兖州矿区深部开采大能量矿震规律和发生机理研究

朱振雷，魏永启，高 鑫

（1.山东能源集团有限公司，山东 济南 272000；2.兖州煤业股份有限公司，山东 邹城273500）

兖州煤田位于山东省济宁市境内，地层区划属华北地层区鲁西地层分区，含煤地层为华北型石炭-二叠系太原组和山西组，平均厚度271.65m，含煤28 层，含煤系数3.7%～6.47%。目前主采3 煤层，厚度2.30～11.83m，平均厚度8.35m。兖州煤田为一轴向北东、向北东倾伏的不对称向斜构造，区内地层产状整体平缓，倾角一般2°～15°，次一级褶皱较发育，为多期次的叠加褶皱构造。区内断层较为发育，探查控制落差5m 以上的断层近600 条，多为正断层。随着开采深度的增加，矿震事件总体呈现出频次增加、能量加大的趋势，对矿井正常安全生产造成影响。研究原岩应力重塑影响下断层应力和能量的演化规律，揭示原岩应力和构造应力耦合作用下矿震发生机理，对于采取有效技术手段防止大能量矿震发生具有重要意义。

1 研究背景

1.1 工作面开采情况

兖州矿区东滩煤矿六采区3 上煤共布置10 个工作面，63 上03 工作面位于六采区中部，2018 年11 月16 日工作面开始生产。该工作面南邻63 上04 采空区，北邻63 上02 工作面（未采），工作面倾斜宽250m，标高为-581.9～-715m，平均为-650.3m；地面标高为+46.87～+49.17m，平均+47.91m。六采区3 上煤各工作面位置布置如图1 所示。

图1 六采区3 上煤各工作面位置布置图

1.2 工作面煤层及上覆岩层

63 上03 工作面设计回采3 上煤层，面内煤层厚度4.30～5.50m，总体西厚东薄，最薄处位于工作面中北部，平均煤厚5.06m，煤层赋存较稳定，煤层普氏硬度f=2～3。

根据170 钻孔柱状图，可以看到六采区3 上煤上覆岩层的分布情况。3 上煤的直接顶为5.73m 的粉砂岩；距煤层9.24m 处，存在一组30.87m 的长石石英中粒砂岩，由于这组较厚的中粒砂岩距离3 煤较近，因此，它的断裂可以直接影响到工作面的安全生产。此外，通过钻孔柱状图还可以发现，3 上煤上覆岩层中存在着多组较厚的岩层，最厚的一组岩层为260m 左右巨厚砂岩，根据实际推采过程中监测到的微震数据和其它钻孔柱状图，可知这组巨厚的细砂岩存在分层的情况，上分层厚度较大，下分层厚度较小，因此，可以把这一巨厚的岩层划分成两组关键层，如表1 所示。

表1 六采区170 钻孔

此外，从发生矿震区域井田地质条件可以看出，开采煤层上部普遍沉积发育巨厚的侏罗系砂岩地层，总体上由西南向东北方向逐渐变厚，最厚处可达536m。根据63 上05 工作面附近钻孔资料分析，3 上煤层顶板至侏罗系砂岩层的间距10-60m，层间距变化较大，总体上由切眼位置向停采线方向逐渐变厚，工作面开切眼附近最薄。

2 原岩应力和构造应力耦合型矿震机理研究

2.1 实测矿震规律

根据六采区首采63 上04 工作面回采期间实测资料，工作面回采前100m 段，共发生矿震事件62次，实测发生矿震位置大多处于采空区、切眼外侧和断层附近。据统计，里氏1 级以上矿震事件12次，最大震级1.93 里氏，总能量为0.8MJ。通过对比六采区已回采2 个工作面矿震事件的能量及频次，发现回采初期和前半段，矿震呈现多发、震级较大等异常现象，采区首采面前500m 范围内，矿震总能量较大，但矿震频次略小于后续回采工作面，如图2所示。

图2 六采区矿震频次和对比图

根据实测矿震资料统计看，六采区首采面附近均存在断层构造且矿震多发于构造附近，初步分析首采面出现的这些矿震与原岩应力的破坏以及构造发育由密切联系，也就是原岩应力与构造应力耦合型矿震。

2.2 应力耦合机理分析

六采区63 上04 工作面为该区域首采工作面，未采动影响条件下，该区域围岩的原岩应力场处于平衡状态。首采工作面开始推采之后，该区域围岩平衡应力场遭到扰动破坏，原岩应力场随开采活动进行，处于动态重新构筑平衡状态，围岩或岩层出现变形、破断，特别是在工作面断层构造发育位置，围岩原岩应力平衡状态较为脆弱，构造应力变化极易发生剪切、岩层相对移动等活化运动现象，此时原岩应力和构造应力变量也会耦合叠加，从而成为诱发矿震的重要因素。

2.2.1 围岩应力重新分布

在岩体内掘进施工切眼或顺槽等巷道，围岩的原岩应力平衡状态遭到扰动破坏并重新分布，此时，围岩应力由单项压缩状态逐渐变为三向应力压缩状态，远离巷道方向的岩块最终会处于弹性状态，即通常所说的岩体为极限平衡状态，如图3 所示。

图3 巷道一侧围岩单元体的应力状态

根据极限平衡公式：

式中：r为平衡区内的半径；σr、σt为径向应力和切向应力。

根据莫尔应力圆- 强度曲线的几何关系以及围岩控制理论，可分析获得掘进施工切眼或顺槽等巷道后，原岩应力遭到破坏并重新分布，如图4 所示，一般会出现3 个区域，比原岩应力小的区域减力区，比原岩应力高的区域增力区，与原岩应力相似的区域稳定区。在增力区内，如存在断层等构造异常发育地段，原岩应力和构造应力会发生叠加、耦合，两种应力的重新分布从而增强诱发矿震的可能。

图4 掘进施工巷道应力图

2.2.2 断层构造附近应力分布情况

断层一般是受水平应力挤压而形成，并且处于应力平衡状态，断层中集聚了大量的弹性能，当采掘活动靠近或通过断层构造发育区域时，断层构造应力平衡被打破，断层弹性能得到释放，断层自身应力和采掘扰动应力相互叠加影响，叠加后的应力波及范围和波及高度明显增加，进而诱发冲击地压或矿震。采掘扰动破坏应力分布如图5 所示。

图5 原岩应力及采掘扰动应力分布示意图

根据采掘扰动破坏后应力分布，建立了图6 所示的断层活化力学模型。断层受到垂直方向上的应力σ1和水平方向的应力σ3，断层面的倾角为α，埋深为H，高差为h，在外界扰动力的作用下，将沿着剪切面形成法向应力σn和切向应力τn，断层产生的抵抗变形的剪切应力τf和断层面的正应力p。

图6 断层活化诱发矿震的力学模型

根据弹性力学和材料力学和谢建敏的研究，可求得断层活化时的扰动力p活，如式所示：

式中：c为内聚力；φ为内摩擦角；k0为最大应力集中系数；γ为开采上覆岩层容重均值，MN/m3；H为开采岩层的埋深，m；λ为侧压系数。

根据上式可以求得断层活化时，需要的活化力p活。

下式为断层活化诱发矿震的判据：

其中，在定量计算时，原岩应力和断层应力叠加的扰动力p扰可以在自重应力的基础上取一个集中系数，近似的表征扰动应力的大小，如下式所示：

式中：K1为叠加应力集中系数，一般大于K0。

六采区首采工作面断层较为发育，采掘扰动破坏后，导致原岩应力与构造应力相互叠加，工作面采动区域影响范围内的应力，在不同方向上动态重构、相互影响、重新分布，从而加大了对煤层上覆巨厚侏罗系砂岩层的应力破坏，造成释放能量增大，诱发多起震级较大的矿震事件。

3 结 论

通过对兖州矿区东滩煤矿六采区多层关键层断裂型矿震和原岩应力与构造应力耦合型矿震的机理进行了研究，揭示了原岩应力和构造应力耦合影响作用下的应力场演化规律及矿震发生机理。得出以下结论：

1）原岩应力与构造应力耦合型矿震多发于首采工作面，其主要机理是断层构造应力平衡被打破，导致原岩应力与构造应力相互叠加影响、动态重构、重新分布，叠加后的应力波及范围和波及高度明显增加，加大了对煤层上覆巨厚砂岩层的破坏，断层弹性能释放得到增强，释放能量增大，进而诱发多起震级较大的矿震事件。

2）从应力的角度来说，原岩应力与构造应力耦合型矿震是断层系统应力不断积累，超过了其活化应力线，诱发断层失稳的一种现象。

3）从能量的角度来说，原岩应力与构造应力耦合型矿震是一个能量转移、积累和释放的过程。