单县煤田深井构造区工作面回采速度与微震响应关系

2022-11-05张欣荣何国志刘继功

山东煤炭科技 2022年10期

张欣荣何国志刘继功

（1.山东能源集团防冲中心，山东济南 250061；2.山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博 255000；3.单县能源有限责任公司，山东菏泽 274000）

冲击地压是煤岩体瞬间剧烈失稳并释放大量能量的动力现象[1-3]。随着煤矿向深部开采，冲击地压矿井越来越多，而深部构造区应力分布异常，开采过程中极易出现应力集中，深部构造区冲击地压事故频发且危害巨大。当前矿井防冲的重点之一是对冲击危险的监测和预警，微震监测是冲击地压领域最先进和有效的手段之一[4]。微震是岩层运动和岩体震动的结果，能够反映岩层能量释放情况，微震特征被广泛作为冲击危险预测的指标。推采速度与覆岩运动规律存在联系，微震监测系统响应特征能够对覆岩空间结构进行较充分的解释，推采速度的变化也将引起微震时间状态的显著不同。

陈蛮庄煤矿开采深度已超过千米，受区域断层单县断层、平楼断层以及终兴集断层的影响，主要发育有近EW、NE 和NW 三组倾向断层，台阶状向深部逐渐下降。西部、北部、东部的深部边界多以单县断层、F2 断层、平楼断层为主，井田构造较为发育。

本文结合陈蛮庄煤矿3410 回采工作面微震监测结果，分析深井复杂构造区工作面回采速度与微震的响应关系，合理确定推采速度，有效防治冲击地压灾害。

1 工程概况

矿井3410 工作面位于3 煤层千米以深的构造区内，区域煤田被大型断层构造包围，构造应力条件较复杂。工作面埋深1 149.0～1 193.8 m，倾向长162.2 m，推采长度1 564.6～1 581.8 m，采用智能化综采一次采全高走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板。3 煤层倾角6°～12°，平均8°，煤厚0.8～3.4 m，平均2.8 m，f=0.18。煤层直接顶为厚度5.2 m 的细砂岩，基本顶粉砂岩厚度10 m，直接底泥岩厚度1.5 m，基本底粉砂岩厚度12.3 m。如图1，工作面南临3408 工作面采空区，面内有较大范围的煤层相变带。区域历史地表岩移监测显示，地表沉降最大值为2.69 m，开采中心区域沉降值均大于1.5 m，上覆岩层随工作面开采垮落较充分。

图1 3410 工作面平面布置

经煤岩层冲击倾向性鉴定，3 煤层属于Ⅱ类，具有弱冲击倾向性。在大采深、复杂构造条件下，3410 工作面存在较大冲击风险，在工作面布置微震监测系统，对微震监测结果和推采速度间的关系进行分析研究，有助于工作面合理推进速度的确定，为冲击地压防治提供有效依据。

2 微震监测结果分析

2.1 微震事件空间分布特征

3410 工作面在2020 年6 月11 日至2020 年11月25 日回采期间处于一侧采空状态，同时连续过煤层相变带。该区域煤层应力状态较复杂，微震平面投影如图2 所示。受覆岩空间结构影响，微震事件在空间上集中于采空区一侧，相变带内微震事件集中分布较明显，其中临近和过第一处大型相变带时微震响应强烈，之后停采20 d，10 月上旬恢复开采后微震事件发生较平稳。根据微震事件分析，工作面侧向支承应力影响范围约50 m，超前支承应力影响范围约300 m，其中面前200 m 为应力影响较明显的范围。对微震事件空间分布特征分析可知，煤层相变带内应力分布异常，导致顶板发生不规则集中断裂、回转，微震事件分布较集中，同时“S”型覆岩结构导致岩层趋向采空区侧发生断裂，释放出较大能量，相变带的沿空侧巷道受动载影响较大，在千米埋深的高静载条件下冲击风险较大。

图2 微震平面投影示意图

根据微震监测数据统计得到图3。期间共发生971 次微震事件，平均5.8 次/d，1.00E+02J 级别的108 次，1.00E+03J 级事件863 次，微震频次和微震能量变化趋势拟合性较好，未发生大能量预警值事件，期间推采速度约0～1.8 m/d。

图3 微震监测结果和推采速度关系曲线

将3410 回采工作面的微震监测数据导入IBM SPSS Stastics 数据分析软件，采用皮尔逊系数对推采速度和微震响应关系进行分析。结果显示回采速度与单日微震事件数量、单日最大微震事件能量及单日微震事件总能量均有显著正相关性，见表1。

2.2 微震事件时间分布特征

顶板断裂一般发生在工作面前方，回采工作面顶板结构特征如图4 所示。基本顶岩块成铰接结构，覆岩破断释放弹性能和施加至煤体的重力势能是煤层冲击的主要能量源，当推采速度过快，覆岩结构的应力和能量未充分调整，连续高强度开采势必造成应力和能量集中达到结构极限，进而诱发冲击灾害。由图3和表1可知，3410工作面日最大微震能量、日微震总能量、日微震事件数量与推采速度有较好的关联性，推采速度的增大和降低会引起微震事件和数量的显著增多或减少，总体上呈现出正相关性。

图4 回采工作面顶板结构特征

表1 相关性分析

结合前述分析对微震事件的时间特征进行分析，3410 工作面在6 月11 日之后开始进入相邻采空区影响范围，现场降低推采速度至0～1 m/d，至7 月7日左右工作面完全进入采空区，期间微震事件频次和能量较低。因进入采空区引起的覆岩结构调整较大，覆岩突破运动与平衡边界时间较长，微震事件增加相对推采速度的升高表现出明显的时滞性。

7 月9 日至9 月17 日连续推采，微震和推采速度表现出较强的正相关性和时滞性，随基本顶周期性垮落，微震事件也呈现出一定的周期性，在超前支承应力影响下工作面远处的大规模相变带内监测到大量微震事件。7 月15 日—7 月21 日期间以1.8 m/d 的速度匀速开采，微震数量随时间推移呈线性增长，日均微震频次达15 次，单日微震事件总能量均值为18 165.65 J。其中，7 月20 日共发生33次微震事件，单个微震能量达到峰值，经过5 d 推采，基本顶发生较大规模周期性垮落，在煤层相变带的异常影响下，顶板破断释放大量能量，此时高动静载叠加易造成冲击事故。因此在临近相变带时应加强微震监测分析，当微震能量和频次出现不规则的明显降低时顶板能量积聚增大，应降低推采速度且匀速推过。7 月21 日—9 月4 日期间回采速度波动较大，微震亦呈现出较大波动，大幅降速或停采后恢复生产则极易发生大能量事件，冲击风险较大。

9 月7 日—9 月18 日工作面出不规则相变带，推采过程中接近第一处大型相变带，随后工作面停采，期间覆岩发生小规模调整，监测到微震发生。10 月10 日复工后以1.8 m/d 的速度匀速推采，微震事件周期性较明显，此时微震表现出明显的时滞性，在不同周期总体微震能量逐渐升高，且在出现微震能量和频次明显降低后的第5 天左右出现大能量事件。

2.3 现场推采速度调整

采煤卸荷导致采场覆岩结构、应力和能量达到平衡状态需要一定时间，因此表现出明显的滞后性。当工作面以匀速回采时，微震事件变化幅度较小，滞后性不明显，顶板弹性能积聚程度小，因此在回采期间应尽可能减小推采速度波动。

根据前期生产经验，现场3410 工作面推采过联络巷后大幅降低推采速度，2021 年3 月至11 月保持匀速推采，3 月最大推采速度约1.8 m/d，共推采约250 m，整体平均推采速度在1.0 m/d，期间未发生大能量微震预警事件，覆岩未发生高强度剧烈运动；局部钻屑法、应力在线监测未超过预警指标；未发生支架严重破坏、巷道大变形、锚杆脱锚等明显矿压显现，实现了安全开采。末期监测到微震事件能量小且分布均匀，如图5。