我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害分类、预测与防控

朱斯陶，刘金海，姜福兴，尚晓光，孙希奎，张修峰，宋大钊，张 明，王爱文，谢华东，曲效成

(1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；2.华北科技学院 河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 101601；3.山东能源集团有限公司，山东 济南 250014；4.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；5.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；6.北京安科兴业科技股份有限公司，北京 102299)

我国山东、内蒙古、新疆和黑龙江等主要产煤地区均有巨厚硬岩赋存，且随着井下开采面积增大，工作面开采过程中厚硬关键层破断、运动产生矿震，易诱发煤矿井下冲击地压和地面建筑物震动损坏等灾害，已经严重制约我国煤矿安全生产。近年来，频繁发生大能量矿震导致地面震感明显，也严重影响了矿区附近居民的正常生活，社会影响恶劣。因此开展可靠的煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害预测与防控是我国煤矿安全高效开采的重大需求。

目前国内外学者在矿震发生机理及其诱发井下冲击地压和地面建筑物震动损害与防控技术方面开展了相关研究，如窦林名等对煤矿矿震类型及震动波传播规律研究，将煤矿矿震分为采动破裂型、巨厚覆岩型和高能矿震型3种；姜福兴等结合关键岩层断裂特征与煤岩体应力变化关系，提出了依据矿震发生前煤岩应力突变规律实现临场冲击地压预警的方法；曹安业等揭示了矿震辐射能量的传播模式与衰减规律，分析了矿震动载的诱冲机理及其对巷道围岩冲击破坏效应的影响因素；翟明华等提出了巨厚坚硬岩层矿井冲击地压存在“关键工作面效应”、“震动诱冲效应”和“冲击震动效应”3个特点；高明仕等基于冲击地压巷道围岩破坏过程及关键影响因素分析，提出了冲击地压巷道减隔震技术原理，实现了巷道围岩消波降载支护体整体释能抗冲的性能特征；张明等根据厚硬关键层破断及能量传播规律，提出了“震动损害边界”的观点，初步建立了矿震诱发地面震动损害的评估方法；于斌等针对坚硬顶板特厚煤层开采造成的强矿压显现及控制难题，提出井下近场预裂和地面远场压裂的坚硬岩层弱化技术控制工作面强矿压显现；轩大洋等提出了老采空区注浆充填控制巨厚火成岩下动力灾害的技术方案，并在现场进行了成功应用。

以上研究成果对于认识煤矿顶板运动型矿震发生机制及其防控具有重要意义，但对于顶板运动型矿震能量及其诱发灾害危险程度的预测与源头防控技术研究较少。由于诱发矿震的关键层厚度大、层位高、运动方式复杂，导致顶板运动型矿震发生机理复杂、类型多，且存在同时诱发井下和地面灾害的可能。笔者采用现场调研、理论分析和现场监测等方法，揭示了顶板运动型矿震及诱发灾害机制，提出了顶板运动型矿震及诱发灾害的预测方法和工程分类方法，建立了顶板运动型矿震及诱发灾害防治技术体系，以期为煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害防治提供参考。

1 我国煤矿顶板运动型矿震类型

1.1 我国煤矿矿震发生情况

由于大型断层地质构造活化、巨厚坚硬顶板运动和强烈的冲击地压灾害均可能诱发矿震，尤其是工作面开采期间上覆岩层一直处于运动状态，导致部分矿井频繁发生大能量矿震，严重影响了矿井的安全高效生产。根据课题组调研，当前我国山东兖州矿区、黑龙江鹤岗矿区、内蒙古鄂尔多斯矿区和新疆硫磺沟矿区矿震发生较为频繁，以上4个矿区地层中均存在200～500 m巨厚坚硬岩层，近5 a累计发生2.0级以上矿震近300次。通过对以上矿震事件发生位置和发生机理的分析，将煤矿开采型矿震分为冲击地压诱发型、断层构造活化型和顶板运动型3类。

(1)冲击地压诱发型矿震。当采掘工作面高应力围岩发生冲击破坏时，释放的弹性能能够引起地面建筑物震动损害，如1959年门头沟发生的3.8级冲击地压，不仅给井下生产设施造成严重破坏，并且波及至地面，震坏、震裂房屋达百余间，有感震动半径达5 km。近期如2019-06-09T20：01：00，吉林龙家堡发生2.3级冲击地压事故破坏巷道220 m，事故发生瞬间地面房屋晃动明显，人员震感较强。当前我国学者对冲击地压发生机理、预测预警及防控开展了大量研究，取得了突破性的进展，基本实现了冲击地压的可防可控，因此冲击地压诱发型矿震通过提前采取防控措施能够避免。

(2)断层构造活化型矿震。断层形成过程中，在地应力作用下断层两侧煤岩体中积聚了大量构造应力，当工作面采掘扰动打破了断层两侧应力平衡状态时，容易诱发断层活化型矿震。如东滩煤矿六采区6304首采工作面初采期间(顶板未发生大范围运动)频繁发生1.5级以上矿震，其主要原因是开切眼附近的断层活化产生。对于大型断层构造控制型矿震，其活化过程中释放的弹性能是难以估算的，通过合理的开采设计可以提前避免或降低断层构造活化产生矿震能量。

(3)顶板运动型矿震。当工作面大范围开采时，采空区上方厚硬关键层破断、回转或滑移运动时，释放巨大的弹性能和重力势能引起矿震。我国主要产煤地区均有巨厚硬岩赋存，且随着煤矿开采深度增加和井下开采面积增大，顶板运动型矿震发生频次明显增加。由于地层中关键层的厚度、抗压强度等特征参数可通过地质资料获取，因此可通过建立理论模型来预测矿震发生的能量和震级。

冲击地压诱发型矿震和断层构造活化型矿震一般对井下冲击地压影响较大，对地面建筑物的震动损害较小；顶板运动型矿震由于发生位置距离地面较近，一般同时存在诱发井下冲击和地面建筑物震动损害的可能。大量现场实践表明，顶板运动型矿震是我国煤矿深部开采面临的主要矿震类型，其诱发井下和地面灾害的频次及可能性也远高于冲击地压诱发型矿震和断层构造活化型矿震。因此笔者主要针对顶板运动型矿震及诱发灾害类型、预测与防控开展研究。

1.2 煤矿顶板运动型矿震类型

课题组通过对多个矿区矿震发生规律、机理和现场显现的长期监测及分析表明，煤层上方关键层在不同运动状态下均可能诱发矿震。在综合考虑采矿工程移动性、顶板运动阶段性和周期性、岩层运动范围扩展性的基础上，根据关键层层位将顶板运动型矿震分为低位矿震和高位矿震，结合关键层运动阶段将煤矿顶板运动型矿震分为初次断裂和周期断裂，基于关键层运动模式将顶板运动型矿震分为关键层断裂型、关键层回转型和关键层滑移型3类矿震，如图1所示。全面揭示了“煤层开采—顶板断裂—覆岩运动—矿震”的煤矿顶板运动型矿震发生过程，为煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害预测和分类防范提供了理论基础。

图1 不同关键层运动状态诱发矿震模型

2 顶板运动型矿震能量预测

矿震能量和震级的预测是开展矿震诱发灾害预测的基础。在顶板运动型矿震分类的基础上，建立了基于“关键层运动状态”的顶板运动型矿震预测模型(图2)。不同关键层运动状态产生矿震能量来源也存在较大差异，其中初次断裂型矿震能量最大，来源主要是关键层初次断裂时积聚的弯曲弹性能；周期断裂型矿震能量次之，来源主要是关键层周期断裂时积聚的弯曲弹性能；回转和滑移型矿震能量相对较小，来源主要是关键层重力势能。

图2 煤矿顶板运动型矿震能量预测模型

2.1 关键层断裂型矿震能量预测

关键层初次断裂时，其弹性能来源主要为弯曲弹性能。煤层上方第个关键层悬顶结构初次或周期破断时释放的弹性能分别为

(1)

式中，ε1为第个关键层初次破断释放弹性能；ε2为第个关键层周期破断释放弹性能；为第个关键层自重和上覆岩层附加载荷的单位长度折算载荷；为第个关键层梁弹性模量；1，2分别为第个关键层初次、周期破断步距；为第个关键层厚度；为第个关键层悬空跨度。

由于关键层破断时地震效率较低，震动波释放的能量一般为总应变能的0.26%～3.60%。则第个关键层初次破断和周期破断时释放的能量分别为

=ε1

(2)

=ε2

(3)

2.2 关键层回转和滑移型矿震能量预测

关键层发生回转或滑移时产生矿震能量主要由自重产生，因此工作面上方第个关键层回转和滑移产生的矿震能量分别为

=21

(4)

=22

(5)

式中，1为第个关键层回转高度；2为第个关键层滑移高度；为岩层容重。

3 顶板运动型矿震诱发井下冲击地压和地面建筑物震动损害预测

3.1 顶板运动型矿震诱发井下冲击地压和地面建筑物震动损害机制

煤层上覆厚硬关键层破断产生的强矿震不仅能够诱发井下冲击地压等灾害，还能够对地面建筑物安全构成潜在威胁，同时给矿区居民造成了较大的心理“恐慌”，矿震由采矿安全问题逐步演化成公共安全问题。基于矿震附加应力和震动损害边界的概念，建立顶板运动型矿震诱发井下冲击地压和地面建筑物损害的一体化力学模型(图3)，图中为煤层埋深；为震源到地表建筑物空间距离；′为震动影响平面范围;为矿震震源与地表垂距;为岩层移动角;为煤层静载荷；为矿震引起的煤层附加应力；为煤层冲击的临界应力。

图3 顶板运动型矿震诱发井下冲击地压和地面建筑物震动损害力学模型

顶板运动型矿震震动波传播至井下引起围岩质点震动产生附加应力导致冲击地压机制为

+>

(6)

矿震震动波传播至地面引起地面质点震动导致建筑物破坏机制为

≥

(7)

式中，为矿震引起地面质点震动速度；为地面建筑物容许极限震动速度。

3.2 煤矿顶板运动型矿震诱发井下冲击地压危险评估方法

根据动静载叠加诱冲理论，对于矿震诱发的井下冲击地压灾害，震动形成的动态附加应力与煤层应力叠加，当叠加应力超过冲击临界应力时发生冲击失稳(图4)。采掘工作面煤体发生冲击地压可能性系数为

图4 顶板运动型矿震诱发井下冲击示意

=(+)

(8)

式中，为冲击可能性系数，当分别位于(0，1.5)，[1.5，2.0)，[2.0，2.5)，[2.5，+∞)区间时具有无、弱、中等和强冲击危险；为煤层单轴抗压强度。

课题组提出了一种量化回采工作面某一点煤层静态应力()的冲击危险性评价方法，即

(9)

式中，()为煤层某一点自重应力；Δ()为某一点第个诱发冲击地压影响因素产生的应力增量，包含构造、采空区、煤柱等。

顶板运动型矿震波传递至采掘空间周围时，残余的能量为

=-

(10)

式中，为矿震释放的能量；为震源到采掘空间的距离；为矿震波衰减系数。

根据弹性波理论，矿震附加应力为

=

(11)

式中，为煤岩介质密度；为矿震波传播速度；为矿震波引起采掘空间巷道围岩质点的峰值震动速度，=(2/)，为矿震能量作用系数。

3.3 煤矿顶板运动型矿震诱发地面建筑物震动损害评估方法

根据GB 6722—2014《爆破安全规程》和相关研究成果，质点震动速度是判别建筑物震动损害最常用的指标。现场实践表明，大量2.0～3.0级矿震发生时，虽然没有造成地面建筑物震动破坏，但矿震引起的强烈震感引起地面大量居民恐慌，因此划分矿震对建筑物震动损害标准时，应综合考虑地面居民和建筑物受到的矿震震动效应。综合相关标准和文献研究成果，以质点振动速度将顶板运动型矿震(一般情况下顶板运动型矿震主频≤10 Hz)对地面建筑物和居民影响程度划分为3个标准：①≤5 mm/s，建筑物安全且人震感不明显；② 5 mm/s<≤30 mm/s，建筑物安全但人震感强烈；③>30 mm/s，民用建筑物可能产生震动破坏并造成人员伤亡。

由于仅有部分矿震波作用在地面单位体积质点，则矿震波诱发地面质点震动损害的临界条件为

-≥′()/2

(12)

式中，′为地表附近传播介质密度。

=(2-/′)

(13)

根据式(13)可计算得到工作面开采期间矿震引起地表距离最近的建筑物震动速度，进而识别顶板运动型矿震对地面建筑物的影响程度。

4 煤矿顶板运动型矿震工程分类方法

针对工作面开采期间煤层上方不同层位关键层在不同运动状态下诱发地面和井下灾害的差异性，通过对关键层运动阶段、运动状态和诱发灾害程度进行分析，基于煤矿顶板运动型矿震诱发地面建筑物震动损害和井下冲击地压机制，提出了顶板运动型矿震诱发灾害的工程分类方法(图5)。

图5 顶板运动型矿震与诱发灾害类型

将煤层上方可能引起矿震的关键层运动状态分为6类，矿震诱发地面建筑物震动损害等级分为无～弱震感、震感强烈和建筑物损害3级，矿震诱发井下冲击地压危险等级分为无、弱、中等和强4级。其分类的具体流程(图6)为：

图6 顶板运动型矿震诱发灾害工程分类流程

(1)获取矿井地质与采矿资料。包含试验工作面煤层赋存条件、采煤方法、钻孔柱状图、地质构造和支护设计等。

(2)分析地层结构，确定矿震关键层层位、厚度等特征参数及矿震类型，基于矿震能量预测模型分别计算各关键层在不同运动状态下产生的矿震能量。

(3)根据井下巷道围岩结构、冲击地压影响因素和地面建筑物类型确定井下冲击地压和地面震动损害临界值和。

(4)基于矿震附加应力和震动损害边界原理，计算矿震附加应力和地面建筑物质点震动速度。

(5)将，代入和中，确定井下围岩冲击危险等级和地面建筑物震动危险等级。

(6)根据井下冲击危险等级和地面震动损害等级，识别矿震诱发灾害工程类型。

通过井下围岩冲击危险性指标和地面建筑物震动损害指标对工作面开采期间产生矿震诱发灾害的危险性进行评价，并进行分级分类，形成了集顶板运动型矿震与诱发灾害类型于一体的危险性评价方法。

5 煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害防控技术

5.1 煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害防控技术体系

基于煤矿顶板运动型矿震诱发井下冲击地压和地面建筑物震动损害的机制，控制关键层的破断运动、降低矿震释放能量和提高巷道或建筑物的抗震能力是有效防控矿震诱发灾害危险的关键。课题组提出了分类防控、源头减震、吸能抗震协同防控顶板运动型矿震的理念，形成了以低矿震能量、低围岩密度和高抗震能力为基础的煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害防控体系，如图7所示。其中防控途径分为主动防控和被动防控2类，如地面钻孔压裂和顶板深孔爆破为主动防控技术，巷道吸能支护和煤层钻孔等为被动防控技术。目前在我国山东兖州矿区、内蒙古鄂尔多斯矿区和陕西彬长矿区等多个煤矿已开展了地面钻井压裂源头主动防控矿震的技术试验研究，取得了一定的成效。

图7 顶板运动型矿震及诱发灾害防控体系

5.2 煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害预测技术现场应用

..东滩煤矿六采区概况

东滩煤矿六采区开采3煤层，煤层平均厚度约5.4 m，平均埋深约700 m，采用综采一次采全高采煤工艺。六采区工作面开采顺序为6304工作面→6305工作面→6303工作面→6306工作面(正在开采)，工作面平均宽度约为260 m，如图8所示。

图8 东滩煤矿六采区平面示意

根据六采区O2-D7钻孔揭露地层结构可知，煤层上方约86 m处存在厚度为263 m的砂岩组，为地层中主关键层，见表1。

表1 O2-D7钻孔地层参数

..六采区工作面开采期间矿震能量及诱发灾害危险性预测

六采区煤层上方存在厚度为263 m的巨厚砂岩主关键层，因此该关键层初次破断时易产生大能量矿震，且对井下冲击地压和地面建筑物的影响最大。因此对263 m主关键层初次断裂时产生矿震进行分析。根据东滩煤矿六采区地质孔岩石力学测试报告中相关参数，取主关键层平均厚度=263 m，最大抗拉强度[]=6 MPa，弹性模量=15 GPa，采用两端固支梁模型可计算得到关键层初次断裂步距=355 m。将以上参数代入式(3)中可得到主关键层初次破断时释放的弹性能=3.4×10J，取地震效率=0.5%，则主关键层初次破断产生矿震波的能量=1.7×10J。东滩煤矿六采区开采期间最大矿震能量为2017-12-30发生的3.04级矿震，微震定位能量为1.45×10J，与理论计算结果相近。

(1)矿震引起井下冲击地压危险评估。由于六采区首采6304工作面宽度为260 m，远小于主关键层初次破断步距，因此预测主关键层为第2个6305工作面开采期间发生破断。6305工作面在预测关键层破断区域平均埋深约710 m，周边无明显地质构造影响。取采空区侧向应力集中系数为1.5，根据式(9)计算得到=26.6 MPa，3煤层的平均单轴抗压强度=19.6 MPa，由式(8)可得煤体在静载作用下的冲击可能性系数=1.4，具有无冲击危险；取矿震能量作用系数=1%，岩层介质=25 kN/m，矿震波传播速度=3 500 m/s，震源到煤层的最近距离=86 m，矿震波衰减系数=1.5，将以上参数代入式(10)和式(11)中，可计算得到顶板运动型矿震波给工作面煤体施加的动应力=5.6 MPa，代入式(8)可得煤体在动静载作用下的冲击可能性系数=1.6，具有弱冲击危险。对照图3可知，主关键层初次破断产生矿震波引起井下煤体冲击危险类型为C。

(2)矿震引起地面建筑物震动损害危险评估。根据式(12)和式(13)可反推出矿震波对地面建筑物的震动影响半径为

(14)

分别取=5，30 mm/s，计算可得关键层破断引起地面建筑物强烈震感半径=7 587 m；引起地面建筑物震动破坏半径=696 m。由于式(14)计算结果为空间距离，为便于现场应用，将其换算为地面直线距离。根据图3可推导出矿震震动影响范围平面距离为

(15)

图9 6306工作面开采地面震动影响范围

对照图3可知，主关键层初次破断产生矿震波引起地面建筑物震动损害危险类型为B。

综上所述，通过采用煤矿顶板运动型矿震工程分类方法，可快速识别关键层在不同运动状态下诱发井下冲击危险和地面建筑物震动损害危险的等级，为顶板运动型矿震能量预测及诱发灾害的防范提供依据。

5.3 地面直井压裂防控顶板运动型矿震及诱发灾害技术现场应用

截至目前，东滩煤矿六采区开采期间发生1.5级以上矿震近400次，根据课题组研究，虽然没有诱发井下冲击地压和地面建筑物震动损害，但频繁发生大能量矿震导致矿区周边约7.6 km范围内建筑物震感明显，给周边居民带来了较大的心理恐慌。由于引起矿震的关键层距离煤层较远且厚度大，常规手段难以有效防控矿震。东滩煤矿联合课题组提出了地面直井压裂巨厚关键层源头防控矿震的方法，在东滩煤矿6306工作面施工了6口地面直井压裂巨厚关键层，压裂范围约625 m，如图10所示。

图10 地面压裂井布置平面示意

现场钻井、压裂施工照片如图11(a)所示，图11(b)为4号井压裂期间高精度微震监测压裂裂缝高度和范围。由图11(b)可知，4号压裂井分3段压裂结束后，形成的主裂缝长270 m，裂缝在垂直方向上主要分布于-530～-200 m，累计缝高达330 m，基本实现了矿震关键层的全厚压裂。

图11 地面压裂井布置及压裂微震监测示意

根据微震监测结果，截至2021-03-13，6306工作面推采约600 m，6304，6305，6303和6306工作面推采至600 m时分别发生1.5级以上矿震46，57，69和27次，如图12所示。试验对比表明，实施地面压裂后，相同开采范围内1.5级以上矿震频次平均下降52.9%，大幅降低了煤矿顶板运动型矿震的发生频次。

图12 六采区工作面回采期间1.5级以上矿震累计发生频次

6 问题与讨论

东滩煤矿6306工作面在2020-11-30T09：41：29—49连续发生2次大能量矿震，微震定位矿震能量分别为7.55×10J(震级1.9级)和2.38×10J(震级2.2级)，震源分别位于煤层上方177 m和128 m处。根据现场勘察，2次矿震发生时井下震感较强，虽然对井下人员及设备未造成影响，但在矿震作用下6306工作面沿空巷道超前200 m巷道出现轻微变形，局部存在底臌和鼓帮，部分地段顶板下沉。矿震发生时工作面推采约550 m，位于关键层压裂区域内。

东滩煤矿六采区6303，6304，6305三个工作面开采期间发生360余次1.5级以上矿震(最大震级3.04级)，未对工作面造成破坏。但6306工作面在压裂区开采期间发生的矿震造成强烈矿压显现，与相邻工作面开采矿压显现存在较大差异。

课题组以东滩煤矿六采区为工程背景，开展地面压裂对关键层运动影响的相似材料模拟研究。图13为正常开采条件下，采空区上覆岩层自下而上逐层断裂、回转，主关键层能形成稳定的岩梁结构。图14为采取地面压裂措施后关键层运动规律。6306工作面上方主关键层运动模式由原来的逐层弯曲断裂(形成岩梁结构)转变为整体滑移失稳(不能形成岩梁结构)，且整体滑移失稳的同时压迫下位关键层回转失稳，进而将覆岩载荷完全传递至工作面前方煤体，易同时诱发滑移型矿震和工作面冲击地压灾害。

图13 6304，6305工作面覆岩运动相似材料模拟照片

图14 6306工作面压裂后覆岩运动相似材料模拟照片

相似材料模拟主关键层发生第2次整体滑移失稳时推采181.6 cm(相似比为1∶300)相当于实际推采544.8 m，与6306工作面“11·30”矿震发生时的推采距离(550 m)接近，相似材料模拟结果与现场监测结果基本一致。

由工作面在压裂区开采期间的矿压显现和相似材料模拟试验结果可以看出，大范围压裂措施能够降低大能量矿震发生频次，但也可能改变关键层运动模式，甚至增大井下矿压显现强度。因此拟采用地面压裂工艺防范顶板运动型矿震的矿井，应结合矿井地层结构，开展地面压裂防控矿震有效性及关键层运动模式影响的相关研究。

7 结 论

(1) 基于关键层运动模式将顶板运动型矿震分为关键层断裂型、关键层回转型和关键层滑移型3类矿震，建立了基于“关键层运动状态”的顶板运动型矿震的能量预测模型，分别提出了3类顶板运动型矿震能量的计算方法。

(2) 基于顶板运动型矿震诱发井下和地面灾害机制，建立了顶板运动型矿震诱发井下冲击地压和地面建筑物震动损害的一体化力学模型和评估方法，为煤矿顶板运动型矿震诱发灾害的预测提供了基础。

(3) 提出了分类防控、源头减震、吸能抗震协同防控顶板运动型矿震的理念，形成了以低矿震能量、低围岩密度和高抗震能力为基础的煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害防控体系，开展了地面直井压裂源头防控顶板运动型矿震的技术试验研究。

(4) 根据工作面在压裂区开采期间的矿压显现和相似材料模拟试验结果，大范围压裂措施能够降低大能量矿震发生频次，但也可能改变关键层运动模式，甚至增大井下矿压显现强度。