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(kāi)采，煤礦沖擊地壓礦井越來(lái)越多，沖擊地壓造成的災(zāi)害越來(lái)越嚴(yán)重[1-2]。沖擊地壓已成為影響我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)最為突出的災(zāi)害類(lèi)型之一[3]?？刂乒ぷ髅婊夭伤俣仁菦_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(cè)等系列文件也對(duì)合理控制沖擊地壓礦井回采強(qiáng)度做出專(zhuān)項(xiàng)規(guī)定[5-6]。圍繞回采速度和沖擊地壓危險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián)性，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者已開(kāi)展了相關(guān)研究：譚云亮等[7]根據(jù)回采工作面開(kāi)采所引起的支承壓力變化，基于開(kāi)采擾動(dòng)原理，推導(dǎo)了因采動(dòng)導(dǎo)致煤體內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)能計(jì)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(dòng)能之間關(guān)系，基于獲得的開(kāi)采進(jìn)尺與動(dòng)能量級(jí)的關(guān)系，可以定量給出滿足防沖要求的安全開(kāi)采進(jìn)尺。尹萬(wàn)蕾等[8]以山東兗礦集團(tuán)東灘礦1305綜采工作面為研究對(duì)象，從關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)、回采速度的穩(wěn)定性的角度分析礦震發(fā)生機(jī)制與分布；趙同彬等[9]通過(guò)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(xiǎn)性與采場(chǎng)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(hào)井31102工作面在防沖條件下的合理推采速度，通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)、沖擊顯現(xiàn)、上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)系。但針對(duì)回采速度與保護(hù)層開(kāi)采等工藝耦合研究較少，筆者通過(guò)分析沖擊地壓監(jiān)測(cè)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(jiàn)方效應(yīng)、頂板預(yù)裂爆破、小煤柱護(hù)巷工藝、保護(hù)層開(kāi)采等對(duì)工作面回采速度的影響，探索工作面在實(shí)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(hào)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(gè)回采工作面，工作面寬241 m，走向長(zhǎng)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(zhǎng)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(qiáng)度較低。通過(guò)煤巖層沖擊傾向性試驗(yàn)判定3-1煤層沖擊傾向性鑒定結(jié)果為強(qiáng)沖擊傾向性；3-1煤層頂板具有強(qiáng)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(shí)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(dòng)力顯現(xiàn)，歷次動(dòng)力顯現(xiàn)概況及顯現(xiàn)區(qū)域煤體應(yīng)力、微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 31103-1工作面動(dòng)力顯現(xiàn)事件概況

2 回采速度與見(jiàn)方效應(yīng)關(guān)聯(lián)性分析

2.1 31103-1工作面見(jiàn)方效應(yīng)分析

隨著工作面推進(jìn)至采空區(qū)見(jiàn)方(工作面推進(jìn)長(zhǎng)度與采空區(qū)傾斜長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)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(jiàn)方、鄰近工作面存在二見(jiàn)方、三見(jiàn)方，歷次見(jiàn)方位置如圖2所示。

圖2 31103-1工作面歷次見(jiàn)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(jiàn)方、二見(jiàn)方和三見(jiàn)方，表2為工作面各回采區(qū)段微震事件相關(guān)統(tǒng)計(jì)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(jì)

由表2可知，31103-01工作面歷次見(jiàn)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(jiàn)方至二見(jiàn)方期間工作面微震事件日均能量、頻次相對(duì)其他區(qū)域較高，工作面鄰空巷道動(dòng)力顯現(xiàn)均集中于二見(jiàn)方期間，工作面見(jiàn)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(jiàn)方期間微震事件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 31103-1工作面歷次見(jiàn)方期間微震事件統(tǒng)計(jì)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(gè)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(dòng)載擾動(dòng)。

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(cuò)布置，05-25—07-11階段工作面處于實(shí)體煤回采階段，期間回采速度多≥10刀/d，超過(guò)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(kāi)始受鄰近采空區(qū)影響直至二次見(jiàn)方影響區(qū)結(jié)束，回采速度≤8刀/d，超過(guò)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(jiàn)方影響區(qū)以外回采，回采速度≤6刀/d，超過(guò)4刀/d后，刀均能量與大能量事件頻率均明顯上升?？梢?jiàn)，3個(gè)回采階段內(nèi)，工作面回采速度在超過(guò)一定刀數(shù)后，微震各項(xiàng)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(dòng)載擾動(dòng)水平不一，同一個(gè)工作面的不同區(qū)域回采速度也需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整。該工作面二見(jiàn)方期間經(jīng)評(píng)價(jià)為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)，實(shí)際回采期間工作面動(dòng)力顯現(xiàn)均位于該區(qū)域內(nèi)，為降低沖擊危險(xiǎn)區(qū)域動(dòng)載擾動(dòng)水平，二見(jiàn)方期間強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)回采速度宜≤6刀/d；后續(xù)各工作面回采速度對(duì)應(yīng)的動(dòng)載擾動(dòng)水平不宜超過(guò)31103-1工作面單見(jiàn)方至二見(jiàn)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(duì)比

3 防治措施對(duì)回采速度的影響

3.1 頂板預(yù)裂爆破對(duì)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(kāi)采技術(shù)條件類(lèi)似。因31103-1回采期間動(dòng)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(dòng)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(shí)動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)度。31103-2工作面自開(kāi)切眼開(kāi)始實(shí)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(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4， 31103-1和31103-2工作面回采速度與微震關(guān)聯(lián)性對(duì)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(shuō)明實(shí)施頂板預(yù)裂爆破等措施后，頂板破斷時(shí)動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)度有所降低，同等回采速度條件下，31103-2工作面整體動(dòng)載誘沖風(fēng)險(xiǎn)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(jì)

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(shí)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(jiàn)方期間進(jìn)尺6刀/d時(shí)的50%左右，動(dòng)載誘沖風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)可控，可見(jiàn)在實(shí)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(duì)回采速度的影響

31120工作面為所在盤(pán)區(qū)第2個(gè)回采工作面，工作面傾向長(zhǎng)300 m，走向長(zhǎng)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(shí)體煤。31120工作面回采速度與微震事件相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，31120工作面回采速度與微震關(guān)聯(lián)性對(duì)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(jì)

圖8 兩工作面回采速度與微震關(guān)聯(lián)性對(duì)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(shí)動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)度有所降低，同等回采速度條件下，31120工作面動(dòng)載誘沖風(fēng)險(xiǎn)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(jiàn)方期間回采速度6刀/d時(shí)水平，為安全起見(jiàn)，該工作面弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域回采速度應(yīng)≤10刀/d。由此可見(jiàn)，及時(shí)采取多種防沖措施后，仍需要注意對(duì)回采速度的合理管控。31120工作面回采速度≥8刀/d時(shí)，當(dāng)日出現(xiàn)大能量的概率會(huì)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(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域建議回采速度≤8刀/d。

3.3 保護(hù)層對(duì)回采速度的影響

受開(kāi)采條件限制，納林河二號(hào)礦井尚未進(jìn)行保護(hù)層開(kāi)采工程實(shí)踐，為分析保護(hù)層對(duì)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(duì)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(kāi)采。

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

表6 7335、8195工作面微震事件統(tǒng)計(jì)對(duì)比

圖9 8195、7335工作面刀均能量對(duì)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(xiàng)參數(shù)明顯低于7335工作面，說(shuō)明保護(hù)層開(kāi)采條件下，被保護(hù)層工作面回采期間動(dòng)載擾動(dòng)明顯降低。

8195工作面回采速度1～6刀/d時(shí)，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(shí)，且8195工作面回采期間未發(fā)生沖擊地壓，未出現(xiàn)動(dòng)力顯現(xiàn)，故8195工作面整體受動(dòng)載擾動(dòng)誘沖可能較小。

保護(hù)層開(kāi)采有利于降低被保護(hù)層動(dòng)載擾動(dòng)誘沖風(fēng)險(xiǎn)，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(hào)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(duì)生產(chǎn)班與非生產(chǎn)班微震事件個(gè)數(shù)及能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2020年1月6日至22日，31103-1工作面多為夜班生產(chǎn)，煤機(jī)運(yùn)行時(shí)刻為0:30～7:30，微震能量統(tǒng)計(jì)如圖12所示。

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

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(jī)停機(jī)3.5 h后，微震能量釋放趨于平穩(wěn)，即宜停機(jī)3.5 h后才可進(jìn)入沿空巷道作業(yè)。動(dòng)力顯現(xiàn)后進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)的解危作業(yè)時(shí)間根據(jù)當(dāng)日微震事件按小時(shí)統(tǒng)計(jì)，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(jiàn)方等強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域可依據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及動(dòng)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(duì)較低時(shí)的回采速度。

2)同一礦井各回采工作面回采速度調(diào)整時(shí)，合理回采速度對(duì)應(yīng)的動(dòng)載擾動(dòng)水平不宜超過(guò)本礦井存在動(dòng)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(kāi)采等措施有利于降低工作面動(dòng)載誘沖風(fēng)險(xiǎn)，在確保防治措施效果，加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析的同時(shí)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(wú)限制提高回采速度，最大回采速度不宜超過(guò)本礦井存在動(dòng)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(dòng)力顯現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)；工作面停產(chǎn)復(fù)產(chǎn)時(shí)，應(yīng)以較低的初始速度開(kāi)始推進(jìn)，并保持該初始速度2～4 d。

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