工作面推进速度对微震事件的影响分析

2022-07-23田晓兵张怀忠

陕西煤炭 2022年4期

邓天，田晓兵，张怀忠，董哲

(陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西咸阳 713600)

0 引言

冲击地压是井工煤矿开采过程中发生的一种极端矿压灾害[1-2]，我国有记载的最早冲击地压灾害发生于1933年，早期主要发生于工作面和巷道，由于工作面液压支架支护性能大幅提升，且释能空间充沛。近年来冲击地压多发生于巷道，冲击显现时巷道两帮煤岩体或者底板突然发生大量变形、甚至有出现煤岩体向外抛出的现象，该动力现象发生时常且伴随巨大响声，极端情况下一段长度的巷道完全闭合，可能会对井下的工作人员安全造成巨大的伤害，也会带来严重的心灵创伤，同时对布置在巷道两旁内的管线、设备都造成巨大损失，影响井下煤炭资源的正常生产[3-4]。近年来，大量学者对冲击地压开展了深入的研究，从冲击地压致灾机制、监测预警和防冲减危措施等方面均取得了大量先进成果[5-7]，形成了一大批优秀的成果，如冲击地压三因素理论[8]、动静组合致灾理论[9-10]、扰动响应失稳[11]等致灾机理，为保障我国冲击地压矿井的安全回采提供了坚实的基础。

对于生产单位而言，在大量的与冲击地压斗争的过程中积极总结成功经验，分析失败的原因，为现场冲击地压的防治提供第一手的现场资料，为冲击地压的研究提供详实的数据支撑[12]。据现有研究表明，冲击地压的发生与生产条件息息相关，与工作面所处的位置有直接的关系，如深部开采、孤岛工作面、强冲击倾向性煤层、断层等地质构造区、煤层厚度、开采工艺、工作面推进速度、不合理煤柱留设等[13-16]，这些开采条件都会在一定程度上诱发冲击地压灾害。陕西胡家河煤矿生产过程中多次受到冲击地压灾害的影响，以401111工作面为研究背景，主要通过分析回采速度对工作面微震事件的影响，确定不同冲击危险区域内合理的推进速度，为其他工作面甚至其他类似条件矿井工作面回采速度的确定提供一定的参照。

1 工程背景

胡家河煤矿位于陕西省咸阳市西北部，矿区处于陇东黄土高原东南部，井田范围内赋存一走向N50°—70°E、倾向NW—NNW的单斜构造，局部地区断层赋存较多。矿井采用立井单水平开拓，3条井筒，井下开拓在煤层布置5条大巷，1条带式输送机大巷、2条辅助运输大巷、2条回风大巷。全井田共划分8个盘区，其中4号煤5个盘区，3号煤3个盘区。目前胡家河煤矿采掘工作面主要布置在大巷南北两翼，其中南翼为401盘区，北翼为402盘区。401111工作面是彬长胡家河矿井在401盘区布置的第5个工作面，该工作面东侧为401101工作面采空区(401101回采工作面为胡家河煤矿第1个回采工作面，该工作面全长1 563 m，倾向175 m，两侧均为双巷布置，已回采完毕)，南侧为矿井边界保护煤柱，西侧为矿井三下开采区(未设计开采)，北侧为中央大巷保护煤柱。

从401111工作面周边钻孔资料以及401101巷道掘进过程中揭露的煤层资料分析，该工作面4号煤层(黑色，半亮型，沥青光泽，层状构造，条带状结构，贝壳状或阶梯状断口，视密度为1.36 g/cm3)，赋存稳定，煤层近乎水平，厚度15.0～27.0 m，平均厚度约24 m，上分层平均可采厚度13.5 m，煤层结构简单，一般含2层夹矸，赋存较为稳定，夹矸位于煤层的中上部，夹矸厚度一般小于0.3 m。此外，在煤层中常伴随有垂直节理、裂隙发育，裂隙中充填有2 cm×5 cm的方解石岩脉。煤层底板埋深539～668 m，总体趋势从工作面北侧向切眼先减小再增大，再减小再增大，距离中央一号回风大巷约200 m处底板埋深约539 m，然后逐步变深，距离中央一号回风大巷约1168 m处底板埋深约668 m，然后逐步变浅，之后再逐渐变深。煤层底板标高+340～+356 m，总体趋势从工作面北侧向切眼先降低再升高，再降低再升高，其中在A3向斜轴部附近为最低，最高处为切眼附近。401111回采工作面采用倾斜长壁分层综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。工作面回采煤层厚度13.5 m，其中割煤设计高度3.5 m，放顶煤高度10.5 m，设计采放比为1∶3。4号煤层的直接顶为较易冒落的粉砂岩、砂质泥岩，厚度在8 m左右，岩石饱和抗压强度为0.4～25.8 MPa。基本顶为中砂岩、粗砂岩，其饱和抗压强度为6.7～17.2 MPa。伪底主要以炭质泥岩为主，根据精查地质报告，该层段不作为煤层对待，而按其他分层对待，该层段厚度0.5～0.8 m，一般为0.6 m。直接底为铝土质泥岩，厚度在4.6 m左右，浅灰色，光滑细腻，团块状，含鲕状黄铁矿结核，遇水极易软化，属于不坚硬不稳定型。

2 401111回采工作面冲击危险分析

为了进一步明确401111工作面冲击危险性，特委托煤科总院北京开采研究所开展相关研究，对4号煤层及其顶、底板岩层进行冲击倾向性鉴定，结果表明4号煤层具有强冲击倾向性、顶板具有弱冲击倾向性、底板无冲击倾向性。对401盘区冲击危险指数进行评价，得到401盘区地质因素影响下冲击地压危险指数为0.86，开采因素影响下冲击地压危险指数为0.52，取最高等级，综合评价结果为具有强冲击危险性。

接下来从开采深度、煤层冲击倾向性、地质构造、区段煤柱和顶板岩层结构特点等方面对401111工作面的冲击地压危险影响因素进行了分析，认为401111工作面开采深度539～668 m，平均埋深634.9 m，超过了彬长矿区的冲击地压临界深度，该水平将对该工作面冲击危险性产生较大影响。401111工作面所回收的4号煤层具有强冲击倾向性。胡家河煤矿的地应力总体上呈现水平应力占主导的规律(最大水平主应力33.87 MPa。401111工作面走向呈南北，与主应力方向呈近似垂直，主应力对整个工作面掘进期间的影响比较明显；401111工作面采用单巷U型布置，煤柱宽度38～62 m，煤柱应力很高，掘进期间煤层应力较大；4号煤层上方有厚度超过10 m的强度较大的粗粒砂岩顶板，易在采空区上方形成悬顶，且该类型顶板垮断时产生剧烈动载扰动，导致冲击危险性升高。

基于上述分析可知，胡家河401111工作面回采期间整体上承受较高等级的动载荷和静载荷，且冲击危险指数表明地质因素影响是401盘区的主要影响因素，而开采因素影响程度相对较小。虽然401盘区冲击危险等级取决于地质因素，401盘区开采过程岩层活动剧烈程度、推进度及解危效果等动态因素影响，局部区域或时期冲击危险等级可能发生转变。

3 回采速度对微震事件分布影响分析

在不同推进速度条件下，回采巷道围岩应力演变差异很大，从而导致巷道围岩变形程度以及巷道围岩煤岩体应力重新分布特征发生较大的改变；其次，回采速度较快时，也会影响工作面上方坚硬顶板的垮落形态，改变覆岩空间结构，更容易在工作面上方形成能够集聚较大能量的高危结构。因此以微震事件的集聚特征对回采速度进行分析，最终确定合理的推进速度对于巷道冲击地压的防治有着积极的作用。

3.1 回采速度统计

401111工作面于2020年3月20日开始生产，2021年5月31日回采完毕，历时14.3个月，回采长度1 377 m，每月推进速度统计如图1所示。分析图1可知，在2020年3月的工作面进尺为31.4 m，这是由于该月回采时间较短(10天)，整体来看401111工作面回采速度为98.64 m/月，平均日进尺为3.25 m/d。

图1 401111回采工作面月回采速度Fig.1 Monthly mining speed of 401111 working face

3.2 微震事件时空分布特征

对401111工作面回采以来不同等级微震事件进行分析，结合401111工作面冲击危险区域划分结果，可以看出401111工作面经历了2个阶段，第1阶段为回采里程0～360 m范围内为中等冲击危险区域，第2阶段为回采里程360～1 377 m范围内为强冲击危险区域。

结合现场实际生产活动，401111工作面中等危险区域对应回采时间为2020年3月30日至2020年7月10日，回采里程对应0～360 m，统计分析该时间段内的总能量、频次、日进尺，可以得出如图2所示的日进尺、能量、频次关系图。这一区间进尺基本平均3.2 m/d，微震事件频次平均在12.7次/d。由上述两图可知，进尺平均在3.2 m/d或者4.0 m/d时能量的释放是比较稳定的，进尺的突然降低或者升高会对微震事件的发生产生一定的影响。如2020年4月份推采进尺115.3 m，发生震动事件399次，总能量为1.4×105J，其中101J能级震动209次；102J能级震动173次；103J能级震动29次，单次释放最大能量6.1×103J。2020年5月份推采进尺95.4 m，发生震动399次，总能量1.4×105J。其中101J能级震动183次，102J能级震动191次，103J能级震动25次，单次释放最大能量5.8×103J。2020年6月份推采进尺58.3 m，发生震动281次，总能量1.7×105J。其中101J能级震动148次，102J能级震动98次，103J能级震动34次，单次释放最大能量8.8×103J。对比表明随着开采速度增加，不同等级的微震事件数量有一定增加，但是并未出现大能量事件。考虑以往402103工作面、401105工作面、402102工作面中等冲击危险区域不超过6.0 m/d，平均控制在5.6 m/d为宜，应根据实际情况适当调整推采进尺，保持匀速推采是重要的控制手段之一。

图2 401111工作面日进尺、能量、频次关系(回采里程0～360 m)Fig.2 Relationship between daily footage， energy and frequency of 401111 working face(mining mileage 0～360 m)

结合现场实际生产活动，401111工作面强冲击危险区域对应回采时间为2020年7月11日至2021年5月31日，回采里程对应360～1 377 m，统计分析该时间段内的总能量、频次、日进尺，可以得出该阶段内进尺、能量、频次时间曲线如图3所示。整体分析可知，2020年7月份推采进尺120 m，发生震动732次，总能量5.2×105J。其中101J能级震动318次，102J能级震动281次，103J能级震动133次，单次释放最大能量5.66×103J。2020年8月份推采进尺100.3 m，发生震动1 032次，总能量6.3×105J。其中101J能级震动398次，102J能级震动503次，103J能级震动131次，单次释放最大能量9.9×103J；2020年9月份推采进尺110.8 m，发生震动925次，总能量8.1×105J。其中101J能级震动287次，102J能级震动426次，103J能级震动212次，单次释放最大能量9.5×103J。2020年10月份推采进尺110.2 m，发生震动930次，总能量9.9×105J。其中101J能级震动248次，102J能级震动537次，103J能级震动273次，单次释放最大能量9.3×103J。2020年11月份推采进尺86.9 m，发生震动1 113次，总能量1.0×106J。其中101J能级震动278次，102J能级震动555次，103J能级震动280次，单次释放最大能量8.8×103J。2021年1月份推采进尺88.6 m，发生震动1 050次，总能量1.0×106J。其中101J能级震动294次，102J能级震动491次，103J能级震动265次，单次释放最大能量9.9×103J。2月份推采进尺90.8 m，发生震动794次，总能量5.0×105J。其中101J能级震动284次，102J能级震动370次，103J能级震动140次，单次释放最大能量9.0×103J。5月份推采进尺63.3 m，共发生震动720次，总能量2.9×105J。其中101J能级震动336次，102J能级震动326次，103J能级震动58次，单次释放最大能量8.4×103J。401111工作面回采过程中2020年8月、2020年9月、2020年11月、2021年2月出现了明显的不规律性，据分析主要是2020年8月、9月工作面推采至二次“见方”及A1向斜影响区域，2020年11月推采至3次“见方”影响区域，由此可以说明在特殊开采阶段或者遭遇地质构造区需要合理优化回采速度保障安全。

图3 401111工作面日进尺、能量、频次关系图(回采里程360～1 377 m)Fig.3 Relationship between daily footage， energy and frequency of 401111 working face(mining mileage 360～1 377 m)

这一区间平均为3.2 m/d，微震事件频次平均在33.3次/d，由上述两图可知，推采速度突然变化对微震事件的影响较为严重。强冲击危险区域内将速度平均控制在3.2 m/d或者4.0 m/d是合理的。同时结合402103工作面(强冲击危险区域推进速度不大于4.0 m/d)、401105工作面(强冲击危险区域推进速度不大于4.0 m/d)、402102工作面(强冲击危险区域推进速度不大于4.0 m/d)等工作面强冲击危险区域的推进速度进行分析，在401111工作面强冲击危险区域内，日进尺保持在不大于4.0 m/d为宜。