薄基岩条件矿震诱发煤与瓦斯突出研究

杨福禹 张振扬 郝生雷 周江阔

(兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿，山东省济宁市，272069)

矿震是一种常见的矿山动力灾害，随着我国煤矿逐渐进入深部开采，矿震灾害问题日趋严重，尤其是在大震级矿震事件频发的采区，易于发生矿震诱发煤与瓦斯突出的事故。区别于一般的地质条件，厚表土层薄积岩地质条件下，表土层作用在薄基岩的附加载荷会造成后段运动缺失，岩层破断形式为沿煤壁整体切断垮落，而不存在岩层的纵向离层运动，更容易发生矿震事故[1-4]。上覆高位顶板岩层破断导致矿震发生，而矿震为煤与瓦斯突出的发生提供动力源和能量源，是诱发煤与瓦斯突出的重要因素之一。薄基岩条件下矿震诱发煤与瓦斯突出是一种新型的灾害，国内外的研究还没有就其机理与防治技术达到完全认识与根治的程度。因此本文以巨野煤田赵楼煤矿为研究对象，探讨了薄基岩采场矿震诱发煤与瓦斯突出的机制，并给出了防治措施，对类似条件下煤矿矿震诱发煤与瓦斯突出的防治具有借鉴意义。

1 工作面概况

赵楼煤矿3303工作面开采标高-850～-890 m，表土层厚度约588 m，地面标高+43.3～+43.6 m，直接顶和基本底均为坚硬砂岩。基岩与表土层比例约为1∶1.6，是典型的深部薄基岩厚表土层的地质结构。

根据3303工作面的地质资料可知，该区域断层发育明显，断层多且相互切割，呈星罗密布、纵横交错式结构。在纵向上整体穿透断层的存在，破坏了地层的整体连续状态，形成了“棋盘式”的构造格局。断层的切割将一个整体连续的板块，切割成多个破碎的板块，断层切割的边界视为简支梁。简支梁解除周边约束，重力作用更加明显，垮落步距减小，工作面顶板断裂速度快、释放能量大，易于发生矿震[5-6]。

2 矿震诱发煤与瓦斯突出发生机制

煤与瓦斯突出的孕育和发展是一个复杂的非线性过程，但其物理变化的本质是能量的转化。厚表土层薄基岩条件下采场岩层整体切断垮落导致矿震，而矿震为煤与瓦斯突出的发生提供了动力源和能量源，是诱发煤与瓦斯突出的重要因素之一[7-8]。

2.1 上覆岩层破断及运动规律

赵楼煤矿3303工作面表土层厚度约为588 m，基岩与表土层比例约为1∶1.6。表土层厚导致作用在顶板岩层的应力高，对回采工作面产生较大影响。由于顶板岩层为砂岩，弹性模量大、强度高，在回采过程中容易产生大面积悬顶，随着回采工作的进行，岩层裂隙的宽度增加，厚表土层作用在基岩上的高集中应力使顶板产生断裂并控制上方岩层一起运动。研究表明，巨厚岩层将以板的形式承载并发生破断，因此，可以借鉴薄板的理论，覆岩呈“O-X”断裂，断裂规律如图1所示。

图1 覆岩“O-X”断裂规律图

2.2 上覆岩层断裂过程能量传播

当岩层为软岩石或岩层破碎时，损耗的能量越大，坚硬顶板损耗的能量越小。因此，在上覆坚硬顶板断裂失稳过程中，既会导致岩层下方的煤岩体能量增加，产生冲击波，又会使煤岩形成动态负载，打破岩层下方煤岩体的平衡状态，当上覆岩层断裂产生的震动能与积聚在煤岩体中的弹性能叠加，当能量的叠加超过煤岩体所承载的极限时，就会发生矿震。

因此，上覆岩层断裂所释放的能量为：

(1)

式中：U——上覆岩层断裂所释放的能量；

ui——上覆岩层垮落的动能；

mi——上覆岩层质量；

t——上覆岩层断裂时间；

i——岩层断裂的层数；

Uv——煤岩体储存的弹性能；

Uw——上覆岩层弯曲变形能。

上覆岩层越厚、坚硬，断裂向下传播的能量损耗越少，下方煤岩体积聚的弹性能越大，发生冲击低压的危险性越高。而当垂直方向存在已垮落的采空区时，由于采空区内充满破碎岩层，可以对能量传递进行部分吸收。

2.3 矿震诱发煤与瓦斯突出机制

表土层作用在薄基岩的附加载荷会造成后段运动缺失，岩层破断形式为沿煤壁整体切断垮落，而不存在岩层的纵向离层运动，这个过程会造成工作面矿震。矿震为煤与瓦斯突出的发生提供能量源和动力源。厚表土层薄基岩的地质条件也会使煤体能量积聚，从而由弹性状态转化为塑性状态，在这种条件下煤体会产生裂纹裂隙，孔隙压力降低，吸附的瓦斯解析成游离的瓦斯膨胀。当顶板积聚的能量超过其所能承载的极限时，顶板整体垮落释放巨大的能量，而煤体的动能进一步使局部的瓦斯解析膨胀，在振动的联合作用下，诱发裂纹裂隙解吸出的游离瓦斯异常涌出，如图2所示。

当上覆岩层的悬顶面积、悬长和弯矩达到最大时，矿震诱发煤与瓦斯突出的危险性就越高。在工作面开采过程中，一些特殊区域，如断层、褶曲或者煤柱区域，能量积聚大，再加上矿震的影响，煤与瓦斯突出发生的危险性很高。

图2 矿震诱发煤与瓦斯突出示意图

3 表土层厚度对矿震影响数值模拟

采用RFPA分别对3303运输巷垂直方向施加20 MPa、25 MPa、30 MPa垂直应力进行数值模拟，通过主应力和声发射情况来判断不同表土层厚度对巷道底板破坏的影响。不同应力条件下巷道破坏主应力和声发射图见图3。

图3 不同应力条件下巷道破坏主应力和声发射图

由图3可知，随着表土层厚度的增加，上覆岩层作用在巷道垂直方向上的载荷逐渐增大；随着应力的增加，巷道破坏更加严重。因此，可以得知，随着表土层厚度的增加，发生矿震的危险性逐渐增强。

厚表土层薄基岩的地质条件，上覆岩层相比较一般地质条件承受的应力载荷大，加上顶板为坚硬砂岩，因此，当应力达到一定程度时，顶板整体垮落释放巨大的能量，从而发生矿震。厚表土层的地质条件使煤层能量积聚，产生裂隙，裂隙压力降低，吸附的瓦斯解析成游离的瓦斯膨胀。而矿震的发生会为煤与瓦斯突出提供动能，从而诱发煤与瓦斯突出。因此，厚表土层薄基岩的地质条件比一般地质条件更容易诱发煤与瓦斯突出。

4 矿震诱发冲击地压防治技术

4.1 顶板深孔爆破断顶

工作面卸压主要以大直径钻孔卸压为主，当大直径钻孔卸压不能够发挥作用，且在大范围悬顶时，需要慎重采用顶板深孔爆破断顶，从而降低矿震危险性，爆破有可能诱发冲击地压。对3303工作面辅助巷与胶带巷沿两侧顶板进行爆破切顶卸压。

在胶巷道和辅助巷两侧按照扇形孔布置，每组4个钻孔，每侧2个。每组间距20 m，第一组距离开切眼的距离不大于50 m。扇形孔中长孔长度设计为15 m，装药8 m，封孔7 m；短孔设计孔深为12 m，装药6 m，封孔6 m，钻孔直径42～50 mm。长钻孔仰角75°，倾角90°(垂直巷道中线)；短钻孔仰角60°，倾角80°，倾向采空区侧。顶板深孔爆破预裂示意图见图4。

图4 顶板深孔爆破预裂示意图

4.2 预先瓦斯抽放

3303工作面对瓦斯进行提前预抽，共布置预抽钻孔2625个，钻孔孔径ø65 mm，孔间距0.6～1.0 m，孔深60～105 m，封孔材料为聚氨酯，封孔长度8 m，钻孔角度与煤层倾角一致，抽放负压25.864～25.998 kPa。

4.3 煤层注水

在赵楼煤矿3303工作面运输巷和回风巷各布置10个注水钻场，孔径ø94 mm、孔底间距15 m、孔深要求保证两巷道钻孔覆盖全工作面。开孔高度在巷道底板往上1.0～1.5 m，钻孔角度沿煤层倾角施工。各注水钻孔注水卸压参数见表1。

表1 各注水钻孔注水卸压参数

5 卸压效果检验

3303工作面危险区域进行卸压后，采用钻屑法对不同危险区域进行效果检验，以确定工作面冲击地压危险是否解除，确定卸压效果。

随着工作面的推进，在运输巷靠煤壁侧每隔50 m布置1组钻孔进行监测，每组3～5个钻孔，监测范围为10～20 m。钻孔直径为42 mm，钻孔深8 m，钻孔间距5 m，钻孔距底板1.2 m，钻孔单排布置并垂直于煤壁。

经钻屑法监测后，随机选取一组中5个监测钻孔，根据记录的钻屑相关数据得出如表2所示的煤粉钻屑量变化情况。由表2可知，1#～5#钻孔的煤粉钻屑量相差不大，在钻孔深4 m后，钻屑量普遍平稳，说明在煤壁内积聚的能量达到稳定，在钻孔深7 m时钻屑量平均为2.86 kg/m，虽然钻屑量有所增加，但都稳定在2.9 kg/m上下，最大值未超过冲击地压危险临界值3.4 kg/m，说明防控卸压效果明显，大大降低了煤体内积聚的冲击能量。

表2 强冲击危险区域钻屑法监测数据

6 结论

(1)根据上覆岩层的运动破断及运动规律，得出了厚表土层薄基岩条件矿震诱发煤与瓦斯突出的机制，坚硬顶板断裂释放巨大的弹性能，为煤与瓦斯突出的发生提供了能量源。

(2)采用RFPA对不同表土层厚度条件下巷道破坏情况进行数值模拟，表土层厚度越大，发生矿震灾害的危险性越高，从而更容易诱发煤与瓦斯突出。

(3)采用爆破断定、抽放瓦斯、煤层注水的措施对矿震诱发煤与瓦斯突出进行防治，并采用钻屑法进行效果检验，取得了良好的防治效果。