沖擊地壓礦井合理回采速度的確定方法研究

張忠溫，趙 雷,2，韓 剛

(1.中煤西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307；2.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307；3.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著煤礦向深部開采，煤礦沖擊地壓礦井越來越多，沖擊地壓造成的災(zāi)害越來越嚴(yán)重[1-2]。沖擊地壓已成為影響我國煤礦安全生產(chǎn)最為突出的災(zāi)害類型之一[3]。控制工作面回采速度是沖擊地壓防治的重要措施[4]。沖擊地壓防治相關(guān)規(guī)程、細(xì)則、手冊等系列文件也對合理控制沖擊地壓礦井回采強度做出專項規(guī)定[5-6]。圍繞回采速度和沖擊地壓危險之間的關(guān)聯(lián)性，國內(nèi)諸多學(xué)者已開展了相關(guān)研究：譚云亮等[7]根據(jù)回采工作面開采所引起的支承壓力變化，基于開采擾動原理，推導(dǎo)了因采動導(dǎo)致煤體內(nèi)產(chǎn)生動能計算方法，得到了不同深度、不同塑性區(qū)寬度、不同推進(jìn)度與所產(chǎn)生動能之間關(guān)系，基于獲得的開采進(jìn)尺與動能量級的關(guān)系，可以定量給出滿足防沖要求的安全開采進(jìn)尺。尹萬蕾等[8]以山東兗礦集團(tuán)東灘礦1305綜采工作面為研究對象，從關(guān)鍵層運動、回采速度的穩(wěn)定性的角度分析礦震發(fā)生機制與分布；趙同彬等[9]通過理論研究、數(shù)值模擬等方法揭示了工作面回采速度是沖擊事故的重要影響因素；劉金海等[10]認(rèn)為工作面沖擊危險性與采場推進(jìn)速度具有相關(guān)性，高速推進(jìn)、非勻速推進(jìn)容易誘發(fā)沖擊；王朝引[11]為確定蒙陜地區(qū)納林河二號井31102工作面在防沖條件下的合理推采速度，通過理論分析、現(xiàn)場實測等方法，探討了31102 工作面回采速度與微震、煤體應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)、沖擊顯現(xiàn)、上覆巖層運動規(guī)律的關(guān)系。但針對回采速度與保護(hù)層開采等工藝耦合研究較少，筆者通過分析沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)、沖擊顯現(xiàn)與工作面回采速度關(guān)聯(lián)性，研究工作面見方效應(yīng)、頂板預(yù)裂爆破、小煤柱護(hù)巷工藝、保護(hù)層開采等對工作面回采速度的影響，探索工作面在實際生產(chǎn)中合理推采速度的確定方法。

1 工程概況

納林河二號礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，首采煤層為3-1煤層，平均埋深563 m。31103-1工作面為該礦第3個回采工作面，工作面寬241 m，走向長約1 787 m，煤層平均厚度5.6 m，平均埋深563 m,為近水平煤層。煤層直接頂為厚7.3 m粉砂巖，淺灰色，石英為主，長石次之；上部基本頂為厚14.85 m的細(xì)粒砂巖。煤層底板為砂質(zhì)泥巖，具有水平層理，強度較低。通過煤巖層沖擊傾向性試驗判定3-1煤層沖擊傾向性鑒定結(jié)果為強沖擊傾向性；3-1煤層頂板具有強沖擊傾向性；3-1煤層底板具有弱沖擊傾向性。該工作面東側(cè)為31102工作面采空區(qū)，區(qū)段煤柱寬25 m，西側(cè)為實體煤，工作面概況如圖1所示。

圖1 31103-1工作面布置

31103-1工作面回采期間鄰空巷道出現(xiàn)多次動力顯現(xiàn)，歷次動力顯現(xiàn)概況及顯現(xiàn)區(qū)域煤體應(yīng)力、微震監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 31103-1工作面動力顯現(xiàn)事件概況

2 回采速度與見方效應(yīng)關(guān)聯(lián)性分析

2.1 31103-1工作面見方效應(yīng)分析

隨著工作面推進(jìn)至采空區(qū)見方(工作面推進(jìn)長度與采空區(qū)傾斜長度相等)[12]，上覆巖層在垂直方向上頂板垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶的運動達(dá)到最大值，上覆巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)疊加厚表土的突然加載，極易誘發(fā)沖擊地壓[13]。31103-1工作面采掘布局導(dǎo)致本工作面存在單見方、鄰近工作面存在二見方、三見方，歷次見方位置如圖2所示。

圖2 31103-1工作面歷次見方位置

圖3為31103-1工作面回采期間微震事件日總能量、頻率特征，圖3中方框分別代表單見方、二見方和三見方，表2為工作面各回采區(qū)段微震事件相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖3 31103-1工作面回采期間微震事件能量、頻率

表2 31103-1工作面回采期間微震事件統(tǒng)計

由表2可知，31103-01工作面歷次見方區(qū)域回采期間微震事件日均能量、頻次均高于鄰近區(qū)域，且單見方至二見方期間工作面微震事件日均能量、頻次相對其他區(qū)域較高，工作面鄰空巷道動力顯現(xiàn)均集中于二見方期間，工作面見方效應(yīng)較為明顯。

2.2 工作面不同回采區(qū)段回采速度與微震事件關(guān)聯(lián)性分析

31103-1工作面不同區(qū)域歷次見方期間微震事件統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。

表3 31103-1工作面歷次見方期間微震事件統(tǒng)計數(shù)據(jù)

不同階段內(nèi)刀均能量、≥104J微震事件頻率分布特征匯總?cè)鐖D4所示。由圖4可知，3個回采階段內(nèi)，回采速度與刀均能量、≥104J微震事件頻率均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，故控制回采速度有利于降低動載擾動。

圖4 31103-1工作面不同回采階段回采速度與微震關(guān)聯(lián)性分析

因工作面外錯布置，05-25—07-11階段工作面處于實體煤回采階段，期間回采速度多≥10刀/d，超過10刀/d后，刀均能量與大能量事件頻率均明顯上升；07-12—11-24階段從工作面開始受鄰近采空區(qū)影響直至二次見方影響區(qū)結(jié)束，回采速度≤8刀/d，超過7刀/d后，刀均能量與大能量事件頻率均明顯上升；11-25—03-28階段工作面在二見方影響區(qū)以外回采，回采速度≤6刀/d，超過4刀/d后，刀均能量與大能量事件頻率均明顯上升?？梢姡?個回采階段內(nèi)，工作面回采速度在超過一定刀數(shù)后，微震各項指標(biāo)明顯上升。

不同回采階段內(nèi)微震刀均能量與回采速度如圖5所示。由圖5可知，同一回采工作面不同回采區(qū)域，動載擾動水平不一，同一個工作面的不同區(qū)域回采速度也需要動態(tài)調(diào)整。該工作面二見方期間經(jīng)評價為強沖擊危險區(qū)，實際回采期間工作面動力顯現(xiàn)均位于該區(qū)域內(nèi)，為降低沖擊危險區(qū)域動載擾動水平，二見方期間強沖擊危險區(qū)回采速度宜≤6刀/d；后續(xù)各工作面回采速度對應(yīng)的動載擾動水平不宜超過31103-1工作面單見方至二見方期間6刀/d水平。

圖5 不同回采階段回采速度與微震關(guān)聯(lián)性對比

3 防治措施對回采速度的影響

3.1 頂板預(yù)裂爆破對回采速度的影響

31103-2工作面為31103-1工作面接續(xù)工作面，兩工作面開采技術(shù)條件類似。因31103-1回采期間動力顯現(xiàn)較為頻繁，31103-1工作面部分區(qū)域、31103-2工作面回采前增加了頂板預(yù)裂等措施，該工作面回采期間未發(fā)生動力顯現(xiàn)。31103-1、31103-2工作面頂板預(yù)裂爆破區(qū)域微震事件垂向分布特征如圖6所示。由圖6a可知，31103-1工作面頂板預(yù)裂爆破可以直接降低爆破目標(biāo)層位的微震頻次、能量，降低頂板破斷時動載擾動強度。31103-2工作面自開切眼開始實施頂板預(yù)裂爆破，爆破目標(biāo)層位內(nèi)微震事件分布明顯減少。31103-2工作面回采速度與微震事件相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表4， 31103-1和31103-2工作面回采速度與微震關(guān)聯(lián)性對比結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，31103-2工作面同等回采速度條件下，每刀微震事件平均能量均小于31103-1工作面，結(jié)合圖6分析結(jié)果，說明實施頂板預(yù)裂爆破等措施后，頂板破斷時動載擾動強度有所降低，同等回采速度條件下，31103-2工作面整體動載誘沖風(fēng)險低于31103-1工作面。

圖7 31103-1和31103-2工作面回采速度與微震能量

表4 31103-2工作面回采速度與微震事件相關(guān)統(tǒng)計

圖6 頂板預(yù)裂爆破區(qū)域微震事件垂向分布特征

31103-2工作面每日回采7～8刀的時間達(dá)到48 d，連續(xù)3 d以上采用8刀/d回采速度共3次，期間每刀微震事件平均能量大致為31103-1工作面二見方期間進(jìn)尺6刀/d時的50%左右，動載誘沖風(fēng)險相對可控，可見在實施頂板預(yù)裂爆破等措施后，可以適度提高回采速度。

3.2 小煤柱護(hù)巷對回采速度的影響

31120工作面為所在盤區(qū)第2個回采工作面，工作面傾向長300 m，走向長約2 614 m，煤層平均厚度5.6 m，平均埋深598 m,為近水平煤層。其東側(cè)為31121工作面采空區(qū)，區(qū)段煤柱寬6 m，西側(cè)為實體煤。31120工作面回采速度與微震事件相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表5，31120工作面回采速度與微震關(guān)聯(lián)性對比結(jié)果如圖8所示。

表5 31120工作面回采速度與微震事件相關(guān)統(tǒng)計

圖8 兩工作面回采速度與微震關(guān)聯(lián)性對比

由圖8可知， 31120工作面在采取小煤柱護(hù)巷、頂板預(yù)裂爆破等措施后，頂板破斷時動載擾動強度有所降低，同等回采速度條件下，31120工作面動載誘沖風(fēng)險低于31103-1工作面。

31120工作面有38 d回采速度達(dá)10刀/d，連續(xù)3 d以上10刀/d的回采速度共3次，期間每刀微震事件平均能量接近31103-1工作面二見方期間回采速度6刀/d時水平，為安全起見，該工作面弱沖擊危險區(qū)域回采速度應(yīng)≤10刀/d。由此可見，及時采取多種防沖措施后，仍需要注意對回采速度的合理管控。31120工作面回采速度≥8刀/d時，當(dāng)日出現(xiàn)大能量的概率會增加約3倍，8刀/d及以下概率則基本一致，所以本工作面強沖擊危險區(qū)域建議回采速度≤8刀/d。

3.3 保護(hù)層對回采速度的影響

受開采條件限制，納林河二號礦井尚未進(jìn)行保護(hù)層開采工程實踐，為分析保護(hù)層對回采速度的影響，選取上海大屯能源股份有限公司徐莊煤礦7335、8195工作面進(jìn)行對比分析，其中7335工作面位于該礦井7煤，屬于首采煤層；8195工作面上覆為7煤7195工作面采空區(qū)，屬于保護(hù)層開采。

兩工作面回采期間微震事件統(tǒng)計對比見表6，兩工作面每刀微震平均能量對比如圖9所示，每刀103J以上微震事件平均頻次對比如圖10所示。

表6 7335、8195工作面微震事件統(tǒng)計對比

圖9 8195、7335工作面刀均能量對比

圖10 8195、7335工作面≥103 J微震事件頻率

由圖9和圖10可知，8195工作面微震事件這2項參數(shù)明顯低于7335工作面，說明保護(hù)層開采條件下，被保護(hù)層工作面回采期間動載擾動明顯降低。

8195工作面回采速度1～6刀/d時，每刀平均微震能量、≥103J微震事件頻率均相當(dāng)于7335工作面回采速度1～2刀/d時，且8195工作面回采期間未發(fā)生沖擊地壓，未出現(xiàn)動力顯現(xiàn)，故8195工作面整體受動載擾動誘沖可能較小。

保護(hù)層開采有利于降低被保護(hù)層動載擾動誘沖風(fēng)險，被保護(hù)層工作面回采速度可以適當(dāng)高于保護(hù)層工作面。

4 工作面啟停微震滯后性

2019年12月14日至2020年1月17日期間及2019年9月2日至10月10日期間，納林河二號礦井31103-1工作面微震能量、頻次與回采速度關(guān)系如圖11所示。

圖11 微震能量、頻次與回采速度關(guān)系

由圖11可知：12月26日停采后，12月28日微震事件基本穩(wěn)定，滯后2 d；9月3日工作面停采，9月6日微震事件基本穩(wěn)定，滯后3 d；9月21日工作面停采，9月25日微震事件基本穩(wěn)定，滯后4 d。

1月4日工作面復(fù)產(chǎn)，至1月7日，微震事件上升至較高水平，滯后3 d；9月11日工作面復(fù)產(chǎn)，至9月15日，微震事件上升至較高水平，滯后4 d；10月7日工作面復(fù)產(chǎn)，至10月9日，微震事件上升至較高水平，滯后2 d。工作面停產(chǎn)后，微震事件頻次、能量滯后2～4 d后趨于穩(wěn)定；工作面恢復(fù)生產(chǎn)后，微震事件頻次、能量滯后2～4 d后達(dá)到較高水平。此外，對生產(chǎn)班與非生產(chǎn)班微震事件個數(shù)及能量進(jìn)行統(tǒng)計，2020年1月6日至22日，31103-1工作面多為夜班生產(chǎn)，煤機運行時刻為0:30～7:30，微震能量統(tǒng)計如圖12所示。

圖12 生產(chǎn)班與非生產(chǎn)班微震能量對比統(tǒng)計

生產(chǎn)班內(nèi)微震數(shù)量明顯高于非生產(chǎn)班微震數(shù)量，生產(chǎn)班微震能量釋放是非生產(chǎn)班數(shù)量的1.78倍。采煤機停機3.5 h后，微震能量釋放趨于平穩(wěn)，即宜停機3.5 h后才可進(jìn)入沿空巷道作業(yè)。動力顯現(xiàn)后進(jìn)入危險區(qū)的解危作業(yè)時間根據(jù)當(dāng)日微震事件按小時統(tǒng)計，且在微震事件頻次能量明顯降低并平穩(wěn)后進(jìn)入。

5 結(jié) 論

1)在工作面見方等強沖擊危險區(qū)域可依據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)及動力顯現(xiàn)分析結(jié)果，選擇微震事件平均能量與頻次等指標(biāo)相對較低時的回采速度。

2)同一礦井各回采工作面回采速度調(diào)整時，合理回采速度對應(yīng)的動載擾動水平不宜超過本礦井存在動力顯現(xiàn)、沖擊地壓事故回采工作面的安全回采速度。

3)頂板預(yù)裂爆破、小煤柱護(hù)巷工藝、保護(hù)層開采等措施有利于降低工作面動載誘沖風(fēng)險，在確保防治措施效果，加強實時監(jiān)測與分析的同時可以適當(dāng)提高回采速度；但即使采取多種防治措施后，并非可以無限制提高回采速度，最大回采速度不宜超過本礦井存在動力顯現(xiàn)、沖擊地壓事故回采工作面的安全回采速度。

4)工作面短期停產(chǎn)與復(fù)采期間，微震事件恢復(fù)平穩(wěn)存在一定滯后性，應(yīng)盡量保證工作面低速均勻推進(jìn)；當(dāng)發(fā)生客觀原因?qū)е鹿ぷ髅嫱２?～4 d內(nèi)，依然應(yīng)重視沿空巷道動力顯現(xiàn)風(fēng)險；工作面停產(chǎn)復(fù)產(chǎn)時，應(yīng)以較低的初始速度開始推進(jìn)，并保持該初始速度2～4 d。

5)采煤機停機3.5 h后，才可進(jìn)入沿空巷道作業(yè)；動力顯現(xiàn)后進(jìn)入危險區(qū)的解危作業(yè)時間根據(jù)當(dāng)日微震事件按小時統(tǒng)計，且在微震事件頻次能量明顯降低并平穩(wěn)后方可進(jìn)入。