第25卷增1岩石力学与工程学报Vol.25Supp.12006年2月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringFeb.,2006收稿日期:2005–11–25;修回日期:2006–01–07基金项目:教育部骨干教师资助计划项目作者简介:蒋金泉(1961–),男,1982年毕业于山东矿业学院采矿工程系采矿工程专业,现任教授、博士生导师,从事矿山压力与岩层控制方面的教学与研究工作。E-mail:jjq6123@sdust.edu.cn综放开采矿震的成因及防治对策蒋金泉,张开智(山东科技大学矿山灾害预防控制重点实验室,山东泰安271019)摘要:通过综放开采的矿震灾害实例分析,研究综放开采矿震危害的成因与机制,初步提出相应的防治对策。综放工作面开采厚度大,高位厚硬岩层会成为主关键层,其运动幅度大、冲击能量高,发生矿震的可能性与危害性加大。综放开采的矿震是由上位主关键层与大结构、台阶形采空区边界覆岩的非充分沉降、区段煤柱、断层活化、煤柱应力集中与长时强度降低等因素形成的。主关键层大面积破断运动导致大结构失稳、释放重力势能,重力势能和冲击气浪的能量叠加转化为冲击动能,对采空区围岩做功发生矿震。应在合理开采部署的基础上,开展合理泄风、构筑嵌入式高强缓冲密闭或巷道“┬”形密闭、主关键层下位离层注浆减沉、采空区“O”形空间注浆充填等防治技术的试验研究。关键词:采矿工程;综采放顶煤;矿震;成因;机制;主关键层;离层注浆;“O”型空间注浆中图分类号:TD32文献标识码:A文章编号:1000–6915(2006)增1–3276–07CAUSEANDCONTROLMETHODOFMINEEARTHQUAKEINFULLYMECHANIZEDTOPCOALCAVINGMININGJIANGJinquan,ZHANGKaizhi(KeyLaboratoryofMineDisasterPreventionandControl,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Tai′an,Shandong271019,China)Abstract:Thecause,mechanismandtentativecontrolmeasuresofmineearthquakeinfullymechanizedtopcoalcavingminingarestudiedbycaseanalysis.Becausethecoalcavingheightislargerinfullymechanizedtopcoalcavingmining,thickandhardrockstrataathigherpositionturnintothemainkeystratum,whichhavelargemovementandhigherimpactenergy.Theseenhancethepossibilityandharmfulnessofmineearthquake.Themineearthquakeiscausedbymanyfactorssuchasmainkeystratum,greatstructure,inadequatesubsidenceofstep-shapegobboundaryoverburden,faultactivation,stressconcentrationandreductionoflong-timestrengthofsectionpillar.Thegreatareabreakingmovementofmainkeystratumcausesgreatstructureunstableandgravitypotentialenergytobereleasedatalarge-scaledegree.Thesuperimpositionofgravitypotentialenergyandimpactenergyturnsintoimpactkineticenergy,whichcausesmineearthquakebytheworktosurroundingrockofgob.Basedonthereasonablelayoutofmining,thecontroltechniques,forexample,reasonableleakagewind,buildingembeddinghighstrongbufferbulkheador┬-entrybulkhead,separatingstratagroutingunderthemainkeystratumtoreducethesubsidence,groutingintotheO-shapedspaceinthegob,shouldbestudiedbyexperiments.Keywords:miningengineering;fullymechanizedtopcoalcavingmining;mineearthquake;cause;mechanism;mainkeystratum;separatingstratagrouting;O-shapedspacegrouting第25卷增1蒋金泉等.综放开采矿震的成因及防治对策•3277•1引言矿震是由矿山开采引起的地震活动。由于采空区坚硬覆岩大面积悬空后,围岩应力集中程度增大、岩体积累的应变能增加,影响范围随之扩大,脆性岩层或煤层中出现微破裂与地声;随着应力继续增加,微破裂和地声频次增加,当微破裂次数与规模使之彼此贯通时,煤岩体产生宏观破裂,伴随强烈的震动;坚硬覆岩突然脱离母体瞬间垮落,压缩空气产生强大的气流,从而引起矿震危害。它对矿山安全生产的危害性极大,是世界深层采矿作业中难以控制的现象之一。目前,世界上有记载的昀大矿震是德国东部Suna钾碱矿区1975年发生的ML=5.2级矿震,其次是波兰卢宾铜矿区1977年发生的ML=4.5级矿震。我国已有门头沟、辽源、六枝化处、大同、北票、陶庄、涟邵、抚顺、新汶等矿区的55个以上的煤矿发生过矿震[1~5]。例如,抚顺矿区现在每年发生矿震达3000~4500次,昀大震级为ML=3.3级;门头沟矿自1947年首次发生ML=3.8级矿震以来,随着开采深度的不断增加,矿震频次和能量均显著增加,昀大震级为ML=4.2级,北京市部分地区均有明显震感;新汶矿区现开采深度达700~1000m,矿震现象已十分突出,每年发生的矿震达100余次,地面有强烈的震感,影响范围超过10km。齐庆新等[1]研究了冲击地压与矿震的区别;马志峰[2]、惠乃玲等[5]研究了矿震的震源机制;方建勤等[3]、童迎世等[4]研究了矿震的分类。发生矿震的有房柱式、短壁式、刀柱式采煤方法的坚硬顶板条件,也有长壁开采的坚硬覆岩条件。有关研究表明,随着采矿作业的进行,强烈矿震会重复发生,且开采深度越深,矿震活动越频繁。近年来,随着我国煤矿综放开采深度与强度的加大,一些矿区监测到的矿震活动已经十分频繁,甚至发生了比较严重的矿震灾害,但还没有开展综放开采矿震活动的研究。科学地掌握矿震灾害的发生、发展规律,采取有效的减灾防灾对策,已日益引起人们的重视。为此,本文通过综放开采矿震灾害的实例分析,探讨其发生的成因、机制与防治对策。2综放开采矿震灾害实例及成因2.1综放开采矿震灾害实例鲍店煤矿为大型现代化矿井,主采煤层为山西组3煤(3上,3下),采用综合机械化采煤与综采放顶煤采煤方法,2004年9月6日在2310工作面1#进风联络巷发生兖州矿区首次矿震灾害。如图1所示,灾害地点西部为2310,2311工作面采空区,2311工作面于2003年5月停采;北侧为大马厂断层与2310工作面停采线之间的煤柱;东侧、南侧为大马厂断层,断层外为2306切眼。2310工作面停采后,对2个顺槽进行了第一次永久性封闭,并进行注浆充填堵漏,之后又进行了第二次永久性封闭,在2个顺槽及其外图1综放开采矿震灾害实例平面图Fig.1PlanofmineearthquakedisasterinstanceinfullymechanizedtopcoalcavingminingN·3278·岩石力学与工程学报2006年部分别构建了砖结构的永久封闭。2310,2311采空区上位巨厚中砂岩大面积活动形成的矿震冲击波,将2310轨顺2#,1#密闭摧毁,砖结构密闭的红砖被冲击波抛出,在2#绞车窝、2310工作面1#进风联络巷的支架上出现明显的砖痕。冲击波冲垮2#密闭外侧的3个支架、1#密闭外侧的多个支架,1#密闭外侧巷道顶煤冒落,如图2所示。冲击波及抛出的密闭砖块导致人员伤亡。矿震发生后,为了隔离采空区,在2310工作面1#进风联络巷外侧斜坡处用砂袋构筑了长5m的临时封闭,再次发生矿震时又将临时封闭摧毁。2.2综放开采矿震灾害成因通过现场勘察、气体检测、资料分析、受伤人员观察,可以排除瓦斯煤尘爆炸、水煤气爆炸的可能。2310轨顺2#密闭内侧为锚网支护,顶板完好,底板为已干缩为豆腐块状的胶体泥浆,2311施工巷及2310工作面1#进风联络巷无明显表面位移,除冒顶区外,其他巷道支架无变形,可排除发生冲击地压的可能性。采矿活动引起的上覆岩层大面积运动可引发矿震现象,矿震可在采矿空间形成不同的程度冲击波,事故发生时伴随着响声和震动,该区域具备了发生矿震的条件,主要成因有以下几个方面:(1)由2311综放面停采线内侧的76#钻孔柱状可知,3煤上部91m处赋存着厚度达94.27m的石英中砂岩,具备采空区上位赋存巨厚坚硬岩层的地质条件。厚层石英中砂岩是综放面覆岩主关键层,其大面积悬空与断裂活动为发生矿震提供了力源条件。(2)如图3所示,2310,2311,2312工作面推进方向的长度比其他工作面短,导致该区域采空区边界形成台阶形态,使覆岩处于非充分采动状态,上位巨厚岩层具备了大面积悬空的采空条件。(3)1310与2310工作面之间、2311与2312之间留设了宽度为15m的煤柱,由于煤柱的支撑作用,加剧了台阶形采空区边界附近的非充分采动状态,加大了2310,2311采空区覆岩主关键层的悬空面积。2310工作面停采线附近的地面非充分沉降形图2综放开采矿震灾害实例的剖面图Fig.2Crosssectionofmineearthquakedisasterinstanceoffullymechanizedtopcoalcavingmining图3断层煤柱与采空区台阶形边界Fig.3Faultpillarsandstep-shapeboundariesofgobN第25卷增1蒋金泉等.综放开采矿震的成因及防治对策•3279•态如图4所示,沉降形态表现为左低右高,沉降盆地积水。其近处地面为2311工作面停采线外侧的煤柱上方,2310工作面停采线在右侧,积水沉降区为2310工作面停采线内侧的非充分沉降区,远处地面为15m的煤柱支承影响区。图4地面非充分沉降形态Fig.4Non-fullysubsidenceformofsurface(4)2310,2311,2312综放面都是向事故发生部位推进的,已经停采,但覆岩主关键层的运动具有周期性,停采线附近的覆岩运动与沉降程度不充分。(5)大马厂断层落差为10m,处于2310,2311,2312综放面停采线外侧,上位巨厚中砂岩被断层切割,其大面积悬空及断层切割后处于动态平衡状态,易发生大面积运动。(6)由于停采线位置不同,断层煤柱为台阶形,台阶形煤柱凸角处两侧采空区集中应力叠加,应力集中程度高,随着时间的延续,煤柱凸角处长时强度降低、对巨厚中砂岩的支承作用削弱,导致上位巨厚中砂岩大面积运动,煤柱凸角的破坏是发生矿震的诱发因素。3综放开采矿震机制探讨关键层对工作面覆岩活动起主要控制作用[6],主关键层、亚关键层的断裂分别导致全部、部分覆岩产生整体运动,关键层的下沉变形或破断,其上覆全部或部分岩层将同步下沉、破断;亚关键层可能不止一层,主关键层只有一层,关键层一般为相对厚而坚硬的岩层。主