單縣煤田深井構(gòu)造區(qū)工作面回采速度與微震響應(yīng)關(guān)系

張欣榮 何國志 劉繼功

（1.山東能源集團防沖中心，山東 濟南 250061；2.山東理工大學資源與環(huán)境工程學院，山東 淄博 255000；3.單縣能源有限責任公司，山東 菏澤 274000）

沖擊地壓是煤巖體瞬間劇烈失穩(wěn)并釋放大量能量的動力現(xiàn)象[1-3]。隨著煤礦向深部開采，沖擊地壓礦井越來越多，而深部構(gòu)造區(qū)應(yīng)力分布異常，開采過程中極易出現(xiàn)應(yīng)力集中，深部構(gòu)造區(qū)沖擊地壓事故頻發(fā)且危害巨大。當前礦井防沖的重點之一是對沖擊危險的監(jiān)測和預(yù)警，微震監(jiān)測是沖擊地壓領(lǐng)域最先進和有效的手段之一[4]。微震是巖層運動和巖體震動的結(jié)果，能夠反映巖層能量釋放情況，微震特征被廣泛作為沖擊危險預(yù)測的指標。推采速度與覆巖運動規(guī)律存在聯(lián)系，微震監(jiān)測系統(tǒng)響應(yīng)特征能夠?qū)Ω矌r空間結(jié)構(gòu)進行較充分的解釋，推采速度的變化也將引起微震時間狀態(tài)的顯著不同。

陳蠻莊煤礦開采深度已超過千米，受區(qū)域斷層單縣斷層、平樓斷層以及終興集斷層的影響，主要發(fā)育有近EW、NE 和NW 三組傾向斷層，臺階狀向深部逐漸下降。西部、北部、東部的深部邊界多以單縣斷層、F2 斷層、平樓斷層為主，井田構(gòu)造較為發(fā)育。

本文結(jié)合陳蠻莊煤礦3410 回采工作面微震監(jiān)測結(jié)果，分析深井復(fù)雜構(gòu)造區(qū)工作面回采速度與微震的響應(yīng)關(guān)系，合理確定推采速度，有效防治沖擊地壓災(zāi)害。

1 工程概況

礦井3410 工作面位于3 煤層千米以深的構(gòu)造區(qū)內(nèi)，區(qū)域煤田被大型斷層構(gòu)造包圍，構(gòu)造應(yīng)力條件較復(fù)雜。工作面埋深1 149.0～1 193.8 m，傾向長162.2 m，推采長度1 564.6～1 581.8 m，采用智能化綜采一次采全高走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。3 煤層傾角6°～12°，平均8°，煤厚0.8～3.4 m，平均2.8 m，f=0.18。煤層直接頂為厚度5.2 m 的細砂巖，基本頂粉砂巖厚度10 m，直接底泥巖厚度1.5 m，基本底粉砂巖厚度12.3 m。如圖1，工作面南臨3408 工作面采空區(qū)，面內(nèi)有較大范圍的煤層相變帶。區(qū)域歷史地表巖移監(jiān)測顯示，地表沉降最大值為2.69 m，開采中心區(qū)域沉降值均大于1.5 m，上覆巖層隨工作面開采垮落較充分。

圖1 3410 工作面平面布置

經(jīng)煤巖層沖擊傾向性鑒定，3 煤層屬于Ⅱ類，具有弱沖擊傾向性。在大采深、復(fù)雜構(gòu)造條件下，3410 工作面存在較大沖擊風險，在工作面布置微震監(jiān)測系統(tǒng)，對微震監(jiān)測結(jié)果和推采速度間的關(guān)系進行分析研究，有助于工作面合理推進速度的確定，為沖擊地壓防治提供有效依據(jù)。

2 微震監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 微震事件空間分布特征

3410 工作面在2020 年6 月11 日 至2020 年11月25 日回采期間處于一側(cè)采空狀態(tài)，同時連續(xù)過煤層相變帶。該區(qū)域煤層應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，微震平面投影如圖2 所示。受覆巖空間結(jié)構(gòu)影響，微震事件在空間上集中于采空區(qū)一側(cè)，相變帶內(nèi)微震事件集中分布較明顯，其中臨近和過第一處大型相變帶時微震響應(yīng)強烈，之后停采20 d，10 月上旬恢復(fù)開采后微震事件發(fā)生較平穩(wěn)。根據(jù)微震事件分析，工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力影響范圍約50 m，超前支承應(yīng)力影響范圍約300 m，其中面前200 m 為應(yīng)力影響較明顯的范圍。對微震事件空間分布特征分析可知，煤層相變帶內(nèi)應(yīng)力分布異常，導(dǎo)致頂板發(fā)生不規(guī)則集中斷裂、回轉(zhuǎn)，微震事件分布較集中，同時“S”型覆巖結(jié)構(gòu)導(dǎo)致巖層趨向采空區(qū)側(cè)發(fā)生斷裂，釋放出較大能量，相變帶的沿空側(cè)巷道受動載影響較大，在千米埋深的高靜載條件下沖擊風險較大。

圖2 微震平面投影示意圖

根據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到圖3。期間共發(fā)生971 次微震事件，平均5.8 次/d，1.00E+02J 級別的108 次，1.00E+03J 級事件863 次，微震頻次和微震能量變化趨勢擬合性較好，未發(fā)生大能量預(yù)警值事件，期間推采速度約0～1.8 m/d。

圖3 微震監(jiān)測結(jié)果和推采速度關(guān)系曲線

將3410 回采工作面的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入IBM SPSS Stastics 數(shù)據(jù)分析軟件，采用皮爾遜系數(shù)對推采速度和微震響應(yīng)關(guān)系進行分析。結(jié)果顯示回采速度與單日微震事件數(shù)量、單日最大微震事件能量及單日微震事件總能量均有顯著正相關(guān)性，見表1。

2.2 微震事件時間分布特征

頂板斷裂一般發(fā)生在工作面前方，回采工作面頂板結(jié)構(gòu)特征如圖4 所示?；卷攷r塊成鉸接結(jié)構(gòu)，覆巖破斷釋放彈性能和施加至煤體的重力勢能是煤層沖擊的主要能量源，當推采速度過快，覆巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和能量未充分調(diào)整，連續(xù)高強度開采勢必造成應(yīng)力和能量集中達到結(jié)構(gòu)極限，進而誘發(fā)沖擊災(zāi)害。由圖3和表1可知，3410工作面日最大微震能量、日微震總能量、日微震事件數(shù)量與推采速度有較好的關(guān)聯(lián)性，推采速度的增大和降低會引起微震事件和數(shù)量的顯著增多或減少，總體上呈現(xiàn)出正相關(guān)性。

圖4 回采工作面頂板結(jié)構(gòu)特征

表1 相關(guān)性分析

結(jié)合前述分析對微震事件的時間特征進行分析，3410 工作面在6 月11 日之后開始進入相鄰采空區(qū)影響范圍，現(xiàn)場降低推采速度至0～1 m/d，至7 月7日左右工作面完全進入采空區(qū)，期間微震事件頻次和能量較低。因進入采空區(qū)引起的覆巖結(jié)構(gòu)調(diào)整較大，覆巖突破運動與平衡邊界時間較長，微震事件增加相對推采速度的升高表現(xiàn)出明顯的時滯性。

7 月9 日至9 月17 日連續(xù)推采，微震和推采速度表現(xiàn)出較強的正相關(guān)性和時滯性，隨基本頂周期性垮落，微震事件也呈現(xiàn)出一定的周期性，在超前支承應(yīng)力影響下工作面遠處的大規(guī)模相變帶內(nèi)監(jiān)測到大量微震事件。7 月15 日—7 月21 日期間以1.8 m/d 的速度勻速開采，微震數(shù)量隨時間推移呈線性增長，日均微震頻次達15 次，單日微震事件總能量均值為18 165.65 J。其中，7 月20 日共發(fā)生33次微震事件，單個微震能量達到峰值，經(jīng)過5 d 推采，基本頂發(fā)生較大規(guī)模周期性垮落，在煤層相變帶的異常影響下，頂板破斷釋放大量能量，此時高動靜載疊加易造成沖擊事故。因此在臨近相變帶時應(yīng)加強微震監(jiān)測分析，當微震能量和頻次出現(xiàn)不規(guī)則的明顯降低時頂板能量積聚增大，應(yīng)降低推采速度且勻速推過。7 月21 日—9 月4 日期間回采速度波動較大，微震亦呈現(xiàn)出較大波動，大幅降速或停采后恢復(fù)生產(chǎn)則極易發(fā)生大能量事件，沖擊風險較大。

9 月7 日—9 月18 日工作面出不規(guī)則相變帶，推采過程中接近第一處大型相變帶，隨后工作面停采，期間覆巖發(fā)生小規(guī)模調(diào)整，監(jiān)測到微震發(fā)生。10 月10 日復(fù)工后以1.8 m/d 的速度勻速推采，微震事件周期性較明顯，此時微震表現(xiàn)出明顯的時滯性，在不同周期總體微震能量逐漸升高，且在出現(xiàn)微震能量和頻次明顯降低后的第5 天左右出現(xiàn)大能量事件。

2.3 現(xiàn)場推采速度調(diào)整

采煤卸荷導(dǎo)致采場覆巖結(jié)構(gòu)、應(yīng)力和能量達到平衡狀態(tài)需要一定時間，因此表現(xiàn)出明顯的滯后性。當工作面以勻速回采時，微震事件變化幅度較小，滯后性不明顯，頂板彈性能積聚程度小，因此在回采期間應(yīng)盡可能減小推采速度波動。

根據(jù)前期生產(chǎn)經(jīng)驗，現(xiàn)場3410 工作面推采過聯(lián)絡(luò)巷后大幅降低推采速度，2021 年3 月至11 月保持勻速推采，3 月最大推采速度約1.8 m/d，共推采約250 m，整體平均推采速度在1.0 m/d，期間未發(fā)生大能量微震預(yù)警事件，覆巖未發(fā)生高強度劇烈運動；局部鉆屑法、應(yīng)力在線監(jiān)測未超過預(yù)警指標；未發(fā)生支架嚴重破壞、巷道大變形、錨桿脫錨等明顯礦壓顯現(xiàn)，實現(xiàn)了安全開采。末期監(jiān)測到微震事件能量小且分布均勻，如圖5。

圖5 微震平面投影示意圖

3 結(jié)論

基于單縣煤田深井構(gòu)造區(qū)3410 工作面回采速度與微震的響應(yīng)關(guān)系分析，得到如下結(jié)論：

（1）推采速度與微震事件之間存在顯著的正相關(guān)性，合理的推采速度能夠有效降低沖擊危險，對微震監(jiān)測結(jié)果和推采速度間的關(guān)系進行分析研究，有助于工作面合理推進速度的確定，為沖擊地壓防治提供有效依據(jù)。

（2）3410 工作面相變帶內(nèi)應(yīng)力分布異常，導(dǎo)致頂板發(fā)生不規(guī)則集中斷裂、回轉(zhuǎn)，微震事件分布較集中，同時“S”型覆巖結(jié)構(gòu)導(dǎo)致巖層趨向采空區(qū)側(cè)發(fā)生斷裂，釋放出較大能量，相變帶的沿空側(cè)巷道受動載影響較大，在千米埋深的高靜載條件下沖擊風險較大。

（3）3410 工作面回采速度最大1.8 m/d 較合理，當受到構(gòu)造等因素影響時回采速度應(yīng)減小到1.0 m/d左右，減小頂板能量積聚，避免高動靜載疊加誘發(fā)沖擊。

（4）大幅降速或提速后、停采后復(fù)采初期以及在出現(xiàn)微震能量和頻次明顯降低后的第5 天左右是頂板運動劇烈、大能量微震事件高發(fā)時期。