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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“卓越科学家”专题丨窦林名教授:煤矿覆岩矿震关键层及其破断释能机制

2025-03-14
创新点

(1)煤矿矿震是指煤炭开采引发的具有震感或地方性震级大于1.3级的震动事件。基于矿震发震主体和能量来源,将煤矿矿震细分为覆岩型、断层型、煤柱型、底板型、褶曲型和复合型。把顶板中一层或数层对覆岩型矿震的发生和分布具有控制作用的关键岩层(组)称为覆岩矿震关键层。总结了覆岩矿震关键层的特征及其与关键层之间的联系和区别。

(2)综合考虑厚硬岩层破断条件和能量条件,提出了覆岩矿震关键层判别方法。案例计算结果表明,覆岩矿震关键层判别方法具有良好的适用性,可为覆岩型矿震防治提供理论指导。

(3)分析了覆岩矿震关键层破断过程中的裂隙发育和能量演化。除采空区两侧的裂隙带外,覆岩矿震关键层内部出现水平剪切裂隙,存在节理应变能和剪切耗散能积聚,具有分层破坏特征。揭示了覆岩矿震关键层破断释能机制:当煤岩体所承受的实际最大应力超过岩层或结构接触面强度极限时,覆岩矿震关键层出现破断或结构失稳,形成覆岩型矿震,该过程中部分弹性应变能和重力势能转化为矿震能量及各类耗散能等。


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煤矿覆岩矿震关键层及其破断释能机制

作者:窦林名1,2, 曹晋荣1,2, 曹安业1,2, 蔡武3, 巩思园1,2, 鞠明和4, 周坤友5, 阚吉亮5
单位:1. 中国矿业大学 矿业工程学院;2. 中国矿业大学 江苏省矿山地震监测工程实验室;3. 中国矿业大学 煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室;4. 中国矿业大学 深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室;5. 安徽理工大学 矿业工程学院
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

进入中深部开采后,矿震已成为制约部分煤矿企业高质量发展的主要因素之一。2018−04−08,内蒙古门克庆煤矿发生2.5级矿震,诱发工作面临空巷道冲击地压;2019−08−02,河北省唐山矿发生2.0级矿震,唐山市路南区及周边地区有震感,更为严重的是矿震导致巷道破坏长度超过160 m,最终造成7人死亡,5人受伤;2021年,内蒙古石拉乌素矿5个月内接连发生3起2.0级以上矿震,严重影响了矿井高效生产。除此之外,我国辽宁、山西、陕西、甘肃和新疆等产煤区也均有矿震的相关报道。矿震在我国煤矿开采中呈“频发、多发”态势,引起政府和社会公众关注的同时,还可能诱发井下或地面破坏。因此,亟需开展与矿震相关的系列研究。

当前开采背景下,覆岩型矿震在我国煤矿开采过程中最为常见,多数矿震与厚硬覆岩破断运动密切相关。姜福兴基于微震监测提出覆岩空间结构可以分为中间有支撑的“θ”型、中间无支撑的“O”型、“S”型、和“C”型4类,指出覆岩结构运动对矿震的发生具有重要作用。高明仕等认为厚硬覆岩破断诱发矿震,矿震能量主要由厚硬岩层弯曲变形能和回转时产生的动能构成。朱斯陶等提出厚硬关键层发生破断、回转或滑移失稳时发生矿震。贺虎等研究表明,上覆厚硬砂岩关键层正“O–X”破断期间易出现大能量矿震。基于关键层理论,张广超等分析了多工作面连续开采期间关键层复合破断特征,揭示了关键层复合破断与矿震之间的联系,研究了厚硬岩层破断过程中的能量积聚与释放规律。崔峰等研究发现急倾斜巨厚煤层开采易导致岩柱及煤体内形成弹性能集中区,叠加动载作用后发生大尺度破裂进而产生矿震。白贤栖等结合符拉索夫厚板理论和现场实测数据,揭示了白垩系巨厚层状砂岩组破断诱发矿震机制。杨耀等反演了矿震发生前后的覆岩应力场,发现最大主应力竖向单轴挤压是巨厚覆岩破断诱发矿震的重要原因。

为实现对矿震的有效防控,学者们提出了井下深孔爆破、井下水力压裂、地面爆破以及地面水力压裂等方法,通过对厚硬覆岩(目标层位)进行预处理,以期减小岩层破断或运动时释放的矿震能量。于斌等采用井下特高压水压致裂技术和地面垂直井分层压裂技术,有效控制了同煤同忻矿和塔山矿坚硬顶板的破断强度。通过现场试验和微震监测,王书文等认为地面“L”型钻孔水力压裂技术可以有效控制厚硬顶板条件下的矿震风险。潘俊锋等提出通过厚硬顶板水力压裂制造人造解放层的概念,揭示了人造解放层降载机制。基于采场覆岩“载荷三带”模型、K-means 聚类算法及肘部法则,马玉镇等提出了覆岩主控致灾层位识别方法,开展了地面水力压裂现场试验,研究了水力压裂对覆岩结构的调控机制。尚晓光等采用地面直井分段水压致裂技术对巨厚硬岩运动型矿震进行治理,基于微震活动时空演化特征分析了水力压裂过程。

经过大量研究,深孔爆破和水力压裂的技术原理及施工工艺均相对成熟,已在我国山东、陕西和内蒙古等地多个矿区开展了大规模工业应用。然而,一些矿井的工程实践表明,实施深孔爆破或水力压裂并未实现对矿震的有效防控,没有达到预期目标,个别矿井甚至还出现井下矿压显现强度增加的趋势,这主要与目标层位选择不当有关。盲目选择深孔爆破或水力压裂施工的目标层位不仅没有起到防控矿震的效果,结果反而适得其反。因此,亟需探索一种确定矿震防控目标层位的方法。此外,矿震发生时大量能量瞬间释放,厚硬岩层破断释能机制也有待进一步深入研究。

综上所述,笔者梳理了煤矿震动事件和煤矿矿震的内涵,厘清了2者之间的关系;提出了覆岩矿震关键层的理念,总结了覆岩矿震关键层的特征,并指出了覆岩矿震关键层与覆岩关键层之间的区别和联系;基于岩层破断理论和能量条件,给出了覆岩矿震关键层判别方法;研究了覆岩矿震关键层破断过程中的裂隙发育和能量演化规律,探讨了覆岩矿震关键层破断释能机制。以期为矿震及其诱发灾害的防治提供一定的理论指导。

摘要
ABSTRACT
覆岩型矿震已成为部分煤矿面临的主要动力现象之一,理论判识矿震发生的主控岩层是实现矿震精准防治的基础。采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究方法,梳理了煤矿震动事件和煤矿矿震的内涵及类型,厘清了煤矿震动事件与煤矿矿震之间的关系。提出了覆岩矿震关键层概念,总结了覆岩矿震关键层特征及其与关键层之间的区别联系,給出了覆岩矿震关键层判识方法。通过分析覆岩矿震关键层破断过程中的裂隙发育和能量演化规律,揭示了覆岩矿震关键层破断释能机制。结果表明:① 煤矿震动事件包括微型震动、高能震动和矿震,煤矿矿震可划分为覆岩型、断层型、煤柱型、底板型、褶曲型和复合型;② 覆岩矿震关键层是指顶板中一层或数层对覆岩型矿震的发生和分布具有控制作用的关键岩层(组),根据空间赋存位置,可将其分为高位和低位2种类型;③ 考虑厚硬岩层破断条件和能量条件,提出了覆岩矿震关键层判别方法,案例分析表明该方法具有一定的正确性和适用性;④ 除采空区两侧的裂隙带外,覆岩矿震关键层与低位顶板之间出现水平剪切裂隙,层间节理应变能和剪切耗散能集中,岩层间发生剪切–错动。此外,覆岩矿震关键层内部还出现了水平向的层内裂隙,层内存在节理应变能和剪切耗散能聚集区,覆岩矿震关键层具有分层破坏特征;⑤ 当岩体所承受的实际最大应力超过岩层或结构接触面强度极限时,覆岩矿震关键层出现破断或结构失稳,形成覆岩型矿震,该过程中部分弹性应变能和重力势能转化为矿震能量以及各类耗散能等。研究结果可为覆岩型矿震防控提供理论指导。
部分图表

图 1  煤矿矿震类型

图 2  覆岩矿震关键层示意

图 3  覆岩矿震关键层判别流程

图 4  六采区工作面布置平面

图 5  6306工作面矿震定位

图 6  UDEC数值模型

图 7  工作面开采过程中煤岩体细观裂隙分布

图 8  工作面开采期间块体应变能演化

图 9  工作面开采期间节理应变能演化

图 10  工作面开采期间节理剪切耗散能演化

图 11  弹性应变能、重力势能、剪切耗散能以及塑性应变能变化曲线



第一作者

窦林名,男,1963年2月生,青海平安人,中共党员,博士(后),中国矿业大学教授、博导。“中国矿业大学—安徽理工大学”冲击地压防治工程研究中心主任,江苏省矿业协会副会长,曾任中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室主任、全国煤炭行业“653工程”首席专家。江苏省“333”中青年科技领军人才、“青蓝工程”学术带头人、“六大人才高峰”高层次人才、孙越崎“青年科技奖”,享受国务院政府特殊津贴。

研究方向

采矿工程、冲击地压、采矿地球物理学

主要成果

主持国家重点研发计划、国家“973”计划、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(部门推荐)等课题,国家自然科学基金面上项目、中波政府合作项目等国内外合作项目30余项。研究成果获国家科技进步二等奖2项、波兰采矿奖1项、省部级一等奖4项、二等奖以上奖励18项;出版著作12部,发表论文300余篇,专利100余件,软件著作权16项。提出了“一个理论、三种原理”,研发了一个平台,开发了八项技术。包括动静载叠加诱发冲击机理、“应力—震动—能量”三场耦合监测原理、冲击地压强度弱化减冲原理、巷道围岩强弱强结构原理、冲击地压风险智能判识与监测预警云平台、冲击危险性预测与评价技术、电磁辐射监测技术、地音监测技术、应力场CT探测技术与装备、冲击变形能监测预警技术、冲击地压多参量监测预警技术、钻孔高压射流卸压技术、顶板高压定向水力致裂技术。研究成果编入《煤矿安全规程》《煤矿安全规程执行说明》《防治煤矿冲击地压细则》《煤矿安全工程通用规范》等规程规范和相关标准,先后在国内26个矿业集团及澳大利亚、孟加拉国等煤矿现场得到成功应用,取得了良好的社会经济效益。

通讯作者

曹晋荣,男,1994年8月生,山西乡宁人,中国矿业大学师资博士后(合作导师:高峰教授、窦林名教授)。

研究方向

矿震、冲击地压

主要成果

主持国家资助博士后研究人员计划(C档)、江苏省卓越博士后计划、博士后国(境)外交流项目。参与国家重点研发计划项目2项、国家自然科学基金重点项目1项和企业科技创新项目10余项。以第一作者/通讯作者发表SCI/EI论文8篇,授权发明专利2件,研究成果获甘肃省科技进步奖1项。


来源:

窦林名,曹晋荣,曹安业,等. 煤矿覆岩矿震关键层及其破断释能机制[J]. 煤炭学报,2025,50(1):180−192.
DOU Linming,CAO Jinrong,CAO Anye,et al. Key strata of mining-induced seismicity in overburden rocks in coal mines and the energy-releasing mechanism of its fracture[J]. Journal of China Coal Society,2025,50(1):180−192.


策划丨郭晓炜

责编丨钱小静

编辑丨李莎

审核丨郭晓炜







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