煤矿覆岩空间结构OX-F-T演化规律研究.pdf

第 3 1卷第 3期 2 0 1 2年 3月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g Vl0 1 ． 3 1 N0 ． 3 M a r c h ， 2 0 1 2 煤矿覆岩空间结构 O X． F ． T演化规律研究 窦林名 ，贺虎 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州2 2 1 1 l 6 摘要煤矿工作面高强度、大尺度快速推进，导致采场覆岩运动范围增大，空间结构复杂。多工作面情况下，工 作面与采空区覆岩结构协同运动，相互影响，造成的矿山动力灾害，称之为覆岩空间结构失稳型动力灾害。根据 工作面上覆岩层边界状态的不同，将覆岩空间结构分为OX，F与 T型 3类。研究 O X F ． T演化特征，即顶板 0． x 破断形成的 O X结构为覆岩基本形式，同时又作为相邻工作面的边界条件，一侧为 O X结构形成 F型覆岩结构， 两侧存在 O X则形成 T型覆岩结构。阐述不同结构的断裂运动规律，并将各结构进行详细分类。利用现场 S OS微 震监测系统，分别选取代表 O X，F与 T覆岩结构的单一工作面、双工作面、孤岛工作面，分析各工作面开采过 程中的震源分布规律。针对不同覆岩结构特征，提出不同的防治措施，为冲击震动的预防工作提供理论指导。 关键词采矿工程；覆岩空间结构；冲击灾害；关键层；综采综放；微震 中图分类号T D 3 2 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 1 2 0 3 0 4 5 3 0 8 STUDY oF oX． F T S f ． ATI AL STRUCTURE EVoLUTI oN oF oVERLYI NG STRATA I N CoAL M I NES DOU Li nmi n g， HE Hu S t a t e K e yL a b o r a t o r yo fC o a l R e s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g ，C h i n a U n i v e r s i tyo fMi n i n ga n dT e c h n o l o g y ， Xu z h o u ，J i a n g s u 2 2 I I 1 6 ，C h i n a Abs t r a c t Th e r up t u r e a n d mo ve me nt s c o pe of o v e r l y i n g s t r a t a i nc r e a s e s h a r pl y s i n c e t h e h i g h s t r e ng t h a nd r a p i d e x p l o i t a t i o n o f t h e l o n g wa l l mi n i n g f a c e s ；a n d t h e s p a t i a l s tru c t u r e f o r me d b y f r a c t u r e d s t r a t a b e c o me s mu c h mo r e c o mp l e x ． T h e o v e r l y i n g s t r a t a wo u l d mo v e a n d i n t e r a c t c o o r d i n a t e l y wh e n mo r e wo r k f a c e s e x i s t ；h e n c e l e a d i n g t o mi n i n g d y n a mi c d i s a s t e r s t h a t d e fi n e d a s s p a t i a l s t r u c t u r e i n s t a b i l i t y i n t h i s p a p e r ．Ba s e d o n t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s ， t h r e e b a s i c f o r ms t h a t n a me d OX， F a n d T s t r u c t u r e a r e i d e n t i fie d， r e s p e c t i v e l y ． T h e 0X． F T e v o l u t i o n o f t h e o v e r l y i n g s t r a t a i s p r e s e n t e d t h a t t h e O X f r a c t u r e i s t h e e l e me n t a l s t r u c t u r e o f o v e r l y i n g s t r a t a a n d a l s o t h e b o u n d a ry o f a d j a c e n t wo r k f a c e ，o n e s i d e i S OX c o n s t i t u t e F s t r u c t ure ，a n d b o t h s i d e wi t h 0 X i S T s t r u c t u r e ． T h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d d e t a i l e d c l a s s i fi c a t i o n s for e a c h t y p e a r e e l a b o r a t e d ．T h e mi c r o s e i s mi c s y s t e m i S u s e d f o r o n s i t e mo n i t o r i n g ， s i n g l e ，d o u b l e a n d i s o l a t e d wo r k f a c e s t h a t r e p r e s e n t t h e OX，F a n d T s t r u c t u r e a r e s e l e c t e d r e s p e c t i v e l y t o r e s e arc h t h e d i s t r i b u t i o n rul e s o f s e i s mi c e v e n t s t h e r e s u l t s c o n fi rm e d t h e OX F T s p a t i a l s t ruc t u r e f e a t ur e ． At l a s t ，s p e c i a l i z e d me t h o d s a r e p r o p o s e d t a r g e t e d t o wo r k f a c e s wi t h d i ff e r e n t s p a t i a l s t ruc t u r e s ．T h e r e s e a r c h r e s u l t s p r o v i d e t h e o r e t i c a l g u i d a n c e for d y n a mi c d i s a s t e r p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l i n c o a l mi n e s ． Ke y wo r d s mi n i n g e n g i n e e r i n g；s p a t i a l s t ruc tur e o f o v e r l y i n g s t r a t a ；d y n a mi c d i s a s t e r ；k e y s tr a t a ；f u l l y me c h a n i z e d mi n i n g wi t h s u b l e v e l c a v i n g ；mi c r o s e i s mi c i t y 收藕 日期l 2 0 1 1 1 01 0 ；惨回 日期I 2 0 1 20 1 一O 8 基金项目t 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 5 ． 国家 自然科学基金资助项 5 1 1 7 4 2 8 5 ； 江苏高校优势学科建设工程资助项 H P A P D 作者简介t窦林 1 9 6 3一 ，博士，1 9 8 3年毕业于西安矿业学院采矿系采矿工程专业 ，现任教授、博士生导师，从事矿山压力、冲击矿压、采矿地球 物理等方面的教学与研究工作。E - ma i l l md o u 1 2 6 ． c o rn 岩 石力学与工程学报 1 引 言 近年来，以综采放顶煤、大采高开采，无煤柱 护巷技术为代表的一系列先进采煤科技在我国得到 了广泛应用与长足发展【 l J ，从而使长壁工作面开采 尺度与推进速度急剧上升 。随着无煤柱 小煤柱1 成 功应用到综放工作面，纵向与横 向层面上覆岩运动 范围远大于综采工作面 ，由此引发的采动应力场、 覆岩空间结构演化规律更加复杂【 4 曲 J 。 大规模、高强 度 的开采扰动不仅导致垮落带覆岩剧烈运动 ，并且 周围采空区中已经存在的空间平衡结构也将进一步 失稳，而未断裂的岩层会与工作面协同破断运动 ， 从而诱发冲击矿压等煤岩动力灾害，对于此类冲击 矿压，本文称之为空间结构失稳型。 煤岩 震动冲击灾害在我 国呈爆发式增长态势， 目前 已超过 1 2 0余处矿井有发生矿震与冲击报道， 累计破坏巷道 3 O多千米，造成大量人员伤亡与财产 损失I 。在山东兖州矿区、新汶矿区、淮北海仔煤 矿、河南义马矿区等均存在 巨厚主关键层 ，随着开 采尺度的增大 ，主关键层断裂失稳诱发矿震不仅 影响井下采掘工作面 安全 ，更对地面社区造成影 响 ，由于震源距地表距离近 ，烈度堪比 5级以上 地震L 8 l ，已经逐步演化为矿 区社会公共安全问题 ， 这些问题的解决需建立在对覆岩空间结构形成与失 稳 以及煤岩动力破坏机制的研究上。钱呜高等 U J 建立的 “ 砌体梁 ”与 “ 关键层”理论，为研究煤矿 采动覆岩结构的形成与失稳提供 了理论依据 。但是 以往的研究范围多局限于单一工作面距离采场较近 的老顶岩层 以及 煤层前方几十米 内支承压力 区域 内，而与冲击矿压等动力灾害相关的岩层范围已经 到达主关键层，在层面方向上也远远超过本工作面 采动范围l l 。 姜福兴等I 】 2 J 提出了覆岩空间结构的概 念，并根据采场 的边界条件，分为 0 ，0，S和 C型 4类结构，拓展了传统矿压研究范围的限制，具有 重要的指导意义，但是并没有给出结构形成与失稳 条件 ， 和煤岩动力灾害关系联系不紧密 。本文基于 关键层理论， 并根据现场微震监测 ，提 出覆岩空间 结构的 O X ． F ． T演化模型，以期为空间结构失稳型 冲击矿压机制研究与预防提供理论基础 。 2 覆岩空间结构形成条件 对于多工作面回采， 成相互作用的空间结构， 两相邻采空区覆岩能否形 主要取决于两者之间的煤 柱宽度。大煤柱能够有效地隔离采空区覆岩裂隙的 联系，一般情况下，工作面之间 2 0 m 以上 的煤柱 即可将两工作面间覆岩运动隔离开来。因此 ，当工 作面煤柱小于一定值时，工作面之间覆岩将会形成 协同运动，形成相互作用的空间结构 。 2 ． 1 顶板断裂线因素 由矿压理论可知，老项岩层的断裂发生在煤壁 中，如果煤柱宽度过小，两相邻采空区顶板覆岩断 裂线将会重合在一起 ，覆岩直接联系。利用弹性基 础梁模型，可以解出老顶断裂线距离煤壁的位置[ 1 o 】 其中， t a n- 1l l L 1 a 一 一 [ 2 4EI]1／2 f _ 匦一 ] I A lr m lr2 4 E 1 I S Nf E l 、 ， 丽 1 b 式中k为 Wi n k l e r地基系数，与上下夹支的软岩 层的厚度及力学性质有关； 为老顶岩梁的抗弯刚 度； ， ，Ⅳ分别为工作面煤壁位置 X 0 所 对应 的截面弯矩 、剪力和轴力 。 老顶断裂线位置主要受下层垫层 ，即直接顶煤 壁的性质 以及 自身力学性质影响，根据现场测试一 般为 2 ～1 O m，因此考虑老顶断裂线因素，煤柱最 小宽度判据为L 。m2 L d 2 ． 2 煤柱破坏因素 当煤柱的宽度可以阻止覆岩断裂线重合时，由 于采空区侧 向支承压力的作用，煤柱上方将会形成 应力集 中，在高支承压力作用下，煤柱会发生变形 破坏，甚至发生煤柱型冲击矿压 。煤柱破坏后，将 失去支撑作用，引起上方覆岩结构的连锁运动，断 裂后的平衡结构可能失稳运动，没有发生断裂的覆 岩由于下方离层区域的扩大，将会经历初步断裂与 周期断裂 ，从而引发新的矿压显现。 目前常用的煤 柱稳定性设计 方法有极限平 衡理论 以及经验 公式 法L 1 引 。 在高应力区域， 不但要考虑煤柱的塑性破坏， 还要满足核区率稳定要求 。因此，可得 第 3 1 卷第 3期 窦林名等煤矿覆岩空间结构 O X． F ． T演化规律研究 L ≥2 P 2 式中 为煤柱屈服 区宽度，P为煤柱弹性区宽度。 根据极限平衡理论可得近水平煤层屈服 区宽度 为 R 2t a n n Co ＼ t a n o o A 式中m为煤柱高度；A为侧压系数； ，c 。 分别 为煤体与顶底板岩层交界面的内摩擦角与黏聚力； 为应力集 中系数； 为岩层的平均容重；H 为煤 柱埋深 ； 为支架对巷帮的支护阻力 。根据稳定性 理论，核区率宽度应满足 了 W -2 R { 0 ． 6 5 软 煤 ， 0 ． 8 5 煤 ， 0 ．9 硬 煤 4 式中 为煤柱宽度 。因此，综合顶板断裂线与煤 柱稳定所需宽度条件 ，形成覆岩空间结构的煤柱宽 度为 i m a x { 2 L d ， 2 R P 5 3 覆岩空间结构分类 3 ． 1 单一工作面 ox结构 单一工作面 O X 结构四周边界为实体煤或足 以 隔断采 空区联系的大煤柱。单一工作面开采后覆岩 OX 结构的本质是钱鸣高等 J 提出的顶板 O X破断 后形成 的覆岩结构形态，平面上呈现 OX状，走 向 与倾 向剖面断裂后岩体呈 “ 砌体梁 ”结 构平衡状 态 。如 图 1所示，O X 结构形态与范围由本工作面 长度、煤层厚度、关键层层位与物理力学性质决定。 根据关键层 的破断与否，O X 型空间结构可分为 2 种结构 1 主关键层破断后 ， 全空间 O X结构 ； 2 主 亚 关键层 尚未破断时，半空间 OX结构。OX型 空间结构因为四周为实体煤，开采过程 中矿压显现 主要受覆岩各关键层 “ 砌体梁 ”结构形成与失稳过 程造成的应力场变化与冲击动载的影响。存在多层 亚关键层时，在满足一定条件下会 出现关键层的复 合破断L 8 】 ，工作面的矿压显现更为强烈。 覆岩 O ． X破断形成 的OX型结构是覆岩空间结 构演化的基本形式，同时也是其他空间结构形式的 边界条件与演化过程的重要组成部分。 a 单一工作面覆岩 O- X破断形成 O X结构平面图 体梁结 ． ． r l 一 一 r 丁 j ] ≥ ≥ 囊 纛纛豢 纛 嚣 ≥ 裹 囊 茹 ； 焉 囊 姜 磊 b O X结构沿走 向剖面的 “ 砌体梁 ”结构 图 1 O X覆岩空间结构示意图 F i g ． 1 S k e t c h e s o f t h e OX o v e r l y i n g s t r a t a s p a t i a l 3 ．2 相邻工作面 F结构 一 侧相邻采空区，并且两工作面煤柱宽度小于 隔离采空区所需最小宽度 ，而另一侧为实体煤或者 大煤柱的工作面，如图 2所示，由于其覆岩边界条 件一侧为实体 ，一侧为相邻工作面 O X型结构的弧 三角板 ，似字母 F ，因此，命名为 F型覆岩空间结 构 。F结构的主要特点是小煤柱侧采空区覆岩会对 工作面开采造成显著影响，即下一工作面覆岩会与 采空区覆岩结构的一部分协同运动，而本工作面上 部覆岩随开采的进行也将经历 O X结构演化特征， 即F结构包括 了F臂在采动影响下的结构失稳运动 以及 O X结构演化 。同样，根据关键层的性质与破 断特征，F结构可 以分为两大类长臂与短臂 F结 构，当存在多层亚关键层时，每类下又分别可细分 为单层与 多层 F结构。处 于 F覆岩结构 下的工作 面，开采时矿压显现、覆岩运动与应力场演化比 O X 结构复杂 ，体现在采空区震动频繁，造成采空区一 侧沿空巷剧烈变形破坏。 3 ． 3 孤 岛工作面 T结构 孤 岛工作面是指相邻两侧 以及 以上为采空区， 并且煤柱宽度小于隔离采空区所需最小宽度。孤岛 工作面应力集中程度高、覆岩运动剧烈，矿压显现 强于非孤岛工作面，极易出现冲击矿压动力灾害 训 。 由于孤岛工作面四周覆岩均已发生断裂，工作面开 采后四周覆岩与工作面顶板岩层将协 同运动、相互 岩石力学与工程学报 2 0 1 2在 工作面 巷道小煤柱 a 长臂 F覆岩结构剖面示意图 ．， 下 、 ／ ’ K 、＼ 厂 | ， 外＼／ 、 ， ＼ ＼／ 、 ／ ～ ／ ＼ 、 ‘ 一 一 、 b 长臂F覆岩结构平面示意图 c 短臂 F覆岩结构剖面示意图 2 3 5 4 2 4 5 1 、 一 7 l 、 、 ／ ， ＼ ～、 ／ 、 ／ r ＼ ／ ＼ 厂 、 、 、 厂 、 ／ ／ j 厂 r ＼ ＼ j 厂 、 ， r＼ ＼、 ／ ／ 厂 ／ 、 L／＼ ． ／ 、／ 一 ＼ d 短臂F覆岩结构平面示意图 1 一上区段采空区；2 一下区段工作面平巷；3 ～低位亚关键层断裂线 4 一高位亚关键层断裂线；5 一主关键层断裂线 图2 F覆岩空间结构示意图与分类 F i g ． 2 S k e t c h e s a n d c l a s s i fic a t i o n o f t h e F o v e r l y i n g s t r a t a s p a t i a l s t r u c t u r e 影响， 导致孤岛工作面支承压力场峰值高、 扰动远、 变化快。孤岛工作面两侧覆岩边界条件均呈 F型结 构 ，整体似字母 T ，称之为 T型覆岩空间结构 。T 结构可以分为三大类 两侧关键层均为断裂的对称 短臂 T结构；两侧主关键层断裂的对称长臂 T结构{ 一 侧关键层未断裂 ，一侧主关键层断裂的非对称 T 结构。当存在多层亚关键层时，每类又分别可细分 为单层与多层 T结构，如图3 所示。不同的结构对 应着不同的矿压显现规律。 对称短臂T结构整个工 作面范围矿压显现与短臂 F结构采空侧的矿压显现 类似 。对称长臂 T结构 由于两侧关键层 尚未断裂， 工作面两侧支承压力要高于对称短臂 T结构，两巷 维护难度加大，煤体震动增多，并且当工作面推进 一 段距离后，由于关键层跨度的增大，会出现关键 层断裂来压现象，从而引起高能量级别矿震 。虽然 破裂源主要集中在两侧采空区与本工作面中部，但 是高能量震动波传播至工作面后，仍极有可能造成 工作面冲击矿压事故。对于第三类非对称 T结构， 开采前其支承压力场分布短臂一侧与对称短臂T结 构类似 ，而长臂一侧则与对称长臂 T结构类似 ，工 作面推进初期，矿压显现规律也与前两类结构类似。 但是，尚未断裂 的关键层开始断裂运动时，则矿压 显现要比前两类剧烈很多，主要原因在于此时关 键层的一侧断裂线位于工作面巷道上方，中间的断 裂线也靠近另一条巷道上方，因此，关键层断裂诱 发的高能级震动对巷道的破坏作用要高得多。 4 覆岩空间结构的现场微震验证 4 ． 1 OX结构微震监测 兖州煤业赵楼煤矿 目前正在回采的 1 3 0 4工作 面为一采区第二个工作面，四周均为实体煤，埋深平 均为 1 0 0 0 m， 倾角平均 4 。 ，煤层厚度为 1 ． 5 ～8 ． 1 m， 【 a 1对称短臂 T覆岩结构剖面示意图 第 3 1 卷第 3期 窦林名等煤矿覆岩空间结构 O X F ． T演化规律研究 4 5 7 5 4 2 3 5 4 2 4 5 b 对称短臂 T覆岩结构平面示意图 4 C 对称长臂 T覆岩结构剖面示意图 4 5 d 对称长臂 T覆岩结构平面示意图 ～～ 、． - 一 _ - ．一一_ r 一 ⋯一一 一 f _一 -■ 。 霾 霾 豳 砭 寰； 每 赢 ； 三 苦 王 每 { 、 1 、』 ⋯ 一 l ＼ - ‘ ～ -，＼ ～ 一0≠ 一 ￡ e 非对称 T覆岩结构剖面示意图 f D 非对称 T覆岩结构平面示意图 1 一上区段采空区；2 一下区段工作面平巷；3 一低位亚关键层断裂线； 4 ～ 高位亚关键层断裂线5 一主关键层断裂线 图 3 T覆岩空间结构示意图与分类 F i g ． 3 S k e t c h e s a n d c l a s s i fic a t i o n o f t h e T o v e r l y i n g s 廿a t a s p a t i a l s t r u c t u r e 岩石力学与工程学报 平均 4 ． 8 1 m。选取正常运行阶段 ，即工作面推进至 2 8 0 m 以后的震动数据， 微震定位分布如图 4所示。 单一工作面 O X覆岩空间结构，震动主要集中在工 作面两巷以内，工作面前方支承压力范围内。运输 顺槽外侧震动集 中在距离巷道 1 0 m 以内，而回风 顺槽外侧则主要集中在距巷道 2 0 m 以内。由图 4 f b 可以看出，震源包络线角度较小，运输顺槽侧为 3 0 。 ，回风顺槽为 4 0 。 。顶板上方 2 0 m 以内震源分 布密集 ，2 0 m 以上震源呈 “ 马鞍状”分布，5 0 m 以上逐渐呈拱形分布，最大破裂高度为 1 5 0 m，说明 1 3 0 4工作面属于半空间O X结构，上覆仍有未断裂关 键层。 2 0 0 1 0 0 0 一 1 0 O 2 0 0 a 1 3 0 4工作面推进至 2 8 0 n l 后的震动平面分布 构 纛 ∞ ’ ‘ 底板岩层 b 1 3 0 4工作面震源沿走向剖面分布 图4 1 3 0 4工作面微震定位分布 Fi g ．4 Di s t r i b u t i o n o f t h e mi c r o s e i s mi c l o c a t i o n i n L W 1 3 0 4 4 ． 2 F结构微震监测 甘肃华亭煤矿 目前正在开采 2 5 0 1 0 3工作面，是 2 5 0 1 采区的第三个工作面，面长 2 0 0 m，倾角 5 。 左 右， 西侧与已采的 2 5 0 1 0 1 综放工作面相邻， 之间留 有 5 m小煤柱，东部为实体煤。开采深度 7 0 0 m左 右。 2 5 0 1 0 2 工作面 与2 5 1 0 1 工作面相邻，留有 2 0 m 煤柱 回采期间矿震频繁 ， 震源定位显示，震动主要 集中在 2 5 0 1 0 2工作面与 2 0 m煤柱 中，2 5 0 1 0 1 采空 区中矿震则很少 ，说明 2 0 r f l煤柱有效的隔开 了 2 5 0 1 0 1与 2 5 0 1 0 2工作面采空区之间的联系。但是 2 5 0 1 0 3工作面开采后 ， 2 5 0 1 0 1 采空区中震动相当频 繁，并且诱发了多起冲击事故，给巷道维护与正常 生产带来 了巨大困难 。如图 5 a 1 所示为 2 5 0 1 0 3工 作面采空区侧项板岩层中震源分布平面图。震动分 布位置均靠近小煤柱侧，2 5 0 1 0 3工作面回风顺槽侧 断裂线距煤壁平均为 2 0 i n ，而 2 5 0 1 0 1 采空区中断 裂线距煤壁则约为 3 0 r n 。 采空区中震动则为受开采 扰动后，垮落不充分岩层的再次失稳所致 。初采期 间，采空区中高能量震动很少，表明采空区中岩层 结构的失稳过程滞后于开采工作面岩层断裂垮落。 随着工作面的推进， 2 5 0 1 0 1 采空区中震动频次与能 量显著上升， 在距离2 5 0 1 0 3 工作面切眼 1 2 0 ～1 5 0 m 范围内， 震动密集， 并向采空区中部延伸， 根据 2 5 0 1 采区矿压观测结果 ，工作面推进至 1 5 0 m 时，进入 初次来压阶段 ，矿压显现剧烈，与图 5中的震动密 集区域相吻合 ，表 明受采动影响下，原本断裂形成 的平衡结构在此处失稳，诱发震动。由图 5可以看 出，2 5 0 1 0 3工作面开采后，由于覆岩与 2 5 0 1 0 1采 空区相互 贯通影 响，最大破裂 高度到 了工作面上 方 3 5 0 m，裂隙带高度大大增加，并且在 0 ～1 0 0与 2 0 0 3 0 0 m 两带内集中， 说明在此范围内存在 2 个 { -叵 蘸 娶 ● ．． 。’ _ 实体煤 ． ． 蕃 5 0 0 4 0 0 2 O O 1 0 0 3 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 推进距离／ m a 2 5 0 1 0 3工作面震源分布平面图 顶板 岩层 三 亘 ● 包络 工 ● ● 簪● ● 2 5 0 1 0 1 采空区 ／ 尊 l 磷 } ● 、一 F 结构 ● ● ◆． ．- 3 1 1 ● ， 底板岩层 I ～ ● 参 b 2 5 0 1 0 3工作面震源沿倾 向剖面分布图 图5 2 5 0 1 0 3工作面微震定位分布 F i g ． 5 Di s t r i b u t i o n o f t h e mi c r o s e i s mi c l o c a t i o n i n L W2 5 01 0 3 一 m 一 一 O ∞ ∞ 第 3 1 卷第 3 期 窦林名等煤矿覆岩空间结构 O X F ． T演化规律研究 4 5 9 关键结构。整个断裂震源包络线向2 5 0 1 0 1 采空区倾 斜，采空区中震动包络线角度明显大于实体煤一侧 。 由图 5 b 可以看 出，华亭 2 5 0 1 0 3工作面属于短臂 F 空间结构，结构的臂长约为 1 0 0 m。 4 ． 3 T结构微震监测 鲍店煤矿 1 0 3上 0 2工作面是十采区 3 j 层煤第二 个区段，南北侧分别与 1 0 3 上 0 3 ，1 0 3 0 1 工作面相邻。 最大采深约 5 0 0 m，采区上覆岩层存在若干较厚的 坚硬岩层，最上层为 2 0 0 m厚左右的细粉砂岩 ，为 十采区主关键层 ，十采区内大震动 的发生与此关键 层的断裂运动密切相关。1 0 3 J 0 2工作面回采前， 1 0 3上 0 1 ，1 0 3上 0 3 ，1 0 3上 0 4 ，1 0 3上 0 5工作面 已经 回采完毕。分析可知 ，1 0 3上 0 2左面南侧的 3个采 空区由于开挖面积大 ，上覆关键层 已经处于断裂状 态 ，而北部只有 1 0 3 0 1一个工作面 ，主关键层依然 保持稳定的平衡状态 。因此，1 0 3上0 2工作面处于 非对称T 空间结构，工作面北侧主要受F 结构重复采 动失稳影响，南侧则受主关键层断裂运动影响明显。 图6为 1 0 3 上 0 2工作面开采期间大震动分布 图， 由图 可知 ，强矿震几乎都发生在 1 0 3 0 1和 1 0 3 j 0 2工作 面上覆的厚层高位 “ 主关键层 ”中，而在相邻大范 围回采的 1 0 3上 0 3 ，1 0 3上 0 4和 1 0 3 j 0 5工作面没有 强矿 震发生，并且 当 1 0 3 j 0 2工作面推进距达到 1 0 0 ～1 5 0 m时，大震动发生密度增加 ，这与主关键 21 8 0 0 21 6 0 0 奁2 1 4 0 0 积 旧21 2 0 0 恹 蛋2 1 0 0 0 2 0 8 0 0 2 06 0 0 、 ＼ ◆ 鑫 0 3 t 0 3 工 作 亘 _ _ ■ 中 _ - _ - _ - _ _ 。 ， _ _ - _ 一 l 0 3 0 4 工 作 面 ／“ ／ ，／ ，， 1 0 3 ， O ， 5工 4 8 64 0 0 4 8 6 8 0 0 4 8 7 2 0 0 4 8 7 6 0 0 推进距离／ m a 1 0 3 r O 2工作面大震动分布平面图 b 1 0 3 f 0 2工作面大震动沿倾向剖面分布图 图 6 1 0 3 0 2工作面大震动分布图 Fi g ． 6 Di s t r i b u t i o n o f t h e s o n g mi c r o s e i s mi c s o u r c e s i n L W 1 0 3 u p p e r 0 2 层的来压步距是相符的。 5 覆岩 OX ． F ． T空间失稳动力灾害防 治对策 由以上分析可知，工作面覆岩处于不同空间结 构状态时，覆岩的断裂运动方式与强度是不同的， 而 由此诱发的矿压显现也是不同的。覆岩的断裂与 失稳复杂程度是按照 0 XF T逐渐增加的，决定 了矿压显现烈度与防治难度也是如此递增的。因此 ， 必须根据不同覆岩结构 ，选取具有针对性的监测与 治理方法，才能做到有的放矢 ，提高防治效率。 5 ． 1 OX覆岩结构型冲击治理对策 由分析可知，OX 覆岩结构受本工作面顶板断 裂 的影响，工作面矿压显现主要集中在超前支承压 力范围内，主要影响因素为老顶来压与煤体性质 。因 此 ，OX 覆岩结构工作面的防冲方法主要针对煤体 与顶板进行弱化处理 ，包括煤体注水、钻孔卸压、 深孔爆破与顶板强制放顶与深孔爆破技术，处理范 围为工作面两巷前方支承压力影响区。 5 ． 2 F覆岩结构型冲击治理对策 F覆岩结构工作面受相邻采空区影响较大 ，表 现为采动开始后，F 臂结构重新失稳 ，诱发震动 ， 对沿空侧巷道造成破坏。由于沿空巷道煤柱已经处 于塑性或破碎状态 ，对煤体进行卸压，不能有效地 控制巷道破坏 。必须针对 F臂的特点进行防治，提 出 3种方法 1 主动切断 F臂，可以采取定向水 力致裂与顶板断顶爆破技术； 2 加强抗冲能力的 被动法 ， 主要采取加强巷道支护 ， 锚网索 0型棚联 合支护，超前支承压力区采用液压支架与密封 门式 支架 ； 3 避让法，对于厚煤层 ，可将沿空巷道布 置 “ 空下巷道” ，即两工作面相邻巷道采取错层位布 置方式 ， 将下一工作面临空巷道布置在采空区下方， 这样就有效避免 F结构失稳震动的影响，同时采空 区下巷道的维护状态大大改善。上述 3种方法中， 在有条件的情况下，当优先选用避让法。巷道布置 已经形成，则优先选用切断 F臂方法 ，如果震动冲 击灾害严重，则需要多种解危方法合理组合。F结 构工作面实体煤一侧，若也存在冲击危险，则按照 O X结构工作面治理方法即可。 5 ．3 T覆岩结构型冲击治理对策 对于第一类短臂对称 T结构，工作面两侧均可 按照 F覆岩结构临空侧治理方法。对于后 2种长臂 T结构，尤其是巨厚主关键层 的参与，协同运动与 覆岩范围急剧增加，严重影响工作面与地表建筑的 4 6 0 岩石力学与工程学报 2 0 1 2笠 安全 。此时可以采取充填法控制大范围覆岩运动， 包括关键层离层注浆与采空区直接充填 2 种方式。 6 结论 1 根据现场观测与理论分析，提出了覆岩空 间失稳型震动冲击。并根据工作面周围边界的不同， 将工作面开采过程中覆岩所形成的空间结构分为 3 种基本类型，即单一工作面 OX结构、两工作面 F 结构、孤 岛工作面 T结构。 2 考虑 了老顶 断裂线与煤 柱塑性破 坏 的影 响，分析了工作面覆岩空间结构的形成与继续演化 的条件，给出了最小煤柱宽度判据 。 3 系统分析了 O X，F ，T三种结构的特征， 覆岩断裂运动形态 ，并根据关键层是否断裂 ，进一 步将 3种结构进行 了系统分类 。 4 利用现场微震监测系统 ，选取具有代表性 的单一工作面、双工作面、孤 岛工作面 ，分析了各 工作面开采过程中的震动分布规律，证实了 O X． F ． T 空间结构特征。 5 在 O X ． F ． T结构特征的基础上 分析了不同 结构下 ，冲击震动危险所在区域 ，针对 3 种 结构 ， 分别提 出了相应的防治方法。 参考文献 R e f e r e n c e s - [ 1 】 王家臣，富 强．低位综放开采顶煤放出的散体介质流理论与 应用【 J ] ． 煤炭学报 ，2 0 0 2 ，2 7 4 3 3 7 3 4 1 ． WA NO J i a c h e n ，F U Q i a n g ． T h e l o o s e m e d i u m fl o w fi e l d t h e o r y a n d i t s a p p l i c a t i o n t o the l o n g w a l l t o p - c o a l c a v i n g [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ，2 0 0 2 ， 2 7 4 3 3 7 3 4 1 ． i n C h i n e s e 【 2 】 闰少宏，尹希文．大采高综放开采几个理论问题的研究叨．煤炭学 报， 2 0 0 8 ， 3 3 5 4 8 1 4 8 4 ． Y A N S h a o h o n g ， Y I N X i we n ． Di s c u s s i n g a b o u t the ma i n the o r e t i c a l p r o b l e ms o f l o n g wa l l wi th t o p c o a l 。 c a v i n g [ J]． J o u r n a l o f