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摘要：研究關(guān)鍵層破斷過程對預(yù)防礦震和沖擊地壓具有重要意義。通過對石拉烏素煤礦221上08工作面關(guān)鍵層變形失穩(wěn)的研究，結(jié)果表明當(dāng)主關(guān)鍵層懸露面積達到極限時，主關(guān)鍵層將發(fā)生破斷，釋放大量彈性變形能。主關(guān)鍵層厚度較大，離地表較近，因此容易在地表處形成強烈動載，引起采空區(qū)礦震。煤礦開采過程中，隨著工作面推進，采空區(qū)懸頂?shù)拿娣e不斷增大，懸頂面積不斷增大的過程中，直接頂、老頂逐漸垮落，采動影響到主關(guān)鍵層，主關(guān)鍵層下方的巖層與主關(guān)鍵層也將逐漸發(fā)生離層，最終主關(guān)鍵層也將破壞。主關(guān)鍵層破壞會導(dǎo)致上覆巖層彎曲下沉和破壞，在這個過程中會釋放巨大的能量，引起礦震。以石拉烏素煤礦221上08工作面12月20日發(fā)生的礦震為背景，根據(jù)地質(zhì)條件判斷主關(guān)鍵層，研究礦震中關(guān)鍵層移動變形規(guī)律及主關(guān)鍵層的斷裂方式，建立力學(xué)模型得出主關(guān)鍵層的極限懸露面積。

1.礦井概況

221采區(qū)西北部以221上19工作面膠運順槽為界，西南部以一正在施工油氣井保護煤柱為界，東以輸油管線為界，南、北以井田邊界保護煤為界。采區(qū)南北長7.6km，東西寬2.8km~4.9km，面積約23.6km2。工作面面長289m，推進長度膠運順槽3243.7m，輔運順槽3233.7m，平均3238.7m，面積935984.3m2。

2．關(guān)鍵層判別

首先對采空區(qū)頂板巖層的進行關(guān)鍵層判別。根據(jù)K55全鉆孔綜合柱狀圖，將221上08工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)劃分如下，并根據(jù)《石拉烏素煤礦一采區(qū)、二采區(qū)2-2煤煤層及頂?shù)装鍥_擊傾向性鑒定報告》中頂板巖層的物理力學(xué)參數(shù)，進行頂板巖層關(guān)鍵層判別。根據(jù)關(guān)鍵層理論，計算煤層頂板上方的第n層巖層對第一層關(guān)鍵巖層影響，所形成的載荷表達式為：式中，E1，i為巖層彈性模量，h1，i為巖層厚度，γ1，i為巖層體積力。假設(shè)某一巖層為第一層關(guān)鍵層時，則下一層巖層成為第二關(guān)鍵層必然滿足：同時，按照式（2），還需滿足關(guān)鍵層強度條件，即：關(guān)鍵層判別結(jié)果如表1所示。

（1）亞關(guān)鍵層1為2-2煤的直接頂，其破斷后作為垮落帶填充采空區(qū)，根據(jù)垮落帶發(fā)育高度的經(jīng)驗公式可知，垮落帶發(fā)育高度小于亞關(guān)鍵層1巖層厚度。因此，亞關(guān)鍵層1控制了垮落帶巖層的移動變形，也是構(gòu)成垮落帶的唯一巖層。

（2）亞關(guān)鍵層2是裂隙帶范圍內(nèi)的唯一關(guān)鍵層，控制了裂隙帶巖層的移動變形。

（3）亞關(guān)鍵層3及以上巖層位于彎曲下沉帶。其中亞關(guān)鍵層3、亞關(guān)鍵層4為單層關(guān)鍵層。

（4）距離2-2煤層頂板上方340m左右的厚硬砂巖組互層之間形成復(fù)合效應(yīng)，構(gòu)成組合主關(guān)鍵層，組合厚度可達260m，且極限垮落步距可達418.4m。由于巖層極限垮落步距較大，因此容易和下位巖層發(fā)生離層，形成懸板結(jié)構(gòu)。由于主關(guān)鍵層厚而堅硬，且與地面距離較近，因此其破斷失穩(wěn)極易影響至地表，與地面產(chǎn)生共振，形成高能量礦震事件。因此，彎曲下沉帶內(nèi)的組合主關(guān)鍵層是本礦井的礦震關(guān)鍵層。

3．礦震關(guān)鍵層移動變形規(guī)律分析

由關(guān)鍵層判別結(jié)果可知，本礦井的礦震關(guān)鍵層位于彎曲下沉帶，距離2-2煤頂板約340m，常規(guī)微震、應(yīng)力、地音等監(jiān)測手段已難以對其移動變形規(guī)律進行有效監(jiān)測。為監(jiān)測彎曲下沉帶內(nèi)巖層的移動變形及離層規(guī)律，在221上08工作面布置了3個地面直通式離層水導(dǎo)流鉆孔，并對工作面推過鉆孔后進行了孔內(nèi)電視成像。根據(jù)1#導(dǎo)流孔與3#導(dǎo)流孔的孔內(nèi)電視成像結(jié)果，可以分析得出彎曲下沉帶內(nèi)巖層的移動變形情況。1#導(dǎo)流孔分別在工作面過鉆孔94m、135m、203m、280m和364m進行了孔內(nèi)裂隙探測；3導(dǎo)流孔分別在工作面過鉆孔124m、144m、203m、260m和294m進行了孔內(nèi)裂隙探測。分別繪制兩組導(dǎo)流孔內(nèi)離層裂隙的起始位置與終止位置進行分析，如圖2所示。由圖2分析可知：

（1）從鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育的初始位置來看，1#導(dǎo)流孔在距地面約338m處監(jiān)測到橫向裂隙，表明覆巖出現(xiàn)離層，該段位于主關(guān)鍵層以下30m，亞關(guān)鍵層4以上16m，這表明221上08工作面實體段回采后，彎曲下沉帶出現(xiàn)破裂離層位置已達到亞關(guān)鍵層4以上位置，但尚未影響到主關(guān)鍵層。

（2）3#導(dǎo)流孔在距地面約325m處監(jiān)測到橫向裂隙，表明覆巖出現(xiàn)離層，該段位于主關(guān)鍵層以下16m，亞關(guān)鍵層4以上30m，相比1#導(dǎo)流孔，覆巖離層層位有向地面發(fā)展趨勢。根據(jù)1#導(dǎo)流孔與3#導(dǎo)流孔的相對位置分析可知，隨著221上08工作面回采范圍的增大，覆巖離層的層位將進一步向上發(fā)展，但仍未影響到主關(guān)鍵層。

（3）從鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育的終止位置來看，1#導(dǎo)流孔在工作面過鉆孔94m后可探測到距地面520m處，距煤層頂板上方約135m，但隨著工作面向前推進，孔內(nèi)變形嚴(yán)重，最終僅可探測到距地面384m處，距煤層頂板上方約270m。3#導(dǎo)流孔可探測到的位置距地面平均為400m處，距煤層頂板上方約254m。

（4）221上08工作面實體段回采后，從裂隙發(fā)育情況來看，彎曲下沉帶巖層亦可人工分為3個區(qū)域。①無裂隙發(fā)育區(qū)：位于地表以下，主關(guān)鍵層以上，其移動變形規(guī)律受主關(guān)鍵層控制；②微裂隙發(fā)育區(qū)：位于主關(guān)鍵層以上，亞關(guān)鍵層4以上，其移動變形規(guī)律受亞關(guān)鍵層4控制；③強裂隙發(fā)育區(qū)：鉆孔變形嚴(yán)重不可探，位于亞關(guān)鍵層4以下，亞關(guān)鍵層3以上，其移動變形規(guī)律主要受亞關(guān)鍵層3控制。

4．覆巖空間結(jié)構(gòu)演化及礦震孕育過程

根據(jù)石拉烏素煤礦工作面采掘情況，根據(jù)上文的分析結(jié)果，模擬221上08工作面回采期間由實體煤段過渡到一側(cè)臨空段時，上覆巖層的破斷過程如圖4所示。根據(jù)各級巖層的移動變形規(guī)律可知：當(dāng)221上08工作面由實體煤段過渡到一側(cè)臨空段時，兩采空區(qū)彎曲下沉帶底部之間的離層裂隙相貫通，因此達到主關(guān)鍵層的極限垮落步距，主關(guān)鍵層在自身重力作用下將會逐步彎曲、下沉，釋放大量彎曲彈性能。由于主關(guān)鍵層自身厚度較大、強度較高且距地面較近，當(dāng)主關(guān)鍵層發(fā)生大面積懸露并組合破斷時，會在近地表處形成強烈動載，引發(fā)采空區(qū)礦震顯現(xiàn)。221上08采空區(qū)與221上06A采空區(qū)貫通后，主關(guān)鍵層將形成大懸板結(jié)構(gòu)。根據(jù)彈性薄板的“O-X”型破斷理論，主關(guān)鍵層以下的巖層無論是否一側(cè)臨空回采，都將發(fā)生多次周期性的“O-X”破斷，當(dāng)主關(guān)鍵層經(jīng)過一側(cè)臨空段時將首次發(fā)生破斷。隨著工作面向前推進，主關(guān)鍵層還將發(fā)生周期性破斷失穩(wěn)。

5．高位主關(guān)鍵層破斷力學(xué)機制探討

為進一步研究主關(guān)鍵層破斷的力學(xué)條件，首先建立一側(cè)采空條件下，沿工作面傾向主關(guān)鍵層的破斷模型，如圖3所示。設(shè)主關(guān)鍵層厚度為D，所受自重及上覆巖層載荷為q，覆巖離層帶累計高度為H，采空區(qū)寬度為L，主關(guān)鍵層極限垮落步距為l，巖層移動角為β，一般取70°~85°。極限垮落距在關(guān)鍵層計算時已求出，為418.4m，則達到主關(guān)鍵層極限垮落步距時的臨界采空區(qū)寬度L可由下式（4）求出：

6．結(jié)語

（1）221上08工作面上覆巖層中存在5層厚硬關(guān)鍵層，其中260m組合砂巖層為主關(guān)鍵層，也是本礦井的礦震關(guān)鍵層。

（2）根據(jù)離層水導(dǎo)流鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育情況的觀測結(jié)果，彎曲下沉帶巖層可人工分為3個區(qū)域：無裂隙發(fā)育區(qū)、微裂隙發(fā)育區(qū)和強裂隙發(fā)育區(qū)。221上08工作面實體段回采后，不足以使主關(guān)鍵層發(fā)展為強裂隙發(fā)育區(qū)，在主關(guān)鍵層以下，由于層間變形的不協(xié)調(diào)，出現(xiàn)了一定程度的覆巖離層。

（3）“12.20”礦震發(fā)生機理為：221上08工作面由實體煤段過渡到一側(cè)臨空段后，兩采空區(qū)彎曲下沉帶底部之間的離層裂隙相貫通，達到主關(guān)鍵層的極限垮落步距，主關(guān)鍵層在自身重力作用下逐步產(chǎn)生“O-X”破斷，釋放大量彎曲彈性能，由于主關(guān)鍵層自身厚度較大、強度較高且距地面較近，因此在近地表處形成強烈動載，引發(fā)采空區(qū)礦震顯現(xiàn)。

（4）當(dāng)采空區(qū)傾向長度達到480m，沿工作面推進方向長度達到311m時，主關(guān)鍵層可達到“O-X”破斷的條件。由礦井實際采掘情況可知，221上08采空區(qū)與221上06A采空區(qū)貫通后，其傾向采空區(qū)寬度可達600m，當(dāng)前工作面回采距離超前221上06A切眼408m，已達到了主關(guān)鍵層破斷的臨界條件，主關(guān)鍵層將發(fā)生“O-X”型破斷。取H=350m，β=85°，解得，L=480m。由礦井實際采掘情況可知，221上08采空區(qū)與221上06A采空區(qū)貫通后，其綜合采空區(qū)寬度可達600m，已達到了主關(guān)鍵層破斷的臨界采空區(qū)寬度，故主關(guān)鍵層將產(chǎn)生“O-X”型破斷結(jié)構(gòu)。

 作者：顧穎詩 馬夢想 單位：內(nèi)蒙古昊盛煤業(yè)有限公司  安徽理工大學(xué)