深部临空巨厚坚硬顶板断裂矿震规律及成因研究

王桂利，孙文杰，赵 猛，马志峰，巩思园，3

(1.山东能源临沂矿业集团有限责任公司，山东 临沂 276017；2.徐州弘毅科技发展有限公司，江苏 徐州 221008；3.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

当顶板岩层为厚层坚硬岩层时，该岩层会承担上覆岩层的大部分自重载荷，其稳定性主导着地下开采上覆岩层运动的模式和规模[1]。与普通工作面对比，厚硬顶板型工作面由于顶板岩层单层厚度大、强度高、硬度大、节理裂隙发育程度低等特点，使得工作面回采期间上方顶板难以随采随冒，形成大范围悬顶，使工作面前方巷道围岩产生应力集中，巷道断面收缩变小，对工作面的安全生产带来不利影响[2]。近年来，众多学者及研究人员对坚硬顶板的活动规律及控制技术进行了大量研究[3-11]，通过研究巨厚坚硬顶板下矿震的发生规律，针对性实施防治卸压措施，从而实现对冲击地压的预防。

根据2501采区实际生产状况，除了首采面没有出现冲击地压现象外，接续工作面回采时，由于开采深度增大、工作面临空侧顶板未垮落等因素叠加的作用，导致接续工作面冲击危险性急剧增大，严重影响工作面的正常安全回采。现通过对250105工作面矿震活动规律进行分析，确定该工作面回采过程中应力分布的状态，针对应力集中区域进行防治，如利用顶板深孔爆破、水力致裂等卸压手段，提前对顶板关键性岩层进行预裂，从而更精准地治理冲击地压[12-21]。此外，该分析结果可以为2501采区后续相同条件下工作面的冲击地压防治提供参考依据，确保采区的安全回采。

1 工作面概况

250105工作面为2501采区的接续工作面，对比首采工作面其具有更高的冲击危险性。所属煤层为5煤层，煤层倾角偏小，一般在5°～9°，工作面走向可采长度约2 200 m，倾向长度210 m，工作面埋藏深度大于400 m，已具备发生冲击地压的深度条件。工作面西侧临近250103工作面采空区，区段煤柱以小煤柱形式留设，宽度为6 m。煤层上覆顶板中存在一层厚度为30 m的细砂岩基本顶，距煤层约8 m(表1)，该细砂岩基本顶是控制工作面顶板活动的关键岩层。同时煤层本身具有强冲击倾向性，因此该坚硬顶板的断裂对工作面回采期间的冲击危险性影响颇大。工作面布置如图1所示。

图1 250105工作面布置示意Fig.1 250105 working face layout diagram

表1 250105工作面柱状Tab.1 Column diagram of 250105 working face

2 微震数据分析顶板运动及破断震动规律

微震监测技术是指利用煤岩破裂过程中的微震活动信息来研究煤岩结构和稳定性的一种实时、动态、连续的地球物理方法。通过监测和分析岩体损伤破裂过程中产生的微震信号，该技术能对煤岩破裂产生的微震事件进行定位，研究岩体内部的应力分布状态、破裂机制以及释放的能量，并对煤岩破裂危险性进行监测预警[9]。

该矿已安装SOS微震监测系统，并在250105工作面周围布置多个拾震器，满足对工作面回采期间的微震监测。此次主要统计了250105工作面5月—7月回采阶段的矿震事件，并按月份对能量大于104J的矿震事件进行了定位。各级矿震能量频次及其占比统计见表2，每月矿震分布演化情况如图2所示。由表2可知，250105工作面3个月共监测到2 799次矿震事件，其中104～105J能量事件占比最多，并且105J以上的矿震事件占比达到10.32%，共出现7次106J以上的高能矿震事件。

图2 250105工作面104 J能量以上矿震平面分布Fig.2 Plane distribution of mine earthquake with energy above 104 J in 250105 working face

表2 250105工作面矿震能量及频次统计Tab.2 Statistics of mine earthquake energy and frequency on 250105 working face

从这3个月的矿震平面分布定位演化图可以看出，矿震事件的分布随着工作面不断推采逐渐向推采方向移动。结合3个月的矿震剖面分布(图3)，可见矿震事件多发生工作面煤层中，顶板细砂岩层位事件较为密集，表明250105工作面因回采扰动而引起上覆细砂岩岩层失稳破断，由于上覆细砂岩顶板单层厚度大，自身静载应力高，回采过程中叠加动载应力时易导致该岩层断裂，进而诱发矿震事件。

由表2可知，250105工作面5月—7月回采期间，在采动影响范围内监测到105J能量以上的矿震事件289次，现对105J以上矿震事件分别沿走向及倾向进行能量、频次统计，统计结果如图4所示。从走向统计图4(a)、图4(b)可以看出，105J以上矿震事件主要集中分布在工作面前方0～100 m内；从倾向统计图4(c)、图4(d)可以看出，105J以上矿震事件主要集中分布在250105工作面回风巷及250103工作面采空区侧。

图4 250105工作面105 J以上矿震事件统计Fig.4 Statistical chart of mine earthquake events above 105 J in 250105 working face

表明该工作面回采期间高应力集中区主要分布在临近250103采空区的回风巷和本工作面超前100 m范围内的巷道区域。因此，受深部临空巨厚坚硬顶板条件影响下，工作面临空巷道及超前巷道相比其余巷道区域冲击危险程度要更高，是需要重点监测及防治的区域。

3 工作面回采期间应力分布数值模拟分析

3.1 计算模型的建立

模拟机采高度为5 m，放顶煤厚度为8 m，累计开挖厚度有13 m。走向以50 m为一开挖阶段，500 m范围共分10个阶段，采用完全垮落法处理采空区。此次模拟主要为了探究250105工作面开采过程中应力的分布范围。

计算模型长2 050 m、宽450 m、高440 m，巷道断面宽5.0 m、高4.8 m。选取模型以250105回风巷右下角为零点建立坐标系，沿X轴正向2 000 m，沿X轴负向50 m；沿Y轴正向260 m，沿Y轴负向190 m；Z轴方向按照真实地层走势建立，标高+670～+1 100 m。三维模型共划分571 950个单元，599 872个节点。四周边界为法向约束，下部边界为全约束边界；上部边界为自由边界。上部边界以上的岩层作为外载荷施加在模型的上边界上，作用力为5 MPa。此次模型建立包含250105工作面，及临近的250103、250101、250102，模拟开挖顺序为2501采区实际开采顺序，即先开挖250101工作面，再顺序开挖250102、250103、250105。上覆岩层按照实际地层建立，三维模型图具体如图5所示。

图5 250105工作面岩层三维模型Fig.5 Three dimensional model of rock stratum in 250105 working face

3.2 模拟结果分析

为了分析不同开挖阶段工作面围岩的应力分布，分别对模型沿走向及倾向进行剖切，从剖面图中分析围岩的应力集中分布状态。不同开挖阶段工作面走向剖切应力分布如图6所示。

图6 不同开挖阶段工作面走向剖切应力分布Fig.6 Stress distribution of working face in different excavation stages

从图6中可以看出，250105工作面初采阶段前方应力集中程度不太明显，但已表现出前方应力升高，随着工作面不断向前开挖，工作面前方应力集中程度开始升高，并且逐渐聚集形成一个应力集中区域，范围一般在工作面前方20～90 m。该应力增高区主要分布在工作面前方顶板岩层中，范围向上最大延伸至顶板55 m，向下最大延伸至底板15 m，特别是在顶板上方0～40 m处存在一个高应力集中区。此应力集中区主要是由于受本工作面回采扰动，厚30 m的细砂岩基本顶周期破断所致。

倾向上沿250105工作面开挖后前方30 m位置处进行剖切，前4个开挖阶段工作面倾向剖切应力分布如图7所示。从图7中可以看出，回采过程中在250105工作面回采扰动和250103工作面采空区上覆厚层细砂岩基本顶失稳破断的双重影响下，煤体及上方顶板中应力集中程度尤为严重，其范围随煤层不断向前开挖逐渐覆盖工作面的倾斜长度，尤其在靠近回风巷内侧顶板岩层0～40 m，会造成一个应力高度集中区。

图7 前4个开挖阶段工作面倾向应力分布云图Fig.7 Cloud chart of inclination stress distribution of working face in the first four excavation stages

模拟结果随着工作面不断向前推采，工作面推采位置前方一直存在一个应力增高区域，范围大致在工作面前方20～90 m位置处。表明250105工作面回采阶段围岩体中的应力集中现象主要是由于回采扰动引起本工作面顶板厚30 m细砂岩基本顶周期破断以及紧临250103工作面采空区上覆厚层细砂岩基本顶失稳破断造成的。在工作面回采过程中，随着厚硬细砂岩基本顶的周期破断，顶板来压时，冲击地压容易在此区域发生显现。

4 结论

(1)应用微震监测系统定位并分析了250105工作面回采期间的矿震事件，同时对105J能量以上的矿震事件分别沿走向及倾向进行了能量、频次的统计，其中105J能量以上的矿震事件明显集中在250103工作面采空区侧及工作面前方0～100 m，表明临空巨厚顶板条件下出现应力集中现象的主要原因是采空区未完全垮落的顶板及本工作面厚硬顶板的破断。

(2)采用FLAC3D模拟了不同开挖阶段工作面围岩的应力分布状态，并沿走向及倾向对工作面进行了剖切。通过走向剖切及倾向剖切的应力分布图可以看出，随着工作面向前推采，工作面前方20～90 m及靠近回风巷侧顶板岩层0～40 m均为应力高度集中区域，表明250105工作面回采阶段围岩体中的应力集中现象主要是由于回采扰动引起本工作面厚硬细砂岩基本顶周期破断以及紧临250103工作面采空区上覆厚层细砂岩基本顶失稳破断造成的。

(3)微震数据分析及FLAC3D数值模拟2种方法得出的应力集中区域基本一致，表明250105工作面回采期间矿震事件主要集中分布在工作面前方及工作面临近采空区侧，厚硬顶板的破断对矿震事件的诱发起主要控制作用，工作面回采前可在临空侧巷道施工顶板深孔爆破来提前断顶，降低工作面回采期间临空侧顺槽巷道的围岩应力，从而降低其冲击危险性。