某矿上覆采空区条件下矿震发生规律

毛怀昆　苏雁军

(1.山东能源新矿集团孙村煤矿；2.山东裕隆矿业集团义能煤矿有限公司)



某矿上覆采空区条件下矿震发生规律

毛怀昆1苏雁军2

(1.山东能源新矿集团孙村煤矿；2.山东裕隆矿业集团义能煤矿有限公司)

分析了某矿103下04工作面矿震发生的影响因素，认为岩性条件、开采深度及地质构造是工作面矿震发生的主要影响因素。通过对103下04工作面回采期间矿震事件进行统计，分析了矿震发生的时空关系、矿震发生的频率和次数与工作面推进速度的关系、矿震事件空间演化规律，并进一步分析了该矿上覆采空区条件下的矿震发生规律，即强矿震事件范围“窄”、回采空间矿震显现“弱”。

采空区冲击地压矿震

冲击地压是矿山开采中发生的煤岩体动力灾害之一，随着煤炭开采深度和开采强度的不断增加，冲击地压问题日趋严重，特别是在大震级、大能量的矿震事件频发的采区，易发生矿震诱发的冲击地压事故[1]。但目前对于矿震诱发冲击地压的发生机制和防冲研究尚未形成合理有效的技术体系。某矿十采区3上工作面上覆存在巨厚红层(主关键层)，随着采动的影响，上覆岩层发生断裂、下沉和回转，上覆岩层运动稳定后将形成稳定的承载结构。十采区3下工作面与3上工作面间距9.3～11.5 m，3下工作面回采将对3上工作面采空区上方已稳定的岩层造成二次扰动，易诱发矿震甚至强震事件的发生，严重威胁了工作面的安全生产。因此，研究上覆采空区条件下的矿震发生规律，对于类似地质及开采条件下矿井的安全回采具有重要意义。

1　工作面地质概况

某矿103下04工作面为十采区3下煤层工作面，工作面地面标高+41.87～+44.21 m，平均+42.81 m，井下标高-423～-556 m，平均-489 m，煤层埋深约520 m，煤层厚度3.0～3.6 m，平均3.42 m，工作面走向长1 547 m，倾向长206 m，面积319 445 m2。103下04 工作面位于矿井东南部，工作面西部上方为白马河。工作面设计停采线位于白马河西河堤以西390～434 m，工作面切眼位于白马河东河堤以东958～998 m，地表主要为农田及河流。

2　矿震发生的影响因素

2.1岩性条件

一般来说，岩石坚硬而强度大时，其弹性能量指数(岩石单轴加卸载试验时弹性变形能与耗损应变能之比)和弹性变形能指数(岩石储存能量的特性与单轴抗压强度的平方成正比，与弹性模量成反比)等参数较大，易孕育并发生矿震[2-3]。103下04工作面上方岩层以砂岩为主，因此该工作面覆岩易积聚能量，覆岩破断易发生矿震事件。此外，3上煤层上方高位存在巨厚红层砂岩(主关键层)，红层砂岩破断、运移，易诱发强震事件。

2.2开采深度

主应力强度与岩石的埋藏深度成线性关系，最大主应力σ1与埋藏深度H的关系为

(1)

式中,a0、b0为拟合参数。

式(1)表明，随采深加大，应力水平增加，变形增大，矿震强度呈增加趋势。

2.3地质构造

矿震主要发生在地质构造较复杂、构造应力较大、断裂活动较显著的区域。采掘活动是矿震发生的诱发因素，是外因；地质构造是矿震发生的控制因素，是内因。地质构造复杂、断裂活动明显的区域，存在较大的应力集中，积聚较大的变形能。同时该类区域的岩层经历了复杂的地质作用，其物理力学性质发生了较大变化，处于峰值强度后的软化变形阶段，成为非稳定介质，与周围区域的岩体构成非稳定的变形系统，在采掘活动和上覆巨厚岩层运动的作用下释放能量，从而产生矿震。

3　矿震发生规律

3.1矿震能量分析

103下04工作面开采期间，临近工作面和采区周围会有不同程度的矿震事件发生，对工作面的开采造成一定的影响，对2013年11月29日—2014年8月20日微震监测数据进行统计分析发现，在十采区及临近区域共监测到矿震1 160个，其中最大能量为1.93×107J，最小能量为14.8 J，平均能量为1.28×105J，震动能量分级统计结果见表1。由表1可知：震动能量主要集中于102～103J，占总矿震数量的77.58%，说明全矿微震强度较小，以小能量释放的微震事件为主。

表1　微震数据统计

3.2矿震事件时间序列分析3.2.1强矿震事件发生的时空关系

103下04工作面(2013年11月28日—2014年8月8日)微震事件震动频率、能量时间序列、能量随工作面推进的变化特征见图1。由图1可知：矿震事件能量及频次呈现周期性变化，平均周期约为30 d，周期推进距离为100～150 m，另外，强矿震也主要发生在高频次、高能量时期，即主关键层裂断时，发生下沉移动，导致强矿震的发生。

图1　103下04工作面微震事件震动频次、能量时间序列 ———能量;■—频次

3.2.2矿震发生的频率与工作面推进速度的关系

矿震发生的频率与工作面推进速度、开采强度有关。工作面推进速度越快、开采强度越高，矿震发生频率越大、次数越多，反之越少，工作面停产检修期间基本无矿震事件发生，特别是102～103J、103～104J等小能量矿震事件更加符合该规律。开采速度与矿震发生频率的关系如图2所示。由图2可知：3下煤层工作面推进速度超过6 m/d时，各能量级的日震动能量增加加快。因此，综合考虑工作面的微震活动特点，认为将3下工作面推进速度控制在(4～6)m/d以内，可确保工作面的安全回采。

图2　工作面开采速度与矿震发生频率的关系

3.3103下04工作面矿震事件空间演化规律

103下04工作面回采期间矿震事件分布情况见图3。由图3可知：①104～105J的矿震在断层线附近发生频繁，说明该处存在一定的冲击地压危险性，但由于断层落差为3～5 m，积聚的能量不大，因此未造成大的矿震事件发生；②3下煤层大矿震事件一开始便发生于上部巨厚岩层，特别是5×105J以上的矿震事件，在下部岩层中未出现；③3下煤层大矿震事件深入巨厚岩层中，部分震中距地表仅约111 m；④3上煤层开采完毕后，煤层顶板垮落完全，上覆巨厚岩层已破断，位置区域稳定，但已处于裂断状态，开采3下煤层时，随着采空区面积的增大，上覆巨厚岩层会发生下沉和回转，易导致巨大能量强矿震事件的发生，此时的能量大于3上煤层开采时。

103下04工作面开采时的矿震规律为：①强矿震事件范围“窄”，开采3下煤层过程中，强矿震事件基本都发生在上覆巨厚岩层(主关键层)中，其他部位基本无强矿震事件发生；②回采空间矿震“弱”，强矿震事件主要发生于上覆巨厚岩层中，而3下煤层工作面区域几乎无大能量矿震事件的发生，是因为上覆采空区内的破碎岩层发挥了缓冲作用，但此时地表震动较强烈，回采空间矿震呈现“弱”的规律。

4　结　语

在分析某矿矿震发生影响因素的基础上，研究了该矿103下04工作面回采期间矿震能量分布规律、矿震发生的时间序列规律及空间分布规律，总结了103下04工作面开采时矿震的发生规律，对于类似地质和开采条件下的工作面冲击地压防治有一定的参考价值。

[1]潘一山，李中华，章梦涛.我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究[J].岩石力学与工程学报，

图3　103下04工作面开采时的矿震事件工作面走向剖面

2003，22(11)：1844-1851．

[2]潘一山，赵扬锋，马瑾.中国矿震受区域应力场影响的探讨[J].岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2847-2853．

[3]袁子清.矿震地震活动响应规律及其危险性预测研究[D].长沙：中南大学，2007．

2016-05-19)

毛怀昆(1986—)，男，助理工程师，硕士，271219 山东省新泰市。