高矿压深井工作面卸压强度在降低工作面冲击危险性中的作用与研究

司雷 宋士康

摘  要：利用微震数据、周期来压步距等对深部高矿压回采工作面不同卸压强度卸压效果进行效果检验，采用大量微震事件，周期来压步距数据为基础，采用理论分析、数据统计、现场实践等研究手段，探寻不同卸压强度在深部高矿压矿井回采工作面生产过程中对降低工作面冲击危险性起到的关键作用，从而合理施工卸压钻孔，优化卸压参数，保证矿井安全生产。研究结果表明：工作面补强卸压区域微震释放总能量、微震频次及来压步距较常规卸压区域均有较大幅度的降低;强卸压手段能够有效的降低工作面微震事件能级与来压步距，从而一定程度上降低工作面冲击危险性。

关键词：卸压参数;微震频次;微震能量;周期来压步距

中图分类号：TD32         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）30-0072-03

Abstract： The effect of pressure relief effect of different pressure relief strength in deep high pressure mining face is tested using microseismic data and periodic pressure step distance， etc.， based on a large number of microseismic events and periodic pressure step distance data. By means of theoretical analysis， data statistics and field practice， this paper explores the key role of different pressure relief strength in reducing the impact risk of the working face in the production process of deep high pressure mining face. Thus， the pressure relief drilling is constructed reasonably， the pressure relief parameters are optimized， and the safety of mine production is ensured. The results show that the total energy released by microearthquakes， the frequency of microearthquakes and the pressure step in the reinforcement and pressure relief area of the working face are greatly lower than those in the conventional pressure relief area， and the strong pressure relief method can effectively reduce the energy level and pressure step of microseismic events in the working face， so as to reduce the impact risk of the working face to a certain extent.

Keywords： pressure relief parameters; microshock frequency; microseismic energy; periodic pressure step distance

高家堡煤矿地质储量9.74亿吨，设计可采储量4.7亿吨，主采延安组4煤层，平均煤厚9.43m。矿井地质条件复杂，具有井深水大、高地压、高地温、高瓦斯、高承压水、软岩、煤层易自燃等自然灾害。针对矿井回采工作面不同卸压方案导致矿井微震事件发生、周期来压步距、应力分布无明显规律制约生产的现状，因此探寻不同卸压强度在深部高矿压矿井回采工作面生产过程中对微震事件发生、周期来压步距、降低工作面冲击危险性起到的关键作用，从而合理施工卸压钻孔，优化卸压参数，保证矿井安全生产。

1 工作面概況

1.1 工作面位置

204工作面为二盘区第四个工作面，位于二盘区西翼。该面东部和南部为203工作面采空区，204和203工作面之间留有7m煤柱;北至四条开拓大巷（西区辅助运输大巷、西区1#回风大巷、西区2#回风大巷、西区胶带大巷）。204工作面走向长1450m，倾斜宽200m。

1.2 煤层概况

204工作面所采煤层为侏罗系中统延安组4煤，根据勘探钻孔及附近巷道实际揭露煤层厚度在5.9～15.0m之间，该面平均厚度为10.99m，普氏硬度系数f=0.98。

1.3 煤岩冲击倾向性鉴定

2014年7月，经煤科总院北京开采研究所岩石力学实验室鉴定，高家堡矿井4煤层（包括上分层、下分层）单轴抗压强度分别为20.47MPa、18.18MPa，动态破坏时间分别为278.40ms、303.40ms，弹性能量指数分别为13.36、11.54，冲击能量指数分别为3.20、2.98，属于Ⅲ类，为强冲击倾向性煤层;4煤层顶、底板岩层弯曲能量指数分别为54.52kJ和20.08kJ，均属于Ⅱ类，为弱冲击倾向性岩层。

1.4 其它情况

（1）煤尘：有煤尘爆炸性，煤尘爆炸指数48.65%。

（2）瓦斯：根据咸阳市煤炭局2015年6月下发的《关于2014-2015年度矿井瓦斯等级鉴定结果的通知》，矿井的绝对瓦斯涌出量为1.54m3/min。

（3）自燃发火：属自燃煤层，自燃发火期37天。

（4）地温：井田平均地温梯度为3.18℃/100m，其中非煤系地层平均为1.93℃/100m，煤系地层平均为4.23℃/100m。

综上所述，高家堡煤矿开采深度大、地质构造发育、顶板水丰富，冲击显现强度大，因此，基于回采工作面微震数据，周期来压步距研究工作面开采强度与卸压力度间的关系尤为重要，为工作面优化卸压参数、制定防冲方案提供数据支撑。

2 回采工作面卸压效果分析

为探析204工作面防冲工程卸压效果，拟采取微震数据、来压步距、卸压力度等方向进行探讨，选定主采工作面微震勘探范围，其中范围上边界距工作面运输顺槽约200m，下边界距工作面回风顺槽约240m（考虑到临空侧影响）。卸压工程选定2019年05月至2020年05月时间内，工作面回采区域的防冲工程进行分析。

2.1 工作面卸压工程汇总

统计各回采月份内卸压工程。由数据可知，2019年10月及以后回采区域的卸压强度明显高于前期，同时此区域内相应卸压时间短，卸压时效性强，见表1。

2.2 卸压效果分析

2.2.1 微震数据分析

图1为工作面开采时间与微震频次、微震总能量关系图，由图可知，随着工作面开采，微震日频次、日释放总能量整体上可划分多个区域：恢复生产初期区、常规卸压区、补强卸压区。

恢复生产初期区：2019年5月至6月中旬时间段，此阶段受微震数据收集不全等因素，整体上呈现低频低能现象，加之工作面长时间停采因素，工作面煤岩应力趋于稳定，回采初期煤岩运动相对较轻。

常规卸压区域：2019年06月中旬至2019年09月，此阶段内微震释放总能量明显增高，排除数据收集较全因素外，此阶段内工作面经过一个多月的恢复生产稳定期，覆岩运动加强，加之回采区域位于向斜翼部，逐渐向轴部移近，地质构造的存在，进一步加强工作面应力集中程度。

补强卸压区：2019年10月至2020年03月，此阶段内工作面实施了二轮补强卸压工程，此阶段除10月份微震总能量相对较高，其余月份微震能量处于较低水平，微震频次处于较高水平，表明能量多以小能量事件释放。10月份能量较高是因为此时间内工作面回采至向斜轴部，加之工作面泄水巷的存在，两因素造成工作面回采时应力集中程度的增高，从而增大能量的释放。

对比常规卸压区与补强卸压区微震数据分析可知，常规卸压区内微震释放总能量高，微震频次低;而补强卸压区内微震释放总能量低，微震频次高。表明补强卸压区内能量释放多以小能量事件为主，由此可初步推断补强卸压起到了卸压效果，卸压工程破坏了煤岩体完整性，降低了其积聚弹性能的能力。

进一步分析，常规卸压区域回采时，工作面处于向斜翼部（俯采），补强卸压区（去除10月回采区域位于轴部），工作面也处于向斜翼部（仰采），二者在微震能量、频次上均有较大差别，进一步表明了强卸压的效果性。

2.2.2 来压步距数据分析

截止2020年5月31日，204工作面共计周期来压51次，来压步距变化如图2所示。由图可知，常规卸压区域周期来压步距平均约22.5m，而补强卸压区域平均来压步距约15.2m，缩短了约32.4%。由此观之。补强卸压降低了工作面来压步距，进一步降低了覆岩运动释放的能量级别（微震数据反映）。因此，从来压步距上可以看出补强卸压后，整体卸压效果良好。

3 主要结论

（1）工作面微震事件发生频次与能量和卸压强度一定程度上存在正相关关系。微震事件发生频次与能量的变化趋势在一定程度上可以反映工作面应力集中程度，为工作面提前采取卸压解危措施提供参考依据。

（2）通过工作面回采期间微震监测数据、工作面来压步距分析可知，工作面补强卸压区域微震释放总能量、微震频次及来压步距较常规卸压区域均有较大幅度的降低。

（3）针对工作面地质及开采条件，强卸压手段能够有效的降低工作面微震事件能级与来压步距，从而一定程度上降低工作面冲击危险性。

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