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摘要：研究關鍵層破斷過程對預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工作面關鍵層變形失穩的研究，結果表明當主關鍵層懸露面積達到極限時，主關鍵層將發生破斷，釋放大量彈性變形能。主關鍵層厚度較大，離地表較近，因此容易在地表處形成強烈動載，引起采空區礦震。煤礦開采過程中，隨著工作面推進，采空區懸頂的面積不斷增大，懸頂面積不斷增大的過程中，直接頂、老頂逐漸垮落，采動影響到主關鍵層，主關鍵層下方的巖層與主關鍵層也將逐漸發生離層，最終主關鍵層也將破壞。主關鍵層破壞會導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日發生的礦震為背景，根據地質條件判斷主關鍵層，研究礦震中關鍵層移動變形規律及主關鍵層的斷裂方式，建立力學模型得出主關鍵層的極限懸露面積。
1.礦井概況
221采區西北部以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．關鍵層判別
首先對采空區頂板巖層的進行關鍵層判別。根據K55全鉆孔綜合柱狀圖，將221上08工作面頂板巖層結構劃分如下，并根據《石拉烏素煤礦一采區、二采區2-2煤煤層及頂底板沖擊傾向性鑒定報告》中頂板巖層的物理力學參數，進行頂板巖層關鍵層判別。根據關鍵層理論，計算煤層頂板上方的第n層巖層對第一層關鍵巖層影響，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。假設某一巖層為第一層關鍵層時，則下一層巖層成為第二關鍵層必然滿足：同時，按照式（2），還需滿足關鍵層強度條件，即：關鍵層判別結果如表1所示。
（1）亞關鍵層1為2-2煤的直接頂，其破斷后作為垮落帶填充采空區，根據垮落帶發育高度的經驗公式可知，垮落帶發育高度小于亞關鍵層1巖層厚度。因此，亞關鍵層1控制了垮落帶巖層的移動變形，也是構成垮落帶的唯一巖層。
（2）亞關鍵層2是裂隙帶范圍內的唯一關鍵層，控制了裂隙帶巖層的移動變形。
（3）亞關鍵層3及以上巖層位于彎曲下沉帶。其中亞關鍵層3、亞關鍵層4為單層關鍵層。
（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合效應，構成組合主關鍵層，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生離層，形成懸板結構。由于主關鍵層厚而堅硬，且與地面距離較近，因此其破斷失穩極易影響至地表，與地面產生共振，形成高能量礦震事件。因此，彎曲下沉帶內的組合主關鍵層是本礦井的礦震關鍵層。
3．礦震關鍵層移動變形規律分析
由關鍵層判別結果可知，本礦井的礦震關鍵層位于彎曲下沉帶，距離2-2煤頂板約340m，常規微震、應力、地音等監測手段已難以對其移動變形規律進行有效監測。為監測彎曲下沉帶內巖層的移動變形及離層規律，在221上08工作面布置了3個地面直通式離層水導流鉆孔，并對工作面推過鉆孔后進行了孔內電視成像。根據1#導流孔與3#導流孔的孔內電視成像結果，可以分析得出彎曲下沉帶內巖層的移動變形情況。1#導流孔分別在工作面過鉆孔94m、135m、203m、280m和364m進行了孔內裂隙探測；3導流孔分別在工作面過鉆孔124m、144m、203m、260m和294m進行了孔內裂隙探測。分別繪制兩組導流孔內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）從鉆孔內裂隙發育的初始位置來看，1#導流孔在距地面約338m處監測到橫向裂隙，表明覆巖出現離層，該段位于主關鍵層以下30m，亞關鍵層4以上16m，這表明221上08工作面實體段回采后，彎曲下沉帶出現破裂離層位置已達到亞關鍵層4以上位置，但尚未影響到主關鍵層。
（2）3#導流孔在距地面約325m處監測到橫向裂隙，表明覆巖出現離層，該段位于主關鍵層以下16m，亞關鍵層4以上30m，相比1#導流孔，覆巖離層層位有向地面發展趨勢。根據1#導流孔與3#導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展，但仍未影響到主關鍵層。
（3）從鉆孔內裂隙發育的終止位置來看，1#導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，孔內變形嚴重，最終僅可探測到距地面384m處，距煤層頂板上方約270m。3#導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，從裂隙發育情況來看，彎曲下沉帶巖層亦可人工分為3個區域。①無裂隙發育區：位于地表以下，主關鍵層以上，其移動變形規律受主關鍵層控制；②微裂隙發育區：位于主關鍵層以上，亞關鍵層4以上，其移動變形規律受亞關鍵層4控制；③強裂隙發育區：鉆孔變形嚴重不可探，位于亞關鍵層4以下，亞關鍵層3以上，其移動變形規律主要受亞關鍵層3控制。
4．覆巖空間結構演化及礦震孕育過程
根據石拉烏素煤礦工作面采掘情況，根據上文的分析結果，模擬221上08工作面回采期間由實體煤段過渡到一側臨空段時，上覆巖層的破斷過程如圖4所示。根據各級巖層的移動變形規律可知：當221上08工作面由實體煤段過渡到一側臨空段時，兩采空區彎曲下沉帶底部之間的離層裂隙相貫通，因此達到主關鍵層的極限垮落步距，主關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。由于主關鍵層自身厚度較大、強度較高且距地面較近，當主關鍵層發生大面積懸露并組合破斷時，會在近地表處形成強烈動載，引發采空區礦震顯現。221上08采空區與221上06A采空區貫通后，主關鍵層將形成大懸板結構。根據彈性薄板的“O-X”型破斷理論，主關鍵層以下的巖層無論是否一側臨空回采，都將發生多次周期性的“O-X”破斷，當主關鍵層經過一側臨空段時將首次發生破斷。隨著工作面向前推進，主關鍵層還將發生周期性破斷失穩。
5．高位主關鍵層破斷力學機制探討
為進一步研究主關鍵層破斷的力學條件，首先建立一側采空條件下，沿工作面傾向主關鍵層的破斷模型，如圖3所示。設主關鍵層厚度為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，采空區寬度為L，主關鍵層極限垮落步距為l，巖層移動角為β，一般取70°~85°。極限垮落距在關鍵層計算時已求出，為418.4m，則達到主關鍵層極限垮落步距時的臨界采空區寬度L可由下式（4）求出：
6．結語
（1）221上08工作面上覆巖層中存在5層厚硬關鍵層，其中260m組合砂巖層為主關鍵層，也是本礦井的礦震關鍵層。
（2）根據離層水導流鉆孔內裂隙發育情況的觀測結果，彎曲下沉帶巖層可人工分為3個區域：無裂隙發育區、微裂隙發育區和強裂隙發育區。221上08工作面實體段回采后，不足以使主關鍵層發展為強裂隙發育區，在主關鍵層以下，由于層間變形的不協調，出現了一定程度的覆巖離層。
（3）“12.20”礦震發生機理為：221上08工作面由實體煤段過渡到一側臨空段后，兩采空區彎曲下沉帶底部之間的離層裂隙相貫通，達到主關鍵層的極限垮落步距，主關鍵層在自身重力作用下逐步產生“O-X”破斷，釋放大量彎曲彈性能，由于主關鍵層自身厚度較大、強度較高且距地面較近，因此在近地表處形成強烈動載，引發采空區礦震顯現。
（4）當采空區傾向長度達到480m，沿工作面推進方向長度達到311m時，主關鍵層可達到“O-X”破斷的條件。由礦井實際采掘情況可知，221上08采空區與221上06A采空區貫通后，其傾向采空區寬度可達600m，當前工作面回采距離超前221上06A切眼408m，已達到了主關鍵層破斷的臨界條件，主關鍵層將發生“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采空區與221上06A采空區貫通后，其綜合采空區寬度可達600m，已達到了主關鍵層破斷的臨界采空區寬度，故主關鍵層將產生“O-X”型破斷結構。
作者：顧穎詩 馬夢想 單位：內蒙古昊盛煤業有限公司 安徽理工大學
