文/宋麗軍 劉慧勇

隨著開采深度的不斷加大，沖擊地壓已成為煤礦安全生產(chǎn)主要災(zāi)害之一，如何及時(shí)有效地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和有效防治沖擊地壓成為煤礦安全生產(chǎn)亟須解決的技術(shù)難題。從已有的研究來看，大多數(shù)是關(guān)注回采速度對(duì)礦壓影響的研究，而關(guān)于合理回采速度調(diào)控方法的研究較少。然而研究回采速度與微震能量釋放關(guān)系，確定合理的回采速度閾值，對(duì)于防治沖擊地壓十分必要，有利于降低大能量事件發(fā)生概率，確保工作面安全高效回采?；诖耍谝延醒芯炕A(chǔ)上，以鄂爾多斯深部礦區(qū)納林河二號(hào)礦井為工程背景，采用文獻(xiàn)分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究沖擊地壓礦井回采速度調(diào)控方法，對(duì)于豐富沖擊地壓防治理論與技術(shù)，以及對(duì)相關(guān)工程實(shí)踐，具有重要的價(jià)值和指導(dǎo)意義。

一、回采速度對(duì)沖擊地壓的影響機(jī)制研究

1.數(shù)值模型的建立

在不同的回采速度下，煤體上方堅(jiān)硬頂板破斷前的懸臂結(jié)構(gòu)有所差異?；夭伤俣仍酱螅c煤層近處的堅(jiān)硬頂板懸臂長(zhǎng)度也越長(zhǎng)。根據(jù)頂板彎曲彈性能理論，懸露長(zhǎng)度可由下式計(jì)算：

式中：q為頂板承受的均布載荷及其自重，MPa；

L為頂板懸露長(zhǎng)度，m；

E為頂板的彈性模量；

J為頂板懸露部分積聚的能量。

由式（1）可知，懸露長(zhǎng)度與巖體內(nèi)部所儲(chǔ)集的彈性能成正比關(guān)系。因此，回采速度越大，煤體上方頂板可能懸露的長(zhǎng)度也越長(zhǎng)，頂板內(nèi)部所儲(chǔ)存的彈性能也越大。當(dāng)懸露巖層無法滿足其自身承載能力時(shí)，懸露巖層會(huì)發(fā)生破斷，釋放大量能量，此時(shí)產(chǎn)生較大動(dòng)載效應(yīng)以波的形式傳遞到工作面上，對(duì)井下工作面的生產(chǎn)帶來巨大的安全隱患。

結(jié)合鄂爾多斯礦區(qū)某工作面地質(zhì)資料確定數(shù)值計(jì)算模型。模型尺寸為：長(zhǎng)X×寬Y×高Z=700m×700m×316m，模型每次開挖2m、4m、6m，分別平衡300、600、900步之后再進(jìn)行下一次開挖。通過模型中不同開挖過程中時(shí)間步大小來模擬應(yīng)力的變化過程以及能量的釋放規(guī)律，進(jìn)而解釋不同開采強(qiáng)度對(duì)沖擊顯現(xiàn)的影響程度。

2.不同回采速度下頂板應(yīng)力演化規(guī)律

建立模擬云圖，如圖1、圖2所示。由圖1、圖2可以看出，當(dāng)開挖量保持相同時(shí)，平衡時(shí)間步越長(zhǎng)，則煤層垂直應(yīng)力也越大。通過對(duì)不同開采強(qiáng)度條件下垂直應(yīng)力的對(duì)比分析可以看出，當(dāng)平衡時(shí)間步相同時(shí)，開采強(qiáng)度越大，相應(yīng)的煤層垂直應(yīng)力也越高，上升的幅度也越大?；谝韵氯M模擬云圖的對(duì)比可以看出，若單次開挖強(qiáng)度越大，平衡時(shí)步越大，則煤層的垂直應(yīng)力也越高。

圖1 一次開挖2m 后垂直應(yīng)力云圖

圖2 一次開挖4m 后垂直應(yīng)力云圖

3.不同回采速度下頂板能量釋放演化規(guī)律

繪制不同開挖方案下總能量、最大總能量與時(shí)間步關(guān)系如圖3所示。由圖3（a）、（c）可以看出，當(dāng)平衡時(shí)間步相同時(shí)，每次開挖的強(qiáng)度越大，每時(shí)間步內(nèi)所釋放的能量也就越大。據(jù)圖還可知，當(dāng)開挖6m時(shí)，每時(shí)間步的總能量可達(dá)1.6E9J，遠(yuǎn)高于單次開挖量4m的1.3E9J，以及2m的9.0E8J，這說明每時(shí)間步內(nèi)開挖量越大，圍巖內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性能釋放越強(qiáng)烈。由圖3（b）、（d）可以看出，當(dāng)平衡時(shí)間步相同時(shí)，每次開挖的強(qiáng)度越大，每時(shí)間步內(nèi)所釋放的最大能量也越大。因此，減緩開挖強(qiáng)度可有效降低圍巖彈性能的釋放。

圖3 不同開挖方案下總能量、最大總能量與時(shí)間步關(guān)系圖

二、回采速度與工作面能量釋放的關(guān)聯(lián)性分析

1.大煤柱工作面回采速度與能量釋放關(guān)系

以納林河二號(hào)礦井31103-1工作面為工程背景統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制每日回采速度及能—頻差異系數(shù)整體分布，如圖4所示。由圖4分析可知：從整體來看，每日回采速度越高，每日能—頻差異系數(shù)越高；能—頻差異系數(shù)越高，表明當(dāng)日低頻高能特征越明顯，易出現(xiàn)動(dòng)載誘發(fā)動(dòng)力顯現(xiàn)的可能。31103-1工作面動(dòng)力顯現(xiàn)頻繁區(qū)段，回采速度越大，當(dāng)日能—頻差異系數(shù)均值越大，超過+0.1（強(qiáng)）的天數(shù)占比也最大；能—頻差異系數(shù)越大，表明當(dāng)日動(dòng)載沖擊風(fēng)險(xiǎn)越大。因此控制回采速度有利于當(dāng)日微震事件由低頻高能向高頻低能轉(zhuǎn)換，有利于降低動(dòng)載擾動(dòng)。

圖4 回采速度與每日能—頻差異系數(shù)關(guān)系圖

2.小煤柱工作面回采速度與能量釋放關(guān)系

統(tǒng)計(jì)繪制每日推進(jìn)速度與能—頻差異系數(shù)均值、超過+0.1（強(qiáng)）的天數(shù)占比關(guān)聯(lián)性分析圖，如圖5所示。分析圖5可知：工作面回采速度越大，當(dāng)日能—頻差異系數(shù)均值越大，超過+0.1（強(qiáng)）的天數(shù)占比也最大；能—頻差異系數(shù)越大，表明當(dāng)日動(dòng)載沖擊風(fēng)險(xiǎn)越大，故控制回采速度有利于當(dāng)日微震事件由低頻高能向高頻低能轉(zhuǎn)換。

圖5 每日推進(jìn)速度與能—頻差異系數(shù)均值及超過天數(shù)占比關(guān)系

綜上所述，回采速度與微震事件的能量與頻次均呈正相關(guān)關(guān)系，即回采速度越大，工作面現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的情況越嚴(yán)重。

三、沖擊地壓礦井合理回采速度調(diào)控方法

納林河二號(hào)礦井已回采工作面中，31103-1工作面雙見方段采用大煤柱+大直徑+超前支護(hù)，31103-1工作面爆破段采用大煤柱+大直徑+超前支護(hù)+頂板預(yù)裂爆破。31103-2工作面采用大煤柱+大直徑+超前支護(hù)+頂板爆破。31120工作面采用小煤柱+大直徑+超前支護(hù)+頂板爆破。31104工作面采用小煤柱+大直徑+超前支護(hù)+頂板爆破+頂板定向水力壓裂。根據(jù)已回采工作面回采速度分析，提出不同卸壓措施條件下回采速度初值。

基于以上分析，明確納林河二號(hào)礦井各回采工作面回采速度需根據(jù)工作面采取的卸壓措施選取合理的初值，根據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警情況動(dòng)態(tài)調(diào)整回采速度，其調(diào)控原則及方法如下：

一是沖擊地壓礦井合理回采速度的確定需要堅(jiān)持“一礦一策、一面一策”的基本原則，不同礦井、同一礦井不同回采工作面、同一礦井同一回采工作面的不同回采區(qū)域均應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整回采速度，出現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)分析調(diào)整，工作面應(yīng)盡量保持平穩(wěn)采掘，停產(chǎn)復(fù)采應(yīng)實(shí)現(xiàn)“軟啟動(dòng)”。

二是在工作面見方等強(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，選擇動(dòng)載擾動(dòng)最小的回采速度作為安全回采速度。

三是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。

四是頂板預(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(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，并非可以無限制提高回采速度，依然需注意對(duì)回采速度的合理管控，最大回采速度不宜超過本礦井存在動(dòng)力顯現(xiàn)、沖擊地壓事故回采工作面的安全回采速度。

五是工作面短期停產(chǎn)與復(fù)采期間，微震事件恢復(fù)平穩(wěn)存在一定滯后性，納林河二號(hào)礦井為2～4天，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天內(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始推進(jìn)，并保持該初始速度2～4天。

六是采煤機(jī)停機(jī)3.5h后，微震能量釋放趨于平穩(wěn)，動(dòng)力顯現(xiàn)后進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)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)，在微震事件頻次能量明顯降低并平穩(wěn)后進(jìn)入限員區(qū)域。

四、結(jié)論

通過數(shù)值模擬研究了不同回采速度下頂板應(yīng)力演化及能量釋放規(guī)律，得到了回采速度與工作面能量釋放的關(guān)系，系統(tǒng)研究了沖擊地壓礦井回采速度與沖擊顯現(xiàn)之間的關(guān)聯(lián)性，并結(jié)合礦井實(shí)際生產(chǎn)情況提出了針對(duì)性的回采速度調(diào)控方法，確保了工作面安全高效開采。