硬厚顶板条件下矿震发生的影响因素分析

王鹏

【摘 要】为有效治理大能量矿震，实现“有震无灾”，以东滩煤矿六采区为研究背景，采用微震监测、理论分析、数据统计等手段对东滩煤矿63上04和63上05工作面回采期间矿震进行分析。大能量矿震发生往往与煤层上方坚硬岩层关系密切，硬厚岩层断裂是导致大能量矿震发生的主要因素，判定3上煤层上方90～180m硬厚砂岩为主导63上04和63上05工作面矿震发生的关键岩层；大能量矿震发生往往具有“见方”效应，可据此推演大能量矿震发生的时间和位置。

【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.

【關键词】矿震；微震监测；硬厚顶板；影响因素

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

【中图分类号】TD324 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0140-03

1 工程概况

东滩煤矿六采区是近年来矿井主要产煤采区。目前，六采区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（目前开采约380m），两工作面位于采区中部且相邻。63上04工作面标高为-632.5～-709.3m，平均-670.9m，工作面走向长1622.2m，倾斜宽254.3m；63上05工作面标高为-632.1～-676.5m，平均-658.4m，工作面走向长1571.5m，倾斜宽252.9m。两工作面回采山西组3上煤层，煤层倾角平均5°，煤层厚度平均5.2m且较稳定，煤层硬度f=2～3，结构复杂。工作面无直接顶，基本顶为厚度8～15m的粉砂岩，直接底为厚度9.47～13.26m的细砂岩，工作面采用综采一次采全高开采方式。63上04工作面2015年12月13日始采，2016年12月10日回采结束；63上05工作面2017年8月2日始采，截至目前已采295m。图1为六采区63上04和63上05工作面的综合柱状图。

2 六采区矿震发生情况分析

2.1 63上04工作面回采期间矿震情况

自工作面开始生产，63上04工作面及其周围共监测到有效震动2187次，其中能量低于1×104J的矿震次数1948次，占震动总次数的89.1%，工作面周围震动主要以小能量震动为主。能量大于1×105J的矿震87次，而震动级别在2.0级以上的震动有35次，占震动总次数的1.6%。大矿震事件均发生在工作面后方采空区内高位顶板，其中发生最大级别矿震为2.71级，能量为8.8×106J，发生在采空区上方顶板，距回采工作面418.4m。东滩煤矿矿震监测采取24小时值班制度，及时对微震监测数据进行分析。大级别震动事件发生时，井下工作面现场均未感觉到震动，工作面及两顺槽支护完整，未出现支护被破坏的状况[1]。

2.2 63上05工作面回采期间矿震情况

自工作面开始生产，63上05工作面及其周围共监测到有效震动1260次，其中能量低于1×104J的矿震次数1164次，占震动总次数的92.38%；能量大于1×104J小于1×105J的震动事件71次，占震动总次数的5.63%；能量大于1×105J的矿震25次，而震动级别在2.0级以上的震动有8次，占震动总次数的0.63%。

经对监测到的微震事件分析统计，工作面附近震动主要以小能量震动事件为主，大能量矿震事件均发生在工作面后方采空区内高位顶板，其中发生最大级别矿震为2.55级，能量为4.40×106J，发生在采空区上方高位顶板，距回采工作面204m，工作面回采进尺为352.7m。endprint

东滩煤矿矿震监测采取24小时值班制度，确保及时对微震监测数据进行分析。大级别震动事件发生时，井下工作面现场均未感觉到震动，工作面及两顺槽支护完整，未出现支护被破坏状况。

3 矿震发生的影响因素分析

3.1 矿震与地质赋存关系分析

从井田地质条件来看，矿震发生区域煤层上方都赋存一层红层，受风化剥蚀影响，红层厚度由西南向东北方向逐渐变厚，红层厚度235～536m。经“SOS”微震监测系统近几年监测情况来看，兖州矿区赋存此种地质构造的鲍店煤矿十采区和南屯煤矿九采区安排采掘活动时，大矿震事件也频繁发生，而东滩煤矿六采区处于鲍店煤矿十采区和南屯煤矿九采区中部，63上04工作面和63上05工作面位于六采区中部，在工作面回采期間采空区顶板垮落，引发大级别矿震事件[2]。

3.2 矿震发生的关键岩层分析

经对大矿震事件发生位置进行分析，63上04工作面和63上05工作面煤层埋藏深度在-640m～-670m之间，监测到的大能量矿震事件多数发生层位在-560m～-440m之间，即矿震发生的震源在3上煤层上方90～180m之间。因此判定此层岩层是发生矿震的关键岩层，由于关键岩层的开裂、断裂，能量释放时引起震动事件发生，关键岩层断裂诱发大能量矿震原理如图2所示。

3.3 矿震发生的“见方”效应

63上05工作面回采至255m位置时，工作面正处于“一次见方”区段，“一次见方”区段属于矿压影响剧烈区，煤层上方顶板活动剧烈而引发大能量震动事件的发生。自10月13日工作面推进至254m“见方”位置开始，到10月21日工作面推进至295m位置，在此40m区段回采期间发生2.0级以上矿震事件4次，“见方”效应十分明显。从4次矿震发生的位置来看，基本靠近采空区边缘。分析认为，在工作面“一次见方”区段，采空区边缘上方顶板受采动影响“失稳”断裂，相对采空区顶板活动更易引起强烈震动。

3.4 煤层上方“红层”对矿震影响

根据对63上04工作面地质资料进行分析，在3上煤层上方赋存有巨厚的“红层”，红层厚度235～536m，“红层”距3上煤层的间距不等，在工作面开切眼附近运顺侧煤层距“红层”44.13m，随工作面向前回采，煤层距“红层”距离不断增大，在工作面回采至约1050m时，煤层距离“红层”距离最大，约为98.45m，之后距离又逐渐减小，在工作面停采位置煤层距红层的距离约为83m。自1月26日工作面回采至134m位置，到8月11日工作面推进约1000m位置，工作面煤层距红层的距离由44m增加至98m，发生大矿震事件26次；到11月3日工作面回采至1400m，煤层距顶板上方红层的距离为98m，基本保持不变，在此期间发生大矿震事件8次。经分析认为，工作面出现大级别震动事件与煤层距红层的距离变化有密不可分的关系，煤层距红层的间距变化剧增或剧减时，大矿震事件发生次数将增加。

根据对63上05工作面附近补37、170、6D1、170四个钻孔资料进行分析，3上煤层上方赋存有巨厚的“红层”，“红层”距3上煤层的间距不等，在工作面开切眼附近运顺侧煤层距“红层”约30～40m，沿工作面回采方向煤层距“红层”的间距逐渐增大。根据对43上13、63上04工作面回采期间大能量矿震事件总结，工作面回采距“红层”的距离由小变大时，大级别矿震事件发生增多。而63上05工作面沿回采方向，距红层间距正处于由小变大区段，此种情况下也易发生大级别矿震事件。

在63上05工作面“见方”区域频繁发生大级别矿震事件后，寻找矿震发生的原因，经对资料分析，认为引起矿震的主要因素为：

①多层坚硬岩层断裂乃至地表沉降引起矿震；

②工作面快速推进或不均匀推进导致岩层应力来不及释放而积聚，从而引起矿震乃至冲击；

③63上05与63上04工作面采空区连通后，高位岩层将继续向地表方向破裂，将引起“由近地表巨厚坚硬岩层破断规律”决定的矿震[3]。

3.5 工作面回采对矿震影响分析

63上04工作面从开始生产至2016年1月7日前，工作面及附近未出现矿震事件，1月7日以后逐渐有小能量矿震事件发生。经分析，63上04工作面为六采区首采面，在工作面前期生产期间，采空区面积相对较小，采空区上方顶板未出现剧烈活动，所以未出现大级别矿震事件，随采空区面积增加，出现顶板活动引发关键层活动，产生大矿震事件[4]。

经过对35次大矿震事件进行统计，矿震发生前5天进尺大多在30～36m，平均进尺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日工作面进尺达到6～7m，连续出现大矿震事件，说明短时间、高强度开采加剧采空区上方顶板活动，引发关键岩层活动，引发连续出现大矿震事件。

10月11日，工作面回采至1286.9m，工作面回采过程中先后揭露了LF12、LF16、LF17、LF18、LF13等断层，受断层切割影响，改变了顶板的破断规律，在工作面回采期间，工作面老顶上方断层附近的坚硬岩层垮落，故10月15日、10月22日、10月26日、11月1日连续出现大级别矿震事件。

12月10日，63上04工作面回采结束，在初采阶段采取了切实可行的冲击地压防治措施。在发生大级别矿震后，采取了工作面前方应力监测，加强工作面前方煤体钻屑法监测，加强防护措施落实等措施，确保了工作面安全回采。

4 矿震防治措施

根据以上对矿震发生规律和影响因素的分析，提出以下措施作为63上05与63上04工作面大能量矿震的主要防治措施：

①63上05工作面正常回采期间，最大开采速度不大于6m/d，且尽可能匀速开采。

②加强工作面前方巷道支护质量，保持巷道围岩稳定，严格落实超前支护长度运顺不少于60m，轨顺不少于120m。

③“见方”和“双见方”影响区域存在发生大能量矿震可能性，加强井下双见方区域防冲卸压和超前支护的措施，严格人员和设备管理。加密施工双“见方”区段沿空顺槽预卸压钻孔[5]。

④回采期间继续按照冲击地压进行管理，现场严格按照冲击地压防治措施进行落实。

⑤加强工作面回采期间矿震监测，及时对监测数据进行分析预测预报，及时分析矿震发生规律，以指导工作面安全生产。

5 结论

①对东滩煤矿六采区63上05和63上04工作面回采期间矿震情况监测分析，微震监测表明回采期间以小能量微震事件为主，大能量微震仅占少部分，且大能量微震事件定位主要集中在上覆高位硬岩层内。

②“SOS”微震监测结果表明，“红层”断裂是导致大能量矿震发生的主要原因，根据大能量矿震的震源位置判定3上煤层上方90～180m的硬岩为主导矿震发生的关键岩层。

③大能量矿震发生往往具有一定的“见方”效应，可据此作为防震防冲的依据。回采速度不均衡和断层影响可导致大能量矿震频发，匀慢速开采是减少大能量矿震发生的有效方法，大能量矿震发生后要加强工作面的钻屑法检测和实施必要的防震防冲措施，确保安全回采。

【参考文献】

【1】姜福兴，曲效成，倪兴华，等.鲍店煤矿硬岩断裂型矿震的预测[J].煤炭学报，2013，38（S2）：319-324.

【2】李铁，张建伟，吕毓国，等.采掘活动与矿震关系[J].煤炭学报，2011，36（12）：2127-2132.

【3】王平，姜福兴，冯增强，等.高位厚硬顶板断裂与矿震预测的关系探讨[J].岩土工程学报，2011，33（04）：618-623.

【4】贺虎，窦林名，巩思园，等.高构造应力区矿震规律研究[J].中国矿业大学学报，2011，40（01）：7-13.

【5】陆菜平，窦林名，曹安业，等.深部高应力集中区域矿震活动规律研究[J].岩石力学与工程学报，2008（11）：2302-2308.endprint