楊福禹 張振揚(yáng) 郝生雷 周江闊

(兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號煤礦，山東省濟(jì)寧市，272069)

礦震是一種常見的礦山動力災(zāi)害，隨著我國煤礦逐漸進(jìn)入深部開采，礦震災(zāi)害問題日趨嚴(yán)重，尤其是在大震級礦震事件頻發(fā)的采區(qū)，易于發(fā)生礦震誘發(fā)煤與瓦斯突出的事故。區(qū)別于一般的地質(zhì)條件，厚表土層薄積巖地質(zhì)條件下，表土層作用在薄基巖的附加載荷會造成后段運(yùn)動缺失，巖層破斷形式為沿煤壁整體切斷垮落，而不存在巖層的縱向離層運(yùn)動，更容易發(fā)生礦震事故[1-4]。上覆高位頂板巖層破斷導(dǎo)致礦震發(fā)生，而礦震為煤與瓦斯突出的發(fā)生提供動力源和能量源，是誘發(fā)煤與瓦斯突出的重要因素之一。薄基巖條件下礦震誘發(fā)煤與瓦斯突出是一種新型的災(zāi)害，國內(nèi)外的研究還沒有就其機(jī)理與防治技術(shù)達(dá)到完全認(rèn)識與根治的程度。因此本文以巨野煤田趙樓煤礦為研究對象，探討了薄基巖采場礦震誘發(fā)煤與瓦斯突出的機(jī)制，并給出了防治措施，對類似條件下煤礦礦震誘發(fā)煤與瓦斯突出的防治具有借鑒意義。

1 工作面概況

趙樓煤礦3303工作面開采標(biāo)高-850～-890 m，表土層厚度約588 m，地面標(biāo)高+43.3～+43.6 m，直接頂和基本底均為堅硬砂巖。基巖與表土層比例約為1∶1.6，是典型的深部薄基巖厚表土層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)3303工作面的地質(zhì)資料可知，該區(qū)域斷層發(fā)育明顯，斷層多且相互切割，呈星羅密布、縱橫交錯式結(jié)構(gòu)。在縱向上整體穿透斷層的存在，破壞了地層的整體連續(xù)狀態(tài)，形成了“棋盤式”的構(gòu)造格局。斷層的切割將一個整體連續(xù)的板塊，切割成多個破碎的板塊，斷層切割的邊界視為簡支梁。簡支梁解除周邊約束，重力作用更加明顯，垮落步距減小，工作面頂板斷裂速度快、釋放能量大，易于發(fā)生礦震[5-6]。

2 礦震誘發(fā)煤與瓦斯突出發(fā)生機(jī)制

煤與瓦斯突出的孕育和發(fā)展是一個復(fù)雜的非線性過程，但其物理變化的本質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)化。厚表土層薄基巖條件下采場巖層整體切斷垮落導(dǎo)致礦震，而礦震為煤與瓦斯突出的發(fā)生提供了動力源和能量源，是誘發(fā)煤與瓦斯突出的重要因素之一[7-8]。

2.1 上覆巖層破斷及運(yùn)動規(guī)律

趙樓煤礦3303工作面表土層厚度約為588 m，基巖與表土層比例約為1∶1.6。表土層厚導(dǎo)致作用在頂板巖層的應(yīng)力高，對回采工作面產(chǎn)生較大影響。由于頂板巖層為砂巖，彈性模量大、強(qiáng)度高，在回采過程中容易產(chǎn)生大面積懸頂，隨著回采工作的進(jìn)行，巖層裂隙的寬度增加，厚表土層作用在基巖上的高集中應(yīng)力使頂板產(chǎn)生斷裂并控制上方巖層一起運(yùn)動。研究表明，巨厚巖層將以板的形式承載并發(fā)生破斷，因此，可以借鑒薄板的理論，覆巖呈“O-X”斷裂，斷裂規(guī)律如圖1所示。

圖1 覆巖“O-X”斷裂規(guī)律圖

2.2 上覆巖層斷裂過程能量傳播

當(dāng)巖層為軟巖石或巖層破碎時，損耗的能量越大，堅硬頂板損耗的能量越小。因此，在上覆堅硬頂板斷裂失穩(wěn)過程中，既會導(dǎo)致巖層下方的煤巖體能量增加，產(chǎn)生沖擊波，又會使煤巖形成動態(tài)負(fù)載，打破巖層下方煤巖體的平衡狀態(tài)，當(dāng)上覆巖層斷裂產(chǎn)生的震動能與積聚在煤巖體中的彈性能疊加，當(dāng)能量的疊加超過煤巖體所承載的極限時，就會發(fā)生礦震。

因此，上覆巖層斷裂所釋放的能量為：

(1)

式中：U——上覆巖層斷裂所釋放的能量；

ui——上覆巖層垮落的動能；

mi——上覆巖層質(zhì)量；

t——上覆巖層斷裂時間；

i——巖層斷裂的層數(shù)；

Uv——煤巖體儲存的彈性能；

Uw——上覆巖層彎曲變形能。

上覆巖層越厚、堅硬，斷裂向下傳播的能量損耗越少，下方煤巖體積聚的彈性能越大，發(fā)生沖擊低壓的危險性越高。而當(dāng)垂直方向存在已垮落的采空區(qū)時，由于采空區(qū)內(nèi)充滿破碎巖層，可以對能量傳遞進(jìn)行部分吸收。

2.3 礦震誘發(fā)煤與瓦斯突出機(jī)制

表土層作用在薄基巖的附加載荷會造成后段運(yùn)動缺失，巖層破斷形式為沿煤壁整體切斷垮落，而不存在巖層的縱向離層運(yùn)動，這個過程會造成工作面礦震。礦震為煤與瓦斯突出的發(fā)生提供能量源和動力源。厚表土層薄基巖的地質(zhì)條件也會使煤體能量積聚，從而由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，在這種條件下煤體會產(chǎn)生裂紋裂隙，孔隙壓力降低，吸附的瓦斯解析成游離的瓦斯膨脹。當(dāng)頂板積聚的能量超過其所能承載的極限時，頂板整體垮落釋放巨大的能量，而煤體的動能進(jìn)一步使局部的瓦斯解析膨脹，在振動的聯(lián)合作用下，誘發(fā)裂紋裂隙解吸出的游離瓦斯異常涌出，如圖2所示。

當(dāng)上覆巖層的懸頂面積、懸長和彎矩達(dá)到最大時，礦震誘發(fā)煤與瓦斯突出的危險性就越高。在工作面開采過程中，一些特殊區(qū)域，如斷層、褶曲或者煤柱區(qū)域，能量積聚大，再加上礦震的影響，煤與瓦斯突出發(fā)生的危險性很高。

圖2 礦震誘發(fā)煤與瓦斯突出示意圖

3 表土層厚度對礦震影響數(shù)值模擬

采用RFPA分別對3303運(yùn)輸巷垂直方向施加20 MPa、25 MPa、30 MPa垂直應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，通過主應(yīng)力和聲發(fā)射情況來判斷不同表土層厚度對巷道底板破壞的影響。不同應(yīng)力條件下巷道破壞主應(yīng)力和聲發(fā)射圖見圖3。

圖3 不同應(yīng)力條件下巷道破壞主應(yīng)力和聲發(fā)射圖

由圖3可知，隨著表土層厚度的增加，上覆巖層作用在巷道垂直方向上的載荷逐漸增大；隨著應(yīng)力的增加，巷道破壞更加嚴(yán)重。因此，可以得知，隨著表土層厚度的增加，發(fā)生礦震的危險性逐漸增強(qiáng)。

厚表土層薄基巖的地質(zhì)條件，上覆巖層相比較一般地質(zhì)條件承受的應(yīng)力載荷大，加上頂板為堅硬砂巖，因此，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時，頂板整體垮落釋放巨大的能量，從而發(fā)生礦震。厚表土層的地質(zhì)條件使煤層能量積聚，產(chǎn)生裂隙，裂隙壓力降低，吸附的瓦斯解析成游離的瓦斯膨脹。而礦震的發(fā)生會為煤與瓦斯突出提供動能，從而誘發(fā)煤與瓦斯突出。因此，厚表土層薄基巖的地質(zhì)條件比一般地質(zhì)條件更容易誘發(fā)煤與瓦斯突出。

4 礦震誘發(fā)沖擊地壓防治技術(shù)

4.1 頂板深孔爆破斷頂

工作面卸壓主要以大直徑鉆孔卸壓為主，當(dāng)大直徑鉆孔卸壓不能夠發(fā)揮作用，且在大范圍懸頂時，需要慎重采用頂板深孔爆破斷頂，從而降低礦震危險性，爆破有可能誘發(fā)沖擊地壓。對3303工作面輔助巷與膠帶巷沿兩側(cè)頂板進(jìn)行爆破切頂卸壓。

在膠巷道和輔助巷兩側(cè)按照扇形孔布置，每組4個鉆孔，每側(cè)2個。每組間距20 m，第一組距離開切眼的距離不大于50 m。扇形孔中長孔長度設(shè)計為15 m，裝藥8 m，封孔7 m；短孔設(shè)計孔深為12 m，裝藥6 m，封孔6 m，鉆孔直徑42～50 mm。長鉆孔仰角75°，傾角90°(垂直巷道中線)；短鉆孔仰角60°，傾角80°，傾向采空區(qū)側(cè)。頂板深孔爆破預(yù)裂示意圖見圖4。

圖4 頂板深孔爆破預(yù)裂示意圖

4.2 預(yù)先瓦斯抽放

3303工作面對瓦斯進(jìn)行提前預(yù)抽，共布置預(yù)抽鉆孔2625個，鉆孔孔徑?65 mm，孔間距0.6～1.0 m，孔深60～105 m，封孔材料為聚氨酯，封孔長度8 m，鉆孔角度與煤層傾角一致，抽放負(fù)壓25.864～25.998 kPa。

4.3 煤層注水

在趙樓煤礦3303工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷各布置10個注水鉆場，孔徑?94 mm、孔底間距15 m、孔深要求保證兩巷道鉆孔覆蓋全工作面。開孔高度在巷道底板往上1.0～1.5 m，鉆孔角度沿煤層傾角施工。各注水鉆孔注水卸壓參數(shù)見表1。

表1 各注水鉆孔注水卸壓參數(shù)

5 卸壓效果檢驗

3303工作面危險區(qū)域進(jìn)行卸壓后，采用鉆屑法對不同危險區(qū)域進(jìn)行效果檢驗，以確定工作面沖擊地壓危險是否解除，確定卸壓效果。

隨著工作面的推進(jìn)，在運(yùn)輸巷靠煤壁側(cè)每隔50 m布置1組鉆孔進(jìn)行監(jiān)測，每組3～5個鉆孔，監(jiān)測范圍為10～20 m。鉆孔直徑為42 mm，鉆孔深8 m，鉆孔間距5 m，鉆孔距底板1.2 m，鉆孔單排布置并垂直于煤壁。

經(jīng)鉆屑法監(jiān)測后，隨機(jī)選取一組中5個監(jiān)測鉆孔，根據(jù)記錄的鉆屑相關(guān)數(shù)據(jù)得出如表2所示的煤粉鉆屑量變化情況。由表2可知，1#～5#鉆孔的煤粉鉆屑量相差不大，在鉆孔深4 m后，鉆屑量普遍平穩(wěn)，說明在煤壁內(nèi)積聚的能量達(dá)到穩(wěn)定，在鉆孔深7 m時鉆屑量平均為2.86 kg/m，雖然鉆屑量有所增加，但都穩(wěn)定在2.9 kg/m上下，最大值未超過沖擊地壓危險臨界值3.4 kg/m，說明防控卸壓效果明顯，大大降低了煤體內(nèi)積聚的沖擊能量。

表2 強(qiáng)沖擊危險區(qū)域鉆屑法監(jiān)測數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

(1)根據(jù)上覆巖層的運(yùn)動破斷及運(yùn)動規(guī)律，得出了厚表土層薄基巖條件礦震誘發(fā)煤與瓦斯突出的機(jī)制，堅硬頂板斷裂釋放巨大的彈性能，為煤與瓦斯突出的發(fā)生提供了能量源。

(2)采用RFPA對不同表土層厚度條件下巷道破壞情況進(jìn)行數(shù)值模擬，表土層厚度越大，發(fā)生礦震災(zāi)害的危險性越高，從而更容易誘發(fā)煤與瓦斯突出。

(3)采用爆破斷定、抽放瓦斯、煤層注水的措施對礦震誘發(fā)煤與瓦斯突出進(jìn)行防治，并采用鉆屑法進(jìn)行效果檢驗，取得了良好的防治效果。