硬厚頂板條件下礦震發生的影響因素分析

王鵬

【摘 要】為有效治理大能量礦震，實現“有震無災”，以東灘煤礦六采區為研究背景，采用微震監測、理論分析、數據統計等手段對東灘煤礦63上04和63上05工作面回采期間礦震進行分析。大能量礦震發生往往與煤層上方堅硬巖層關系密切，硬厚巖層斷裂是導致大能量礦震發生的主要因素，判定3上煤層上方90～180m硬厚砂巖為主導63上04和63上05工作面礦震發生的關鍵巖層；大能量礦震發生往往具有“見方”效應，可據此推演大能量礦震發生的時間和位置。

【Abstract】In order to effectively control the large energy mine earthquake， realize "earthquake without disaster"， taking the six mining area of Dongtan coal mine as the research background， we use microseismic monitoring， theoretical analysis and data statistics to analyze the mine earthquake during the recovery period of 63up 04 and 63up 05 working face of Dongtan Coal Mine. The occurrence of large energy mine earthquake is often closely related to the hard rock above the coal seam， and the fracture of hard and thick rock is the main factor that causes the occurrence of large energy mine. The hard and thick sandstone of 90 ～ 180m above the 3up coal seam is the key rock that leads to the occurrence of ore shock in 63up 04 and 63 up 05 working face. The occurrence of large energy mineral earthquakes often has a "square" effect， which can be used to deduce the time and position of the occurrence of large energy mineral earthquakes.

【關鍵詞】礦震；微震監測；硬厚頂板；影響因素

【Keywords】 mine earthquake； microquake monitoring； hard thick roof； influence factor

【中圖分類號】TD324 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0140-03

1 工程概況

東灘煤礦六采區是近年來礦井主要產煤采區。目前，六采區已采或正采工作面有63上04工作面（首采已采空）和63上05工作面（目前開采約380m），兩工作面位于采區中部且相鄰。63上04工作面標高為-632.5～-709.3m，平均-670.9m，工作面走向長1622.2m，傾斜寬254.3m；63上05工作面標高為-632.1～-676.5m，平均-658.4m，工作面走向長1571.5m，傾斜寬252.9m。兩工作面回采山西組3上煤層，煤層傾角平均5°，煤層厚度平均5.2m且較穩定，煤層硬度f=2～3，結構復雜。工作面無直接頂，基本頂為厚度8～15m的粉砂巖，直接底為厚度9.47～13.26m的細砂巖，工作面采用綜采一次采全高開采方式。63上04工作面2015年12月13日始采，2016年12月10日回采結束；63上05工作面2017年8月2日始采，截至目前已采295m。圖1為六采區63上04和63上05工作面的綜合柱狀圖。

2 六采區礦震發生情況分析

2.1 63上04工作面回采期間礦震情況

自工作面開始生產，63上04工作面及其周圍共監測到有效震動2187次，其中能量低于1×104J的礦震次數1948次，占震動總次數的89.1%，工作面周圍震動主要以小能量震動為主。能量大于1×105J的礦震87次，而震動級別在2.0級以上的震動有35次，占震動總次數的1.6%。大礦震事件均發生在工作面后方采空區內高位頂板，其中發生最大級別礦震為2.71級，能量為8.8×106J，發生在采空區上方頂板，距回采工作面418.4m。東灘煤礦礦震監測采取24小時值班制度，及時對微震監測數據進行分析。大級別震動事件發生時，井下工作面現場均未感覺到震動，工作面及兩順槽支護完整，未出現支護被破壞的狀況[1]。

2.2 63上05工作面回采期間礦震情況

自工作面開始生產，63上05工作面及其周圍共監測到有效震動1260次，其中能量低于1×104J的礦震次數1164次，占震動總次數的92.38%；能量大于1×104J小于1×105J的震動事件71次，占震動總次數的5.63%；能量大于1×105J的礦震25次，而震動級別在2.0級以上的震動有8次，占震動總次數的0.63%。

經對監測到的微震事件分析統計，工作面附近震動主要以小能量震動事件為主，大能量礦震事件均發生在工作面后方采空區內高位頂板，其中發生最大級別礦震為2.55級，能量為4.40×106J，發生在采空區上方高位頂板，距回采工作面204m，工作面回采進尺為352.7m。endprint

東灘煤礦礦震監測采取24小時值班制度，確保及時對微震監測數據進行分析。大級別震動事件發生時，井下工作面現場均未感覺到震動，工作面及兩順槽支護完整，未出現支護被破壞狀況。

3 礦震發生的影響因素分析

3.1 礦震與地質賦存關系分析

從井田地質條件來看，礦震發生區域煤層上方都賦存一層紅層，受風化剝蝕影響，紅層厚度由西南向東北方向逐漸變厚，紅層厚度235～536m。經“SOS”微震監測系統近幾年監測情況來看，兗州礦區賦存此種地質構造的鮑店煤礦十采區和南屯煤礦九采區安排采掘活動時，大礦震事件也頻繁發生，而東灘煤礦六采區處于鮑店煤礦十采區和南屯煤礦九采區中部，63上04工作面和63上05工作面位于六采區中部，在工作面回采期間采空區頂板垮落，引發大級別礦震事件[2]。

3.2 礦震發生的關鍵巖層分析

經對大礦震事件發生位置進行分析，63上04工作面和63上05工作面煤層埋藏深度在-640m～-670m之間，監測到的大能量礦震事件多數發生層位在-560m～-440m之間，即礦震發生的震源在3上煤層上方90～180m之間。因此判定此層巖層是發生礦震的關鍵巖層，由于關鍵巖層的開裂、斷裂，能量釋放時引起震動事件發生，關鍵巖層斷裂誘發大能量礦震原理如圖2所示。

3.3 礦震發生的“見方”效應

63上05工作面回采至255m位置時，工作面正處于“一次見方”區段，“一次見方”區段屬于礦壓影響劇烈區，煤層上方頂板活動劇烈而引發大能量震動事件的發生。自10月13日工作面推進至254m“見方”位置開始，到10月21日工作面推進至295m位置，在此40m區段回采期間發生2.0級以上礦震事件4次，“見方”效應十分明顯。從4次礦震發生的位置來看，基本靠近采空區邊緣。分析認為，在工作面“一次見方”區段，采空區邊緣上方頂板受采動影響“失穩”斷裂，相對采空區頂板活動更易引起強烈震動。

3.4 煤層上方“紅層”對礦震影響

根據對63上04工作面地質資料進行分析，在3上煤層上方賦存有巨厚的“紅層”，紅層厚度235～536m，“紅層”距3上煤層的間距不等，在工作面開切眼附近運順側煤層距“紅層”44.13m，隨工作面向前回采，煤層距“紅層”距離不斷增大，在工作面回采至約1050m時，煤層距離“紅層”距離最大，約為98.45m，之后距離又逐漸減小，在工作面停采位置煤層距紅層的距離約為83m。自1月26日工作面回采至134m位置，到8月11日工作面推進約1000m位置，工作面煤層距紅層的距離由44m增加至98m，發生大礦震事件26次；到11月3日工作面回采至1400m，煤層距頂板上方紅層的距離為98m，基本保持不變，在此期間發生大礦震事件8次。經分析認為，工作面出現大級別震動事件與煤層距紅層的距離變化有密不可分的關系，煤層距紅層的間距變化劇增或劇減時，大礦震事件發生次數將增加。

根據對63上05工作面附近補37、170、6D1、170四個鉆孔資料進行分析，3上煤層上方賦存有巨厚的“紅層”，“紅層”距3上煤層的間距不等，在工作面開切眼附近運順側煤層距“紅層”約30～40m，沿工作面回采方向煤層距“紅層”的間距逐漸增大。根據對43上13、63上04工作面回采期間大能量礦震事件總結，工作面回采距“紅層”的距離由小變大時，大級別礦震事件發生增多。而63上05工作面沿回采方向，距紅層間距正處于由小變大區段，此種情況下也易發生大級別礦震事件。

在63上05工作面“見方”區域頻繁發生大級別礦震事件后，尋找礦震發生的原因，經對資料分析，認為引起礦震的主要因素為：

①多層堅硬巖層斷裂乃至地表沉降引起礦震；

②工作面快速推進或不均勻推進導致巖層應力來不及釋放而積聚，從而引起礦震乃至沖擊；

③63上05與63上04工作面采空區連通后，高位巖層將繼續向地表方向破裂，將引起“由近地表巨厚堅硬巖層破斷規律”決定的礦震[3]。

3.5 工作面回采對礦震影響分析

63上04工作面從開始生產至2016年1月7日前，工作面及附近未出現礦震事件，1月7日以后逐漸有小能量礦震事件發生。經分析，63上04工作面為六采區首采面，在工作面前期生產期間，采空區面積相對較小，采空區上方頂板未出現劇烈活動，所以未出現大級別礦震事件，隨采空區面積增加，出現頂板活動引發關鍵層活動，產生大礦震事件[4]。

經過對35次大礦震事件進行統計，礦震發生前5天進尺大多在30～36m，平均進尺5.2m。在2月16日、18日，2月25日、27日及4月27日、29日，8月2日、3日工作面進尺達到6～7m，連續出現大礦震事件，說明短時間、高強度開采加劇采空區上方頂板活動，引發關鍵巖層活動，引發連續出現大礦震事件。

10月11日，工作面回采至1286.9m，工作面回采過程中先后揭露了LF12、LF16、LF17、LF18、LF13等斷層，受斷層切割影響，改變了頂板的破斷規律，在工作面回采期間，工作面老頂上方斷層附近的堅硬巖層垮落，故10月15日、10月22日、10月26日、11月1日連續出現大級別礦震事件。

12月10日，63上04工作面回采結束，在初采階段采取了切實可行的沖擊地壓防治措施。在發生大級別礦震后，采取了工作面前方應力監測，加強工作面前方煤體鉆屑法監測，加強防護措施落實等措施，確保了工作面安全回采。

4 礦震防治措施

根據以上對礦震發生規律和影響因素的分析，提出以下措施作為63上05與63上04工作面大能量礦震的主要防治措施：

①63上05工作面正常回采期間，最大開采速度不大于6m/d，且盡可能勻速開采。

②加強工作面前方巷道支護質量，保持巷道圍巖穩定，嚴格落實超前支護長度運順不少于60m，軌順不少于120m。

③“見方”和“雙見方”影響區域存在發生大能量礦震可能性，加強井下雙見方區域防沖卸壓和超前支護的措施，嚴格人員和設備管理。加密施工雙“見方”區段沿空順槽預卸壓鉆孔[5]。

④回采期間繼續按照沖擊地壓進行管理，現場嚴格按照沖擊地壓防治措施進行落實。

⑤加強工作面回采期間礦震監測，及時對監測數據進行分析預測預報，及時分析礦震發生規律，以指導工作面安全生產。

5 結論

①對東灘煤礦六采區63上05和63上04工作面回采期間礦震情況監測分析，微震監測表明回采期間以小能量微震事件為主，大能量微震僅占少部分，且大能量微震事件定位主要集中在上覆高位硬巖層內。

②“SOS”微震監測結果表明，“紅層”斷裂是導致大能量礦震發生的主要原因，根據大能量礦震的震源位置判定3上煤層上方90～180m的硬巖為主導礦震發生的關鍵巖層。

③大能量礦震發生往往具有一定的“見方”效應，可據此作為防震防沖的依據。回采速度不均衡和斷層影響可導致大能量礦震頻發，勻慢速開采是減少大能量礦震發生的有效方法，大能量礦震發生后要加強工作面的鉆屑法檢測和實施必要的防震防沖措施，確保安全回采。

【參考文獻】

【1】姜福興，曲效成，倪興華，等.鮑店煤礦硬巖斷裂型礦震的預測[J].煤炭學報，2013，38（S2）：319-324.

【2】李鐵，張建偉，呂毓國，等.采掘活動與礦震關系[J].煤炭學報，2011，36（12）：2127-2132.

【3】王平，姜福興，馮增強，等.高位厚硬頂板斷裂與礦震預測的關系探討[J].巖土工程學報，2011，33（04）：618-623.

【4】賀虎，竇林名，鞏思園，等.高構造應力區礦震規律研究[J].中國礦業大學學報，2011，40（01）：7-13.

【5】陸菜平，竇林名，曹安業，等.深部高應力集中區域礦震活動規律研究[J].巖石力學與工程學報，2008（11）：2302-2308.endprint