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摘要：研究关键层破断过程对预防矿震和冲击地压具有重要意义。通过对石拉乌素煤矿221上08工作面关键层变形失稳的研究，结果表明当主关键层悬露面积达到极限时，主关键层将发生破断，释放大量弹性变形能。主关键层厚度较大，离地表较近，因此容易在地表处形成强烈动载，引起采空区矿震。煤矿开采过程中，随着工作面推进，采空区悬顶的面积不断增大，悬顶面积不断增大的过程中，直接顶、老顶逐渐垮落，采动影响到主关键层，主关键层下方的岩层与主关键层也将逐渐发生离层，最终主关键层也将破坏。主关键层破坏会导致上覆岩层弯曲下沉和破坏，在这个过程中会释放巨大的能量，引起矿震。以石拉乌素煤矿221上08工作面12月20日发生的矿震为背景，根据地质条件判断主关键层，研究矿震中关键层移动变形规律及主关键层的断裂方式，建立力学模型得出主关键层的极限悬露面积。
1.矿井概况
221采区西北部以221上19工作面胶运顺槽为界，西南部以一正在施工油气井保护煤柱为界，东以输油管线为界，南、北以井田边界保护煤为界。采区南北长7.6km，东西宽2.8km~4.9km，面积约23.6km2。工作面面长289m，推进长度胶运顺槽3243.7m，辅运顺槽3233.7m，平均3238.7m，面积935984.3m2。
2．关键层判别
首先对采空区顶板岩层的进行关键层判别。根据K55全钻孔综合柱状图，将221上08工作面顶板岩层结构划分如下，并根据《石拉乌素煤矿一采区、二采区2-2煤煤层及顶底板冲击倾向性鉴定报告》中顶板岩层的物理力学参数，进行顶板岩层关键层判别。根据关键层理论，计算煤层顶板上方的第n层岩层对第一层关键岩层影响，所形成的载荷表达式为：式中，E1，i为岩层弹性模量，h1，i为岩层厚度，γ1，i为岩层体积力。假设某一岩层为第一层关键层时，则下一层岩层成为第二关键层必然满足：同时，按照式（2），还需满足关键层强度条件，即：关键层判别结果如表1所示。
（1）亚关键层1为2-2煤的直接顶，其破断后作为垮落带填充采空区，根据垮落带发育高度的经验公式可知，垮落带发育高度小于亚关键层1岩层厚度。因此，亚关键层1控制了垮落带岩层的移动变形，也是构成垮落带的唯一岩层。
（2）亚关键层2是裂隙带范围内的唯一关键层，控制了裂隙带岩层的移动变形。
（3）亚关键层3及以上岩层位于弯曲下沉带。其中亚关键层3、亚关键层4为单层关键层。
（4）距离2-2煤层顶板上方340m左右的厚硬砂岩组互层之间形成复合效应，构成组合主关键层，组合厚度可达260m，且极限垮落步距可达418.4m。由于岩层极限垮落步距较大，因此容易和下位岩层发生离层，形成悬板结构。由于主关键层厚而坚硬，且与地面距离较近，因此其破断失稳极易影响至地表，与地面产生共振，形成高能量矿震事件。因此，弯曲下沉带内的组合主关键层是本矿井的矿震关键层。
3．矿震关键层移动变形规律分析
由关键层判别结果可知，本矿井的矿震关键层位于弯曲下沉带，距离2-2煤顶板约340m，常规微震、应力、地音等监测手段已难以对其移动变形规律进行有效监测。为监测弯曲下沉带内岩层的移动变形及离层规律，在221上08工作面布置了3个地面直通式离层水导流钻孔，并对工作面推过钻孔后进行了孔内电视成像。根据1#导流孔与3#导流孔的孔内电视成像结果，可以分析得出弯曲下沉带内岩层的移动变形情况。1#导流孔分别在工作面过钻孔94m、135m、203m、280m和364m进行了孔内裂隙探测；3导流孔分别在工作面过钻孔124m、144m、203m、260m和294m进行了孔内裂隙探测。分别绘制两组导流孔内离层裂隙的起始位置与终止位置进行分析，如图2所示。由图2分析可知：
（1）从钻孔内裂隙发育的初始位置来看，1#导流孔在距地面约338m处监测到横向裂隙，表明覆岩出现离层，该段位于主关键层以下30m，亚关键层4以上16m，这表明221上08工作面实体段回采后，弯曲下沉带出现破裂离层位置已达到亚关键层4以上位置，但尚未影响到主关键层。
（2）3#导流孔在距地面约325m处监测到横向裂隙，表明覆岩出现离层，该段位于主关键层以下16m，亚关键层4以上30m，相比1#导流孔，覆岩离层层位有向地面发展趋势。根据1#导流孔与3#导流孔的相对位置分析可知，随着221上08工作面回采范围的增大，覆岩离层的层位将进一步向上发展，但仍未影响到主关键层。
（3）从钻孔内裂隙发育的终止位置来看，1#导流孔在工作面过钻孔94m后可探测到距地面520m处，距煤层顶板上方约135m，但随着工作面向前推进，孔内变形严重，最终仅可探测到距地面384m处，距煤层顶板上方约270m。3#导流孔可探测到的位置距地面平均为400m处，距煤层顶板上方约254m。
（4）221上08工作面实体段回采后，从裂隙发育情况来看，弯曲下沉带岩层亦可人工分为3个区域。①无裂隙发育区：位于地表以下，主关键层以上，其移动变形规律受主关键层控制；②微裂隙发育区：位于主关键层以上，亚关键层4以上，其移动变形规律受亚关键层4控制；③强裂隙发育区：钻孔变形严重不可探，位于亚关键层4以下，亚关键层3以上，其移动变形规律主要受亚关键层3控制。
4．覆岩空间结构演化及矿震孕育过程
根据石拉乌素煤矿工作面采掘情况，根据上文的分析结果，模拟221上08工作面回采期间由实体煤段过渡到一侧临空段时，上覆岩层的破断过程如图4所示。根据各级岩层的移动变形规律可知：当221上08工作面由实体煤段过渡到一侧临空段时，两采空区弯曲下沉带底部之间的离层裂隙相贯通，因此达到主关键层的极限垮落步距，主关键层在自身重力作用下将会逐步弯曲、下沉，释放大量弯曲弹性能。由于主关键层自身厚度较大、强度较高且距地面较近，当主关键层发生大面积悬露并组合破断时，会在近地表处形成强烈动载，引发采空区矿震显现。221上08采空区与221上06A采空区贯通后，主关键层将形成大悬板结构。根据弹性薄板的“O-X”型破断理论，主关键层以下的岩层无论是否一侧临空回采，都将发生多次周期性的“O-X”破断，当主关键层经过一侧临空段时将首次发生破断。随着工作面向前推进，主关键层还将发生周期性破断失稳。
5．高位主关键层破断力学机制探讨
为进一步研究主关键层破断的力学条件，首先建立一侧采空条件下，沿工作面倾向主关键层的破断模型，如图3所示。设主关键层厚度为D，所受自重及上覆岩层载荷为q，覆岩离层带累计高度为H，采空区宽度为L，主关键层极限垮落步距为l，岩层移动角为β，一般取70°~85°。极限垮落距在关键层计算时已求出，为418.4m，则达到主关键层极限垮落步距时的临界采空区宽度L可由下式（4）求出：
6．结语
（1）221上08工作面上覆岩层中存在5层厚硬关键层，其中260m组合砂岩层为主关键层，也是本矿井的矿震关键层。
（2）根据离层水导流钻孔内裂隙发育情况的观测结果，弯曲下沉带岩层可人工分为3个区域：无裂隙发育区、微裂隙发育区和强裂隙发育区。221上08工作面实体段回采后，不足以使主关键层发展为强裂隙发育区，在主关键层以下，由于层间变形的不协调，出现了一定程度的覆岩离层。
（3）“12.20”矿震发生机理为：221上08工作面由实体煤段过渡到一侧临空段后，两采空区弯曲下沉带底部之间的离层裂隙相贯通，达到主关键层的极限垮落步距，主关键层在自身重力作用下逐步产生“O-X”破断，释放大量弯曲弹性能，由于主关键层自身厚度较大、强度较高且距地面较近，因此在近地表处形成强烈动载，引发采空区矿震显现。
（4）当采空区倾向长度达到480m，沿工作面推进方向长度达到311m时，主关键层可达到“O-X”破断的条件。由矿井实际采掘情况可知，221上08采空区与221上06A采空区贯通后，其倾向采空区宽度可达600m，当前工作面回采距离超前221上06A切眼408m，已达到了主关键层破断的临界条件，主关键层将发生“O-X”型破断。取H=350m，β=85°，解得，L=480m。由矿井实际采掘情况可知，221上08采空区与221上06A采空区贯通后，其综合采空区宽度可达600m，已达到了主关键层破断的临界采空区宽度，故主关键层将产生“O-X”型破断结构。
作者：顾颖诗 马梦想 单位：内蒙古昊盛煤业有限公司 安徽理工大学