鄂尔多斯矿区高位厚硬岩层破断机理及响应规律

高中祥，曲 治，李 友，陈 淼

（1.兖矿能源集团股份有限公司，山东 济宁 272000；2.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590）

0 引 言

由于地层形成的复杂性，在煤系地层中会赋存着硬度高、厚度大的岩层。在我国的鄂尔多斯地区，煤层上方存在着有硬度高、厚度大的砂岩组。该岩层具有强度高、厚度大、远离采场、悬顶面积大等特点[1]。在该地区煤矿开采中，随着工作面煤体的不断采出，采空区面积逐渐增大，厚硬岩层会形成大面积悬顶并积聚大量弹性能，当采空区面积达到极限值，厚硬岩层发生破断失稳并突然释放积聚的大量弹性能，产生大能量强矿震事件，不仅会极大的提高井下冲击地压发生概率，影响煤矿安全生产，甚至还会引起地面强烈震感，对建筑物构成震动威胁，对煤炭安全高效开采与矿区和谐稳定发展提出了严峻挑战，。

我国学者对厚硬岩层破断规律进行了诸多研究，取得了大量有益成果。蒋金泉等[1-3]建立了厚硬岩层的力学模型，研究得到了岩层破断跨度的计算式，并利用微震、支架压力及地表下沉等进行了动力响应分析；姜福兴等[4]研究覆岩结构提出了“载荷三带”理论，基于该理论对采场可能发生的冲击地压进行了分类和危险性判定；张明[5-6]提出了基于厚硬关键层破断导致强矿震的评估方法，并提出了防控思路；王树立等[7-8]建立了多工作面联合运动的力学模型，推算了红层砂岩的破断步距并阐明了红层破断规律，并利用微震技术分析验证了响应特征。

以往研究主要集中在中低位厚硬岩层破断响应方面，对于鄂尔多斯地区赋存的远场、高位、巨厚、坚硬岩层，在多工作面共同影响条件下的破断演化规律及响应特征研究较少。本文以营盘壕煤矿2201、2202 工作面为背景，以高位厚硬砂岩组为研究对象，建立高位厚硬岩层破断力学模型，对影响高位厚硬岩层破断规律及响应进行分析。研究成果对分析高位厚硬岩层的破断规律和破断造成的响应规律有重要意义

1 地质概况

营盘壕煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市西南方向的乌审旗。井田南北长约13.63 km，东西宽约8.32 km，面积113.32 km2。矿井生产能力1 000万t/a，可采储量约10 亿t。地面标高+1 244.6—+1 261.4 m，区内可采煤层为2-2、3-1 煤层，煤层底板标高分别为+490—+540 m、+450—+500 m。

营盘壕煤矿现主采煤层为2-2 煤层，其中2-2煤层埋藏深度660.38～783.68 m，平均722.88 m，煤层厚度3.16～10.24 m，平均6.29 m。煤层顶板岩性多为粉砂岩及砂质泥岩，局部为中细粒砂岩，底板岩性多为砂质泥岩、泥岩。图1 为营盘壕2202 工作面综合柱状图，由图1 可知，距2-2 煤层上方32 m、193 m 和297 m 处分别存在厚度为10 m 第一层砂岩组、28 m 第二层砂岩组和320 m第三层砂岩组，其中第三砂岩组为该矿井的关键岩层，当该岩层出现悬顶时工作面冲击危险性将明显增大。

图1 营盘壕2202 工作面综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of Yingpanhao No.2202 Face

2 高位厚硬岩层力学模型

依据营盘壕煤矿2201、2202 工作面及上部高位厚硬岩层，建立四周固支的厚板力学模型，如图2 所示。其中，x 轴是工作面走向推进方向，y轴是工作面倾斜方向，z 轴是垂直方向，原点O位于厚板中面三轴交汇处，h 为厚硬岩层厚度，a为岩层走向悬露长度，b 为岩层倾向悬露长度，q为厚硬岩层所受均布载荷，H 为主关键层与煤层间距，LZ和LQ为工作面沿走向和倾向的推进长度，α 为岩层破断角。

图2 高位厚硬岩层力学模型示意Fig.2 Mechanical model of high thick hard rock stratum

基于符拉索夫理论[9]得到厚板弯曲微分方程组：

式中：D 为抗弯刚度；E 为弹性模量；h 岩层厚度；Ψx、Ψy分别为x、y 的转角；ν 为泊松比；ω 为挠度；G 为剪切变形模量；q 为均布载荷。

当下部覆岩跨落后，可将高位厚硬岩层看作固支梁，其边界条件如下：

将边界条件式（2） 带入符拉索夫微分方程式（1） 中，推导计算得到式（3）：

由式（3） 可知，高位厚硬岩层的破断将受岩石抗拉强度σ、岩层走向悬露长度a、岩层倾向悬露长度b、岩层厚度h、上覆载荷q、泊松比υ 等因素的影响。

假设厚板模型在工作面沿走向方向长度为LZ，在工作面沿倾向方向长度为LQ，则厚硬岩层破断尺寸与开采空间尺寸对应关系如下：

3 高位厚硬岩层破断分析

为得到营盘壕远场高位厚硬岩层的破断规律，根据营盘壕煤矿具体工程地质条件，将相关参数带入力学模型公式进行分析计算。通过分析营盘壕煤矿 地 质 测 量 数 据，得 到[σ] =4.68 MPa，υ=0.3，α=65°，h=320 m，q=11 180 kN/m2。

2201 工作面开采时，LQ=300 m，根据岩层运动理论亦可知，此时工作面开采覆岩破坏高度（约为短边长度1/2）[10]亦未波及高位厚硬岩层，岩层稳定性未受到明显影响。

2201、2202 工作面开采时，双工作面倾向长度LQ=600 m，此时工作面开采覆岩破坏高度开始波及高位厚硬岩层；由式（4） 计算得b=320 m；进一步代入式（3） 得，厚硬岩层破断时走向长度a 为260 m，相应的工作面走向长度为540 m。

综上分析可知，营盘壕煤矿2201 工作面推采过程中，高位厚硬岩层不会发生破断；当2202 工作面推采至540 m 左右时，会发生初次破断。

当开采2201 工作面时，工作面倾向长度仅为300 m，因为覆岩破裂高度为采空区短边长度的一半，高位厚硬岩层距离煤层300 m，因此2201 单工作面开采并未影响到高位厚硬岩层，此时工作面未受到高位厚硬岩层的能量冲击，工作面相对安全，大能量事件较少，如图3 所示。

图3 高位厚硬岩层未被破坏时状态图Fig.3 State diagram of high thick and hard rock strata when not destroyed

在2202 工作面开采之初，两个工作面采空区宽度将达到600 m，但此时采空区范围较小，随着工作面推进，裂隙将发育至高位厚硬岩层，高位厚硬岩层逐渐起到支撑作用，由于其厚度较大、强度较高，易造成大范围的悬顶，但不会发生破断，集聚大量的弹性能，如图4 所示。

图4 高位厚硬岩层离层时状态图Fig.4 State diagram of high-level thick hard rock bed separation

当继续回采2202 工作面时，随着工作面持续推进，采空区范围变大，采空区上覆岩层逐渐垮落和破断，悬顶下部空间足够大，破坏范围发育至高位厚硬岩层，据计算结果推采至540 m 左右时，达到其极限破断强度，高位厚硬岩层发生破断并会释放大量能量，诱发大能量事件。大能量事件在该地区并不少见，能量冲击会对岩体造成扰动，岩体扰动极易发生冲击地压事故，尤其是开采之初，高位厚硬岩层的断裂对工作面会造成严重影响，如图5所示。

图5 高位厚硬岩层破断时状态图Fig.5 State diagram of high thick and hard rock strata when breaking

4 微震规律分析

在工作面推进过程中，高位厚硬岩层的损伤破坏，必然会伴随着能量事件，因此有必要对营盘壕煤矿2201、2202 工作面推进期间的能量事件进行监测。2201 工作面开采期间监测到的大能量事件主要受顶板断裂影响，此期间未影响到高位厚硬岩层，因此对2202 工作面开采期间的大能量事件进行研究分析。

2202 工作面自2019 年8 月7 日开始回采，至2021 年6 月10 日期间，工作面推进约1 317.8 m。因为高位厚硬岩层的破断会释放积聚的大量能量，因此为了更准确的研究高位厚硬岩层破断带来的影响，对此期间发生的大能量矿震（105J 以上） 事件进行统计，并分析研究其规律。

该期间共发生22 次大能量事件，对大能量事件进行重新标定和能量计算，最终分析确定在2202 工作面推采期间因采掘影响引发的能量大于105J 以上的矿震共发生21 次，占总频次的0.14%，能量占总能量的27.59%，大能量矿震虽然发生频次低，但是其释放的总能量却高于低能量矿震，如图6 所示。

图6 2202 工作面回采期间大能量矿震频次、能量占比Fig.6 No.2202 Face during the mining period of large energy mine earthquake frequency,energy ratio

图7 是2202 工作面回采期间大能量事件的平面图。由图7 可知，能量大于105J 的矿震事件大多分布在工作面两巷、工作面见方与2201 采空区二次见方，表明2202 工作面开采过程中，裂隙逐渐向上发育至高位厚硬岩层，导致高位厚硬岩层大面积悬顶、断裂释放大量能量，造成大能量事件。

图7 2202 工作面回采期间大能量事件（1×105J 及以上） 平面图Fig.7 No.2202 Face mining during large energy events(1×105 J and above)plan

由表1 可知，能量大于105J 的矿震事件主要发生于工作面后方100 m 左右且分布在工作面进尺500～700 m，即双工作面见方时，表明在此期间内高位厚硬岩层发生破断，厚硬岩层内的大量能量被释放，因此造成多次大能量事件。

表1 2202 工作面开采期间大能量事件（1×105J 及以上） 对应位置统计Table 1 No.2202 Face during mining large energy events(1×105 J and above)corresponding position statistics table

5 结 论

（1） 将营盘壕煤矿具体的工程地质条件带入建立的力学模型及公式，可以得到高位硬厚岩层在2201 工作面开采时不发生破断，2202 工作面开采时双工作面联合致动高位硬厚岩层发生破断。

（2） 当2201 工作面开采时，岩层裂隙未发育至高位硬厚岩层；2202 工作面开采前期，双工作面倾向长度达到600 m，开采影响到高位硬厚岩层，导致其大面积悬顶并积聚大量弹性能；当2202 工作面开采至双工作面见方时，高位硬厚岩层发生破断释放大量能量，此时大能量事件明显增多。