华亭煤矿强矿压力学机制与防治对策.pdf

第 41 卷第 5 期煤 炭 学 报Vol. 41 No. 5 2016 年5 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay 2016 李铁,张山林,李守峰,等. 华亭煤矿强矿压力学机制与防治对策[J]. 煤炭学报,2016,4151093-1098. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2015. 1173 Li Tie,Zhang Shanlin,Li Shoufeng,et al. Mechanism and control measures of rockburst in Huating Coal Mine[J]. Journal of China Coal Society,2016,4151093-1098. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2015. 1173 华亭煤矿强矿压力学机制与防治对策 李 铁1,2,张山林1,2,李守峰3,王 萍2,3 1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京 100083;2. 北京科技大学 土木与环境工程学院,北京 100083;3. 甘肃华 亭煤业集团有限责任公司 华亭煤矿,甘肃 华亭 744100 摘 要为从机理上认识和防治华亭煤矿强矿压,应用震源机制解答方法反演强矿压岩体破裂机 制,结合现场地应力测量、微震监测、现场调查、采矿活动分析和理论分析等技术途径,验证震源机 制解答方法的可靠性,分析强矿压成因,制定强矿压防治策略。 研究得出如下认识震源机制解答 方法反演煤矿采动岩体破裂机制的应用效果较好;华亭煤矿强矿压频发的主要原因是水平应力强 度高、最大主应力方向与巷道走向大角度相交、厚层砂岩大面积悬顶、底煤厚度大且冲击倾向性强; 防治此类强矿压发生的主要途径是工作面设计应避开最大主应力方向与巷道走向大角度相交、先 开采底板抗冲击性能较好的下分层、顶板预裂卸掉垂向采动应力和巷道钻孔、切槽断底。 关键词矿震;震源机制;冲击地压;采动主应力场;微震监测 中图分类号TD31;P315． 1 文献标志码A 文章编号0253-9993201605-1093-06 收稿日期2015-08-11 修回日期2015-11-26 责任编辑许书阁 基金项目国家自然科学基金资助项目51274025 作者简介李 铁1961,男,天津人,教授,博士生导师。 E-maillitie ustb. edu. cn Mechanism and control measures of rockburst in Huating Coal Mine LI Tie1,2,ZHANG Shan-lin1,2,LI Shou-feng3,WANG Ping2,3 1. State Key Laboratory of High-efficiency Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2. School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;3. Huating Coal Mine, Gansu Huating Coal Group,Huating 744100,China AbstractIn order to understand the mechanism and prevention of rockburst in Huating mine,the rupture mechanism of rockburst was inversed,using focal mechanism solution . Combining with in-situ stress measurement,micro- seismic monitoring,field investigation,mining analysis and theoretical analysis,the focal mechanism solution was proved to be reliable,and the appropriate control strategies would be made after analyzing the causes of rockburst. It was concluded that the focal mechanism solution was effective for mining rupture mechanism inversion. The frequent rockburst in Huating mine was mainly caused by great horizontal stress,the large angle of intersection between maximum principal stress direction and roadway trend,the large unsupported roof of thick sandstone,and the large thickness and strong burst trend of bottom coal. There were severalways to prevent mine rockburst. During coal face de- sign,it should be avoided that the maximum principal stress direction intersected roadway trend with a big angle. Min- ing lower slice with good impact resistance,relieved vertical mining stress by roof presplitting,roadway drilling and cutting off the floor,were also the major solutions for the prevention of rockburst. Key wordsmine earthquake;focal mechanism;rockburst;mining-induced principal stress field;microseismic monito- ring 煤 炭 学 报 2016 年第 41 卷 华亭煤矿采掘过程中,矿压以动力形式频繁强烈 显现。 该矿强矿震常导致采场冲击地压显现,习称为 强矿压。 此类震动事件由于矿震-冲击地压联动发 生机制的一致性,引发用震源机制解答方法研究其成 因机制、探索防治策略的动机。 本质而言,采场强矿压显现是采矿地质条件、开 采技术条件与原岩应力场、采动应力场和开采方式共 同作用的结果。 采动改变矿井原岩应力场,其调整和 再平衡,形成采动应力场。 其他条件一定情况下,掌握 采动应力场的演化过程,对了解岩层运移方式和岩体 灾变具有重要的指示意义,是认识强矿压发生机理的 根本途径[1]。 矿井岩体应力场通常通过现场实地测量 获取[2]。 但由于受地下采场布置、测量成本和测量周 期等条件限制,不可能在矿井范围广泛布点测量原岩 应力场,更难以跟踪采动过程矿井应力场的演化。 地震时,岩体宏观破裂面的位错方式和主应力轴 产状的反演,称为震源机制解答FMS,它既反映岩 体宏观破裂面位错时的破裂力学机制,又在很大程度 上反映孕育岩体宏观破裂的应力场属性。 Ride 率先 提出地震的“弹性回跳”理论[3]。 Nakano 提出了“在 弹性介质中,求解初动符号分布与地震观测结果相符 的集中力源问题”,开辟了震源定量研究的先河[4]。 时至今日,震源机制解答已成为研究大尺度岩体宏观 破裂孕育和发生机理广泛使用的方法和途径[5]。 但 单个岩体破裂的破裂源机制反映的是破裂源处的应 力释放特征,并不能完全反映大范围的应力场全貌, 而众多岩体破裂源机制的总体特征则能够反映应力 场的属性。 李铁等的研究提出,煤矿采动卸荷重力应力场的 诱发作用突出[6]。 张凤鸣等的研究提出,矿震的孕 育和发生受到采动因素和区域构造应力场的双重作 用[7]。 李庶林等的研究提出,矿震震源机制是揭示 矿震发生机理,预测、防治矿震灾害的基础[8]。 赵凌 云等的研究提出,煤矿诱发地震可能发震机理为煤体 压缩、顶底板拉伸、断层引发矿震等[9]。 姚宏等的研 究提出,广西南丹大厂矿区的矿震与矿区的地质构造 有关[10]。 李峰等的研究提出,大冶金山店铁矿的矿 震不太可能是构造成因[11]。 山长仑等的研究提出, 淄博某矿矿震是整个矿区尺度的应力场重新分配与 区域应力场共同作用所致[12]。 上述学者的研究表 明,地震学的震源机制解答方法在矿山领域的应用取 得了较好的效果。 基于上述原因,本文以认识强矿压发生的成因机 制为重点,探讨防治强矿压灾害防治的方向和宏观对 策。 1 矿井概况 华亭煤田地处鄂尔多斯地块西南缘断褶带内,历 史和现今构造运动均较强。 矿田内构造形态为宽缓 的东部向斜、中部背斜、较紧密的西部向斜和边界唐 家山逆断层。 含煤地层为中下侏罗统延安组,自下而上划分为 3 个岩段,共含有 5 个煤层组、7 层煤,其中煤 5 层平 均厚度 39． 5 m,全区可采,比较稳定,是目前的主采 煤层。 250104 采煤工作面和 250105 掘进工作面为 研究对象。 250104 工作面标高906 1 050 m,地面标高 1 468 1 620 m,东部为250102 工作面回风巷6 m 保护煤柱,南部为大巷保护煤柱,西部为未采煤体,北 部为矿井边界。 煤层厚度平均 35． 2 m,工作面布置 在煤 5 层 3 个分层的第 1 分层,分层厚度 7． 7 18． 6 m,平均厚度 13． 2 m。 250105 掘进工作面标高792 980 m,地面标 高1 467 1 618 m,东部为未采煤体,南部为大巷 保护煤柱,西部为 250103 工作面回风巷 6 m 保护煤 柱,北部为矿井边界。 煤层厚度平均 36． 2 m,工作面 两巷均布置在顶部煤层中,平均厚度 12． 1 m。 两个工作面岩层结构相似。 基本顶及其覆岩以 中粒砂岩、含砾粗砂岩为主。 直接顶以泥岩、砂质泥 岩为主、粉砂岩及细砂岩、粗砂岩多呈舌状分布于矿 田边缘,厚度 0． 55 22． 40 m。 伪顶以炭质泥岩为 主,厚度不足 0． 5 m。 直接底为煤 5 层。 基本底为含 砾中-细粒砂岩为主。 经测定,煤 5 层具有强冲击倾向性。 顶板 30 m 内复合岩层具有弱冲击倾向性。 工作面走向 345或 165,平面分布如图 1 所 示,其中 250101,250102,250103 工作面此前已回采 结束,岩体破裂机制反演研究对象为 250104 工作面 开采和 250105 工作面掘进过程发生的强矿压。 2 研究方法 华亭煤矿装备有工程精度 SOS 微震监测系统, 共布设 16 个测站,可清晰记录到 ML≥0 矿震的 P 波 初动震相。 在本研究区域,微震震中定位距误差小于 20 m,震源深度定位精度可分辨出矿震发生在顶板 或底板。 基于地震学的双力偶点源震源模型,应用 P 波 初动符号的格点尝试方法[5],选取 56 个能量大于 1． 5106J 级别里氏震级 ML≥1． 8强矿震引发冲击 4901 第 5 期李 铁等华亭煤矿强矿压力学机制与防治对策 图 1 岩体破裂机制类型及主应力轴方位分布 Fig． 1 Types of rock rupture mechanism and distribution of principal stress axes 地压显现的事件,反演岩体破裂机制,其中发生在 250104 工作面开采过程的 50 个,发生在 250105 工 作面掘进过程的 6 个。 每个矿震事件参与反演的微 震测站数目,可清晰辨识 P 波初动方向的测站不少 于 10 个。 现场地应力测量采用应力解除法,使用完全温度 补偿的空心包体应力计。 每次强矿压事件后均有现 场调查。 应用地震学 P 波初动方向的震源机制解答方 法,反演强矿压岩体破裂的力学机制,结合微震定位、 现场震源调查、地应力测量、采矿活动分析和理论分 析,验证震源机制方法的可靠性,解析华亭煤矿强矿 压的力学机制,提出宏观防治策略。 3 强矿压岩体破裂机制 3． 1 岩体破裂机制反演 经震源机制解答,55 个事件为双力偶机制,可得 出震源机制解;1 个事件为非双力偶机制,无解。 图 2a显示,55 个双力偶机制的主压应力轴 P 轴优势方位角为 72 或 252,主压应力轴倾角 80大于 30,平均 39。 主压应力轴走向与机、风两 巷走向近于垂直。 图 2b 显示,中等应力轴 N 轴优势方位角为 图 2 震源机制主应力轴极点 Fig． 2 Pole diagram of FMS principal stress axes 周向为方位角,径向为仰角 160或 340,倾角平均 20。 中等应力轴走向与 机、风两巷走向近于平行。 图 2c显示,主拉应力轴 T 轴无优势方位角,倾 角 80大于 30,平均 38,指向顶板。 3． 2 现场地应力测量 在华亭矿田范围共布置 9 个测点,测量原岩应力 场。 测量结果显示图 3,最大主应力轴优势方位角 52或 232,与图 2a震源机制反演的主压应力 方向基本一致,与机、风两巷走向近于垂直。 实测最 大主应力轴优势倾角近水平和缓倾斜平均 10． 2, 最大主应力强度是岩层自重应力的 1． 8 倍,构造应力 场特征显著。 而强矿压岩体破裂机制反演的主压应 力轴倾角80大于30,平均39,与原岩最大应力场 倾角平均偏离了 29,表明强矿压最大主应力场有垂 直分量应力增量参与。 实测 2/3 的中等主应力轴优势方位角 142或 322,与图 2b震源机制反演的中等主应力方向基 本一致,与机、风两巷走向近于平行。 实测优势倾角 近水平和缓倾斜平均 12． 5,主应力强度是岩层自 5901 煤 炭 学 报 2016 年第 41 卷 图 3 实测主应力轴极点 Fig． 3 Pole diagram of in-situ principal stress axes σ1最大主应力轴;σ2中等主应力轴;σ3最小主应力轴 重应力的 1． 2 倍。 强矿压岩体破裂机制反演的中等 主应力轴倾角平均 20,表明强矿压中等主应力场有 垂直分量应力增量参与。 实测 2/3 的最小主应力轴优势倾角近垂直和急 倾斜平均 73． 3,主应力强度是岩层自重应力的 1． 1 倍,与岩层自重应力基本相同。 实测最小主应力 轴与震源机制反演的主拉应力轴图 2c基本一 致,无优势方位角,但倾角降低,两者主应力场形成机 制有一定差异。 实测华亭矿田中等主应力轴优势方位角和倾角、 最小主应力轴优势倾角也较显著,但两者均有 1/3 变 位离散,可能是因为部分测点只反映局部采动应力场 的特征。 3． 3 微震定位与现场调查 经微震定位和现场调查验证图 1,强矿压应力 释放的主应力轴状态与发生的位置有关。 1 个强矿压为非双力偶机制,P 波初动符号全部 向下,发生在采空区顶板,为采空区顶板无优势破裂 面大范围陷落。 5 个强矿压发生在采空区中,主压应力轴与中等 应力轴平卧、正交,主拉应力轴陡立,主应力场有继承 性。 但主压应力轴与中等应力轴方位与原岩应力场 有差异,主要原因是强矿压发生在遗留的煤柱区附 近,对原岩应力场方向有改变。 10 个强矿压发生在掘进工作面后方 200 m 巷道 内底板,主压应力轴大多与主拉应力轴平卧、正交,中 等应力轴陡立。 主压应力轴方位大多与巷道走向垂 直或大角度相交。 2 个强矿压发生在掘进工作面内煤层中,主压应 力轴与主拉应力轴平卧、正交,中等应力轴陡立。 主 压应力轴方位与原岩应力场一致。 25 个强矿压发生在采煤工作面巷道内,绝大多 数发生在超前200 m 巷道内底板,主压应力轴方位与 原岩应力场基本一致,与巷道走向垂直或大角度相 交。 中等应力轴和主拉应力轴与主压应力轴平卧、正 交的约占 50,另一半应力轴陡立,中等应力轴和主 拉应力轴有变位,受采动局部卸载或加载影响。 10 个强矿压发生在采煤工作面内超前大致 200 m 煤层中,主压应力轴平卧,中等应力轴和主拉 应力轴与主压应力轴平卧、正交的约占 50,另一半 应力轴陡立,但主压应力轴方位与原岩应力场有一定 差异,可能是受超前应力的影响。 3 个强矿压发生在采煤工作面外实体煤下方图 1,超出图幅未标注,主压应力轴与中等应力轴正 交、平卧,主拉应力轴陡立,与原岩应力场基本一致, 反映了原岩残余构造应力场的应力释放。 4 强矿压力学机制分析 1强矿压频发的主要原因之一是水平应力强 度高。 实测最大主应力强度是岩层自重应力的 1． 8 倍,与采动应力的水平分量叠加,使水平应力成为引 发强矿压的主导因素。 2主要原因之二是原岩应力场和采动应力的 水平分量与巷道正交或大角度相交,最有助于强矿压 发生。 3主要原因之三是直接底为煤层,底煤厚度 大、冲击倾向性强。 4主要原因之四是顶板为厚层砂岩,大面积悬 顶不宜垮落,造成段间煤柱区垂向采动应力强度较 高。 一般而言,煤矿 P 波初动符号全部向下的非双 力偶震源机制大致应占全部事件的 10 15,而 本项工作只发现一例此类非双力偶震源机制,占比 1． 8,表明顶板大面积陷落情况不多,悬顶问题较突 出,现场调查也得出一致性的判断。 535 个强矿压发生在巷道底板,占比 62． 5, 原岩应力场和采动应力的水平分量与巷道正交或大 角度相交,两者叠加使底板水平应力增强,造成底煤 向上挠曲,张裂为正断层,或沿滑移面 CDE 滑动为逆 断层。 主压应力轴倾角绝大多数大于 30而不是水 平,体现了巷道两帮传递的垂直应力和原岩、采动应 力场水平应力的合力方向图 4。 6赵凌云等[9]的研究认为,平凉东部地区位于 鄂尔多斯块体相对稳定的地区,中强以上地震活动水 平十分低,自 2001 年以来,该区中小地震活动性显著 增强,是煤矿开采诱发造成的。 换言之,采动应力占 据了主导地位。 5 强矿压防治策略 基于上述分析,针对华亭煤矿的情况,可采取和 实际采取的工程防治对策如下 6901 第 5 期李 铁等华亭煤矿强矿压力学机制与防治对策 图 4 巷道内强矿压破裂机制模型 Fig． 4 Model diagram of rockburst rupture mechanism in roadway 1工作面设计本应避开最大主应力方向与巷 道走向正交或大角度相交,但采场格局已然形成,修 改设计已不可能,只有高度重视最大主应力方向与巷 道走向正交或大角度相交这个事实,采取强化防制措 施。 深部煤层新建矿井,在地勘期间应测量地应力, 据此设计采场布局。 2有效卸掉垂向顶板采动应力,是防治强矿压 显现的重要途径之一。 实际工程中,采前在两巷每隔 20 m 各布设一组 3 个钻孔,向工作面和采空区方向 构成扇形面,钻进顶板坚硬岩层不小于 15 m,实施顶 板预裂爆破,主动减小顶板破断距。 超前在风巷煤柱 向上区段采空区顶板方向每隔 20 m 布设 1 个钻孔, 钻进顶板坚硬岩层不小于 15 m,实施断顶爆破,减小 悬臂梁长度。 3改变最大主应力致灾的岩石环境,也是防治 强矿压显现的重要途径之一。 由于最大主应力垂直 于巷道走向,其作用的结果必然是巷道底板受压起鼓 冲击。 而主动介入,采用钻孔、切槽等方法将巷道底 板煤岩连续性破坏掉,使巷道底板在正交方向水平最 大主应力作用下仅产生缓慢位错,无法积累和释放高 强度弹性能,从而有效减轻强矿压灾害。 实际工程 中,在预测危险区段采用了钻孔断底措施,钻孔间距 5 m,孔深大于 15 m。 4先开采最下面的分层,砂岩底板抗冲击性能 较好,辅以卸压解危措施,底板冲击或可避免。 建议 新工作面尝试上行开采方式。 5 因采场格局已形成,实际操作中,2501 采 区1,4项措施无法实施,实施了2,3项措施 和强化的卸压措施,强矿压显现虽然显著缓解但未杜 绝。 根据预测结果,在危险部位实施诱发爆破措施, 强矿压得到定向释放和较好的控制[13]。 期待其他工 作面和采区尝试上行开采方式。 6 结 论 1华亭煤矿强矿压频发的主要原因是原岩和 采动水平应力强度高、最大主应力方向与巷道走向大 角度相交、厚层砂岩大面积悬顶、底煤厚度大且冲击 倾向性强。 2煤矿采动岩体破裂机制与原岩应力场相比 较为复杂,因前者受采动的影响。 受采动影响较小的 区域,岩体破裂机制与原岩应力场相近,属残余构造 应力释放。 受采动影响较大的部位,岩体破裂机制既 有继承性,也有变异性。 3减轻或控制此类强矿压发生的主要途径是 工作面设计应避开最大主应力方向与巷道走向正交 或大角度相交、先开采底板抗冲击性能较好的下分 层、采用顶板预裂方法卸掉垂向顶板采动应力和巷道 钻孔、切槽断底卸压。 4经多种途径验证,震源机制解答方法反演煤 矿采动岩体破裂机制的应用效果较好,可以低成本、 高效率、便捷地跟踪反演井田范围采动主应力场演化 过程,确定强矿压岩体破裂成因机制,并据此制定相 应的防治措施。 参考文献 [1] 李铁,王金安,刘军. 深部采动断层异变的强制逆冲机制[J]. 岩 石力学与工程学报,2014,33S23760-3765. Li Tie,Wang Jin’an,Liu Jun. Forced thrust mechanism of fault mu- tation in deep mining[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33S23760-3765. [2] 蔡美峰,何满朝,刘东燕. 岩石力学与工程[M]. 北京科学出版 社,2002133-134. Cai Meifeng,He Manchao,Liu Dongyan. Rock mechanics and engi- neering[M]. BeijingScience Press,2002133-134. [3] Reid H F. The elastic-rebound theory of earthquakes[ J]. Bull. Dept. Geol. Univ. Calif. ,19116412-444. [4] Nakano H. Note on the nature of the forces which gave rise the earth- quake motions [ J]. Seismol. Bull. Centr. Meteorol. Obs. Japan, 1923192. [5] 许忠淮. 地震参数 数字地震学在地震预测中的作用[M]. 北 京地震出版社,200316-25. Xu Zhonghuai. Seismic parameters-The role of digital seismology in earthquake prediction[ M]. BeijingEarthquake Press,200316 - 25. [6] 李铁,蔡美峰,左艳,等. 采矿诱发地震的震源机制特征以辽 宁省抚顺市老虎台煤矿为例[J]. 地质通报,2005,242136- 144. Li Tie,Cai Meifeng,Zuo Yan,et al. Focal mechanism feature of min- ing-inducedearthquakes AnexamplefromFushunLaohutai Coal Mine, Liaoning Province [ J]. Geological Bulletin of China, 2005,242136-144. [7] 张凤鸣,余中元,许晓艳,等. 鹤岗煤矿开采诱发地震研究[J]. 自然灾害学报,2005,141139-143. Zhang Fengming,Yu Zhongyuan,Xu Xiaoyan,et al. Research on in- duced earthquakes by coal mining in Hegang[J]. Journal of Natural 7901 煤 炭 学 报 2016 年第 41 卷 Disasters,2005,141139-143. [8] 李庶林,尹贤刚. 矿山微震震源机制的初步研究[J]. 矿业研究 与开发,2006,26S1141-146. Li Shulin, Yin Xiangang. A preliminary research on microseism source mechanism in mines[J]. Mining Research and Development, 2006,26S1141-146. [9] 赵凌云,张辉,刘小凤. 甘肃平凉地区地震活动特征及其发震机 理研究[J]. 西北地震学报,2009,312186-190. Zhao Lingyun,Zhang Hui,Liu Xiaofeng. Study on seismicity charac- teristics and mechanism in Pingliang area Gansu Province [ J]. Northwestern Seismological Journal,2009,312186-190. [10] 姚宏,郭培兰,龙政强,等. 广西南丹大厂矿区地震活动特征分 析[J]. 地震,2011,313112-120. Yao Hong,Guo Peilan,Long Zhengqiang,et al. Characteristics of seismic activity in the Dachang mining area in Guangxi Region[J]. Earthquake,2011,313112-120. [11] 李峰,魏贵春,申学林. 大冶金山店铁矿区地震监测与成因类型 探析[J]. 大地测量与地球动力学,2011,31S113-18. Li Feng,Wei Guichun,Shen Xuelin. Study on earthquake monito- ring and seismogenesis types in iron-mining area in Jinshandi- an district of Daye county[J]. Journal of Geodesy and Geodynam- ics,2011,31S113-18. [12] 山长仑,李霞,范培乐,等. 淄博矿震震源机制探讨[J]. 地震地 磁观测与研究,2013,34329-34. Shan Changlun,Li Xia,Fan Peile,et al. Study on mine tremors fo- cal mechanism in Zibo coal mine[J]. Seismological and Geomag- netic Observation and Research,2013,34329-34. [13] 李铁,王维,谢俊文,等. 基于采动顶、底板岩层损伤的冲击地压 预测[J]. 岩石力学与工程学报,2012,31122438-2444. Li Tie,Wang Wei,Xie Junwen,et al. Rockbursts prediction based on rock damage of roof and floor induced by mining[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31122438- 2444. 8901