200 m巷道出現(xiàn)輕微變形，局部存在底臌和鼓幫，部分地段頂板下沉。礦震發(fā)生時工作面推采約550 m，位于關(guān)鍵層壓裂區(qū)域內(nèi)。

東灘煤礦六采區(qū)6303，6304，6305三個工作面開采期間發(fā)生360余次1.5級以上礦震(最大震級3.04級)，未對工作面造成破壞。但6306工作面在壓裂區(qū)開采期間發(fā)生的礦震造成強烈礦壓顯現(xiàn)，與相鄰工作面開采礦壓顯現(xiàn)存在較大差異。

課題組以東灘煤礦六采區(qū)為工程背景，開展地面壓裂對關(guān)鍵層運動影響的相似材料模擬研究。圖13為正常開采條件下，采空區(qū)上覆巖層自下而上逐層斷裂、回轉(zhuǎn)，主關(guān)鍵層能形成穩(wěn)定的巖梁結(jié)構(gòu)。圖14為采取地面壓裂措施后關(guān)鍵層運動規(guī)律。6306工作面上方主關(guān)鍵層運動模式由原來的逐層彎曲斷裂(形成巖梁結(jié)構(gòu))轉(zhuǎn)變?yōu)檎w滑移失穩(wěn)(不能形成巖梁結(jié)構(gòu))，且整體滑移失穩(wěn)的同時壓迫下位關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，進而將覆巖載荷完全傳遞至工作面前方煤體，易同時誘發(fā)滑移型礦震和工作面沖擊地壓災(zāi)害。

圖13 6304，6305工作面覆巖運動相似材料模擬照片

圖14 6306工作面壓裂后覆巖運動相似材料模擬照片

相似材料模擬主關(guān)鍵層發(fā)生第2次整體滑移失穩(wěn)時推采181.6 cm(相似比為1∶300)相當于實際推采544.8 m，與6306工作面“11·30”礦震發(fā)生時的推采距離(550 m)接近，相似材料模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本一致。

由工作面在壓裂區(qū)開采期間的礦壓顯現(xiàn)和相似材料模擬試驗結(jié)果可以看出，大范圍壓裂措施能夠降低大能量礦震發(fā)生頻次，但也可能改變關(guān)鍵層運動模式，甚至增大井下礦壓顯現(xiàn)強度。因此擬采用地面壓裂工藝防范頂板運動型礦震的礦井，應(yīng)結(jié)合礦井地層結(jié)構(gòu)，開展地面壓裂防控礦震有效性及關(guān)鍵層運動模式影響的相關(guān)研究。

7 結(jié) 論

(1) 基于關(guān)鍵層運動模式將頂板運動型礦震分為關(guān)鍵層斷裂型、關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)型和關(guān)鍵層滑移型3類礦震，建立了基于“關(guān)鍵層運動狀態(tài)”的頂板運動型礦震的能量預(yù)測模型，分別提出了3類頂板運動型礦震能量的計算方法。

(2) 基于頂板運動型礦震誘發(fā)井下和地面災(zāi)害機制，建立了頂板運動型礦震誘發(fā)井下沖擊地壓和地面建筑物震動損害的一體化力學(xué)模型和評估方法，為煤礦頂板運動型礦震誘發(fā)災(zāi)害的預(yù)測提供了基礎(chǔ)。

(3) 提出了分類防控、源頭減震、吸能抗震協(xié)同防控頂板運動型礦震的理念，形成了以低礦震能量、低圍巖密度和高抗震能力為基礎(chǔ)的煤礦頂板運動型礦震及誘發(fā)災(zāi)害防控體系，開展了地面直井壓裂源頭防控頂板運動型礦震的技術(shù)試驗研究。

(4) 根據(jù)工作面在壓裂區(qū)開采期間的礦壓顯現(xiàn)和相似材料模擬試驗結(jié)果，大范圍壓裂措施能夠降低大能量礦震發(fā)生頻次，但也可能改變關(guān)鍵層運動模式，甚至增大井下礦壓顯現(xiàn)強度。