厚硬岩层下孤岛工作面开采“T”型覆岩结构与动压演化特征

曹安业，朱亮亮，李付臣，窦林名，赵永亮，张贞良

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；4.兖州煤业股份有限公司 鲍店煤矿，山东 邹城 273513)

厚硬岩层下孤岛工作面开采“T”型覆岩结构与
动压演化特征

曹安业1,2,3，朱亮亮1,2,3，李付臣4，窦林名1,2,3，赵永亮4，张贞良4

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；4.兖州煤业股份有限公司 鲍店煤矿，山东 邹城 273513)

为研究厚硬岩层下孤岛工作面开采对强矿震或冲击矿压的影响，理论分析鲍店矿103上05孤岛工作面厚硬覆岩空间结构及其破断运动对矿震活动的影响，并对孤岛面开采的冲击矿压危险性进行了动态评价。研究表明：103上05工作面在竖向剖面上为一非对称“T”型孤岛覆岩结构，其长臂侧易出现关键层大尺度破断运动，诱发强矿震与冲击矿压的危险性较高；在水平层面上亚关键层破断形成“O”型断裂结构，巨厚主关键层则以大尺度“OX”模式分层破断。各级关键层的逐级破断与运动是矿震活动的主要动力源。根据微震实测，矿震活动多集中在“T”型结构长臂侧，尤其是能量大于105J的强矿震主要出现在103上06采空区与103上05工作面巨厚主关键层中，并表现出很高的S，P波能量比。通过波速梯度异常区的动态反演，对“T”型孤岛面覆岩运动的动压危险性进行评价，效果良好。同时，分别进行煤层静载预卸压与低位顶板走向步距式超前预裂，降低了强矿震活动对煤体的冲击扰动效应。

厚硬岩层；孤岛工作面；覆岩结构；矿震；冲击矿压；关键层

覆岩的破坏状态和运动决定了采煤工作面的矿压显现程度，也是煤矿矿震、冲击矿压等动力灾害的重要诱发因素[1]。特别是面临多侧采空的孤岛工作面开采，由于受相邻采空区应力叠加影响，工作面附近应力集中程度与范围更高，覆岩断裂高度、运动范围及剧烈程度更大，若同时存在厚硬岩层、大采深等因素交织影响，其开采诱发强矿震、冲击矿压的危险性也就更高[2-3]。

一些学者对孤岛工作面覆岩结构的分类及其运动破坏方式对矿震、冲击矿压的影响进行了研究，对孤岛面开采冲击矿压、矿震的监测预警进行过有意义的探讨[2-10]。例如，姜福兴[4]提出了长壁采场覆岩空间结构理论，对“O”、“S”、“C”与“θ”型等不同空间结构下的矿压规律进行了研究。汪华君[5]研究了四面采空“θ”型空间结构的运动与控制，提出利用分阶段控制放煤率控制顶板运动的方法。成云海等[6]研究了三面采空 “C”型孤岛工作面覆岩结构特点与应力场分布规律。贺虎、王国瑞等[2,8]提出了孤岛工作面开采的“T”型覆岩结构形态与分类。

目前覆岩破断运动规律研究大多针对单一工作面或单一岩层结构的力学分析，而巨厚岩层下孤岛面覆岩破断运动往往受相邻多个工作面的开采地质条件影响，或是开采作用下的覆岩空间结构相互影响、协同运动与失稳的结果。本文以兖州鲍店煤矿103上05孤岛工作面为例，理论分析该孤岛面上覆巨厚关键岩层的大尺度破断结构与过程，基于矿山微震监测探索巨厚覆岩破断运动与强矿震活动的相关性，为工作面强矿震、冲击矿压的防控提供依据。

1 工程概况

103上05工作面位于鲍店煤矿十采区南部，地面平均标高+42.12 m，井下平均标高-428 m，最大采深500 m左右，基本顶为22.64 m厚的粗砂岩，尤其是煤层130 m上方赋存厚达200 m的巨厚粗砂岩(“红层”)。更重要的是受压煤影响，采区未能有序开采，造成该面形成孤岛工作面，即南部与103上06采空区毗邻，北部与04，03，02，01采空区相邻，东部为井田边界，西部与二采区采空区相邻，如图1所示。因此，受多层厚硬岩层与孤岛结构的双重影响，其覆岩运动和矿压显现特征与普通工作面开采有较大差别，工作面附近应力集中程度较高，其开采极易诱发强矿震甚至冲击矿压的发生。

图1 103上05工作面布置Fig.1 Layout of 10305 isolated face

图2为103上05工作面内99-1钻孔综合柱状图，根据关键层理论，判别煤层上方22.64 m厚的基本顶为低位亚关键层，距煤层106 m、厚约20.07 m的粉砂岩层为高位亚关键层，距煤层约130 m、总厚达206 m的巨厚“红层”为高位主关键层。同时，考虑到主关键层内存在两层明显的泥质胶结软弱夹层，该岩层更可能是分层破断。

2 孤岛面覆岩空间结构形态分析

2.1 竖向剖面非对称“T”型结构特征

关键层理论认为关键层对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用[11]。在厚硬岩条件下，由于单个工作面开采范围小，巨厚关键层不一定断裂，反而是相邻后续工作面的开采可能导致巨厚关键层形成大尺度的覆岩结构。103上05工作面北侧01，02，03，04采空区宽度范围(约750 m)远大于其开采深度(约450 m)，顶板垮落充分，属充分采动，南侧06采空区宽度(约200 m)相对较小，覆岩裂隙发育高度有限，开采尚未能引起高位主关键层的大范围破断运动。

因此，在覆岩竖向剖面上，103上05工作面属一侧充分采动、一侧非充分采动的非对称“T”型孤岛工作面。考虑到巨厚关键层存在两层软弱夹层，该岩层应该是分层破断，其回采前覆岩结构示意图如图3所示。

图2 99-1钻孔综合柱状图Fig.2 Synthesis column of borehole 99-1

图3 103上05工作面回采前“T”型覆岩结构示意Fig.3 T-type overlying strata structure above 10305 isolated face before face mining

因“T”型结构长臂侧主关键层尚未断裂，103上05工作面回采后，05，06工作面采空区覆岩易形成一个较大结构拱，引起上覆巨厚岩层的整体性破断运动，诱发高能量矿震活动，强矿震与冲击危险性相比短臂侧更高。

2.2 水平层面“O-X”型结构特征

在覆岩水平层面上，各级关键层初次断裂将以“O-X”模式破坏，且各关键层形成的破断结构亦有主、亚之分[7]。根据文献[2]研究成果，因103上05工作面三侧采空，工作面开采后亚关键层板四边相继破断形成“O”形圈，并扩展至两侧断裂线，且由于“T”型结构两侧已采空，断裂线与两侧原“OX”工作面“X”破断线贯通，不能形成完整的“O-X”断裂线；而主关键层因横跨05，06等多个工作面，主关键层断裂形成巨型的“O-X”破断结型，如图4所示。

图4 “O-X”破断模式Fig.4 O-X fracturing structures

同时，虽然103上05工作面主关键层厚度巨大，但是因存在软弱夹层等结构面，主关键层破断很有可能首先沿弱面剪切形成若干独立岩层，然后分层发生“O-X”破断[12]，如图5所示。

图5 主关键层的弱面剪切与“O-X”分层破断模式Fig.5 Weak plane shear and O-X fracture model of main key strata

3 “T”型覆岩空间结构运动对矿震活动的影响

3.1 “T”型覆岩空间结构诱发震动过程

103上05工作面上方各级关键层的逐级破断，造成工作面顶板及两侧巷道煤壁应力的叠加连锁反应，是矿震活动的动力源。

根据文献[13]，悬顶系统贮存的弹性能为

(1)

式中，U为系统的变形能；ε为系统的应变矩阵；σ为系统的应力矩阵；V为贮能系统的体积。

考虑103上05工作面的孤岛状态，设“T”型覆岩悬顶结构为沿走向方向的简支梁，在均布载荷q作用下，式(1)[13]可表达为

(2)

式中，q为均布载荷，Pa；l为悬梁长度，m；b为梁宽，m；E为抗弯刚度；I为梁的横截面惯性矩；h为梁厚，m。

可见，顶板悬顶越长，其破断释放弹性能越多，诱发矿震能级也越高。基于式(2)与十采区煤岩物理力学性质，可得亚关键层释放的总弹性能处于105～106J级，主关键层释放的总弹性能处于108～109J级。同时，覆岩破断释放的总能量中约有0.1%～1%是以矿震震动波的形式释放[14]，故主、亚关键层破断过程中诱发矿震能级分别处于105～107J，102～104J级。

针对103上05工作面的非对称“T”型孤岛结构，顶板产生矿震过程可包括[2]：低位亚关键层拉破断→低位关键块旋转挤压→“T”型长、短臂低位亚关键层旋转失稳→高位亚关键层拉破断→高位亚关键块旋转→“T”型长、短臂高位亚关键层滑移失稳→低位岩层被动失稳→“T” 型长臂主关键层弱面剪切→“T” 型长臂主关键层“O-X”破断。初次震动循环完成后，相继发生周期震动循环。覆岩局部断裂诱发矿震示意如图6所示。

图6 覆岩破断诱发矿震过程Fig.6 The process of tremors induced by strata fracturing

3.2 “T”型孤岛面开采矿震震源空间演化

如图7所示，103上05工作面开采后，“T”型长臂侧的05，06工作面区域矿震活动较集中，覆岩运动较剧烈，动压危险性高，而“T”型短臂侧的矿震分布相对较少，动压危险性较低。

图7 部分开采时期矿震活动平面分布Fig.7 Plan view of seismic events during partical mining period of 10305 isolated face

图8为能量E>105J强矿震空间分布情况。可见，强矿震主要分布在“T”型结构长臂侧的巨厚关键层中。05，06工作面的长臂结构使关键层形成大面积悬空条件，关键层大尺度破断、运动诱发强矿震活动，多次造成工作面矿压异常与地表晃动。

S，P波的能量比，可快速判别岩层破断诱发矿震震源破裂类型。岩层剪切破断或滑移失稳的明显证据，即P波能量为S波的一小部分[15]。103上05工作面开采诱发的高能量强矿震表现出很高的S，P波能量比(ES/EP>20)，甚至达103数量级，如图9所示，ES/EP<10的只占9%。可见，强矿震活动主要受“T”型长臂主关键层的层面剪切、滑移失稳等诱发。

4 “T”型孤岛面开采动压危险的P波波速动态评价

研究表明，高应力或高应力差区域，往往出现P波波速的正异常或波速梯度异常[16-17]。煤层开采后形成的采空区导致覆岩加载到相邻支撑区域，形成应力降低区与高应力区。应力降低区(采空区)对应低波速区，应力集中区对应高波速区，高应力差区域则波速梯度变化明显[16-17]。因此，基于矿山微震监测，进行矿震P波波速或波速梯度的层析成像，可对103上05工作面“T”型孤岛覆岩运动诱发的动压危险性进行动态评价。

图10(a)为103上05工作面2012年3月开采初期顶板内P波波速梯度成像云图。图中比色条代表P波波速梯度异常值An，且有An=(VG-VGa)/VG,VG为正某点P波波速梯度值，VGa为波速梯度平均值。当An为正异常时，数值越大应力集中程度越高，当An为负异常时，绝对值越大卸压程度越高。由图可见，高波速梯度异常区域主要分布在“T”型结构长臂侧的05工作面、06采空区交接处，判定该区域为强矿震异常区，后续开采阶段的动压危险性较高。图10(b)为103上05工作面4月份能量E>5×103J的矿震分布，可见下一回采阶段的高能量强矿震主要发生于高波速梯度区域内。

图10(c)为103上05工作面2012年4月顶板内P波波速梯度成像云图，可见高波速梯度异常的反演可信区域仍主要分布在“T”型结构长臂侧的05工作面及05，06面交接处，上述区域在后续开采阶段为强矿震异常区，动压危险性较高。图10(d)为103上05工作面5月份能量E>5×103J的矿震分布，下一阶段的高能量矿震主要发生于高波速梯度异常区域内。

图10(e)为103上05工作面2012年7月份顶板内P波波速梯度成像图。由图可见，高波速梯度异常区域仍主要分布在“T”型结构长臂侧05,06工作面区域，而8月份能量E>5×103J的矿震、尤其是E>5×105J的高能量矿震主要发生于高波速梯度异常区域内或临近区域，可见103上05工作面开采的强动压危险主要受“T”型结构长臂侧覆岩破断运动所控制。

图10(g)为103上05工作面2012年9月份临近终采线开采时顶板内P波波速梯度成像图。由图可见，随着工作面逐渐接近十采区边界煤柱区域，采空区的大范围贯通及上覆岩层的组合运动使P波波速梯度异常区也有所扩大，高波速梯度异常区在“T”型结构长、短臂及采区边界煤柱区域均有分布。图10(h)为103上05工作面10月末采阶段能量E>5×103J的矿震分布，矿震活动基本分布于反演的高波速梯度可信区域内，耦合性较好。

图10 P波波速梯度异常反演结果Fig.10 Velocity inversion results of 10305 isolated face

图11 103上05工作面大直径钻孔卸压示意Fig.11 Sketch of deep hole pressure-relief in 10305 isolated face

5 “T”型孤岛面开采动压扰动效应的防控

为防止“T”型孤岛面覆岩空间运动诱发采掘空间冲击矿压灾害，103上05工作面超前对两巷煤体进行了大直径钻孔卸压处理，释放静态弹性能，降低工作面静载应力集中程度，静载钻孔弱化方案如图11所示。

同时，工作面主关键层、高位亚关键层因距离煤层较远，无法对其实施深孔爆破、水力致裂等控制措施，只有通过对低位亚关键层实施结构强度弱化，提高煤岩介质对震动波的阻尼影响，以降低高位关键层破断诱发强矿震对煤体的动态破坏效应。工作面开采过程中，沿推进方向在两巷每隔10 m、超前实施了低位关键层预裂爆破，弱化顶板结构，减小了基本顶来压步距和运动剧烈程度，如图12所示。

图12 103上05工作面顶板预裂爆破示意Fig.12 Schematic diagram of roof pre-blasting borehole in 10305 isolated face

通过上述对103上05孤岛工作面诱发冲击危险的静载、动载力源的针对性解危处理，降低了“T”型孤岛面覆岩空间运动对工作面煤体的动压扰动影响，确保工作面安全回采。

6 结 论

(1)在竖向剖面上103上05工作面为非对称“T”型孤岛结构，且“T”型长臂侧关键层易出现大尺度断裂运动，动压危险性较高；在水平层面上亚关键层破断只能形成“O”型断裂结构，巨厚主关键层易出现大尺度“OX”型分层破断。工作面“T”型覆岩结构的破断运动，是矿震活动的主要力源。

(2)矿震活动多集中在“T”型结构长臂侧，尤其是强矿震主要发生于05,06工作面巨厚主关键层中。通过矿震P波波速梯度反演，可动态评价采动过程中矿震危险区与动压危险性，佐证了“T”型覆岩结构运动对高能量矿震的诱发作用。

(3)对工作面分别进行煤层静载预卸压与低位顶板走向步距式超前预裂，提前对煤体动、静载进行弱化处理，提高煤岩介质对震动波的阻尼作用，“T”型孤岛结构诱发的强矿震扰动未导致工作面的破坏性冲击失稳。

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CharacteristicsofT-typeoverburdenstructureandtremoractivityinisolatedfaceminingunderthick-hardstrata

CAO An-ye1,2,3，ZHU Liang-liang1,2,3，LI Fu-chen4，DOU Lin-ming1,2,3，ZHAO Yong-liang4，ZHANG Zhen-liang4

(1.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;2.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducationofChina,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;3.StateKeyLaboratoryofCoalResourceandSafeMining,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;4.BaodianCoalMine,YanzhouCoalMiningCompanyLimited,Zoucheng273513,China)

To study the influence of isolated coal face mining on rock burst or strong tremor,the structure characteristics of thick-hard strata above 10305 isolated face were analyzed in this paper,and the seismic activity and burst risk were also monitored and analyzed.The results show that the strata structure above 10305 isolated face is an unsymmetrical isolated “T” structure,with the main key strata fractured on the short-arm side and non-fractured on the long-arm side,that is,the long-arm main key strata will fractrure and move in large-scale after face mining,and the risk of strong tremor or rock burst is relatively high.In addition,the inferior key strata can only form “O” fracturing structures,and the super-thick main key strata will form layered “O-X” structures,while the fracturing and movement of main and inferior key strata are the main sources of seismic activities.According to seismic monitoring,seismic events manily located on the long-arm side of “T” structure,especially the strong tremors occurred almost within the super-thick main key strata above 10305 and 10306.Moreover,the stong tremors present high ratios of S-wave to P-wave energy,which means they are mainly the results of shear fracturing or slip movement of main and inferior key strata.The burst risks caused by unsymmetrical “T” structure were evaluated by volocity gradient inversion,and the evaluation results are satisfactory.The big-diameter pressure-relief boreholes in coal seam and pre-blastings in main roof were implemented respectively in advance,and the burst effects of strong tremors were greatly reduced.

thick-hand strata;isolated coal face;overburden structure;tremor;rock burst;key stratum

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2019

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB226805)；国家自然科学基金青年基金资助项目(51204165)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(SZBF2011-6-B35)

曹安业(1982—)，男，江苏盐城人，副教授，博士生导师。E-mail:caoanye@163.com。通讯作者：窦林名(1963—)，男，青海平安人，教授，博士生导师。E-mail:lmdou@126.com

TD324

A

0253-9993(2014)02-0328-08

曹安业，朱亮亮,李付臣,等.厚硬岩层下孤岛工作面开采“T”型覆岩结构与动压演化特征[J].煤炭学报,2014,39(2):328-335.

Cao Anye，Zhu Liangliang,Li Fuchen,et al.Characteristics of T-type overburden structure and tremor activity in isolated face mining under thick-hard strata[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):328-335.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2019