区域多工作面协调开采防治冲击地压实践研究

2023-03-27李一哲李云鹏管新邦赵善坤郝其林许士奎

煤矿安全 2023年2期

李一哲，秦凯，王寅，李云鹏，管新邦，赵善坤，郝其林，许士奎

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.河南大有能源股份有限公司，河南义马 472300；4.鄂托克前旗长城五号矿业有限公司，内蒙古鄂尔多斯 016200）

未来我国煤炭基地的建设朝着多矿区、特大型矿井、高产量、高效率的方向发展。矿区多矿井对煤炭资源逐步开发过程中，难以避免会形成近距离多工作面开采的状态，由此造成了工作面之间的开采扰动。工作面受原岩应力、自身的采动应力和外界强扰动应力的影响，有可能发生冲击地压、冒顶、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害[1-3]。

针对既定的矿区，对某一区域内多工作面开采时，应充分考虑工作面布置位置、接替顺序及回采参数，工作面之间的紧密配合是矿井稳定、安全生产的基本保证[4]。区域工作面数量多、位置集中将造成区域应力扰动强烈、危险程度升高的局面；工作面过少、推进速度过慢将会造成开采效率不足、生产成本增加。因此，必须根据安全生产方针和矿井生产规模，安排合理的采煤工作面开采顺序和回采参数，保持协调的区域开采关系。针对不同地质条件下的矿区（井）协调开采设计，归纳起来包括以下几方面：①褶皱内部工作面由向斜至背斜方向进行回采[5]；②控制回采速度使其不超过存在动力显现工作面的安全速度[6]；③临地堑开采的工作面采高应低于6 m，保护煤柱宽度应大于50 m[7]；④大巷由煤层布置改为岩层布置，巷道与大巷呈一定角度改为二者垂直布置，盘区两翼开采改为一翼开采，各盘区工作面交替开采，同一采区工作面顺序开采[4]；⑤巨厚砾岩[8-9]、断层[8-11]、褶曲[12]条件下，开采煤层上下保护层；⑥巨厚坚硬岩层下方工作面实施负煤柱巷道布置[13-15]。

目前有关于协调开采防冲方法的研究，一方面更多关注单一工作面的合理布置对防冲的影响，少有涉及从多工作面之间应力互扰控制的角度开展冲击地压防治。另一方面，工作面协调开采的布置方式和回采设计参数单一，针对布置工作面的地质条件，以及工作面之间的距离、煤柱宽度等体系化参数的研究较少。为此以义马矿区为例，基于相邻工作面协调开采防冲的原则及地质因素和开采因素取值，在跃进煤矿和常村煤矿井间区域制定了协调开采方案，通过微震评价了协调开采对工作面之间应力扰动的弱化效果。

1 工程背景

义马矿区经数十年开采，目前杨村煤矿已退出，其余四矿采深已接近或超过900 m，矿区深部煤层顶板赋存发育至地表或接近地表的厚度300～700 m的巨厚砾岩，矿区南部的井田边界存在控制4 个煤矿的大型逆冲断层，使得冲击地压成为该矿区的主要灾害之一。矿区构造分布及开采特征如图1。

图1 义马矿区构造分布及开采特征Fig.1 Structure distribution and current mining situation of Yima Mining Area

跃进煤矿与常村煤矿之间煤炭开发过程中，区域近距离的多工作面布置会造成强开采互扰现象，由此面临如何对多工作面合理布置的问题，井间开采特征如图2。

图2 井间开采特征Fig.2 Current mining situation of two coal mines

1.1 区域地质特征

该区域煤层倾角平均12°。由西向东煤厚逐渐增大，跃进23 采区和常村21 采区平均煤厚分别为6.7、7.9 m。煤层上半部以半亮型块状硬质煤为主，煤质较好。下半部以半暗型煤为主，夹矸1～4 层，夹矸单层厚度0.03～1.30 m。

基本底为泥岩、砂岩和砾岩互层，厚度29.7～36.2 m；直接底为炭质泥岩，厚度4.0～7.9 m；伪顶为泥岩，厚度0.05～0.20 m；直接顶为泥岩，厚度22.0～32.6 m；基本顶为砂砾互层，厚105 m 左右；基本顶上方巨厚砾岩层厚350～650 m。其中，泥岩：深灰色～灰黑色，致密，块状构造，含植物化石，裂隙和节理较发育；砂岩：灰色，以石英岩为主，含黏土质，泥质胶结，夹细砂岩条带状裂纹，显示波状及浑浊状层理；砾岩：浅灰色，砾石主要成分为浅灰色石英砂岩，泥砂质基底式胶结；巨厚砾岩：砾石成分较杂，以石英砂岩、石英岩为主，含火成岩、石灰岩砾石，砾径一般为3～10 cm，砖红色砂泥质胶结物。

1.2 区域开采特征

跃进23 采区共布置10 个工作面，23070 工作面回采完毕后，23090 和23110 工作面下分层3.7 m煤层以及23130 工作面南部6.7 m 实体煤未开采。常村21 采区共布置21 个工作面，21220 工作面回采完毕后，21141 和21161 工作面下分层4 m 煤层以及21220 和21150 工作面南部8 m 实体煤未开采。井间23070-21220 煤柱宽度最大为140 m，北部23010-21162-21180 拐角煤柱宽度最小为77 m；下山区域21162-21132 煤柱宽度最大为460 m，南部21170-21200 煤柱宽度最小为250 m。

对于跃进和常村煤矿而言，在矿井生产能力和采区一翼一采煤工作面的政策制约条件下，跃进23采区（单翼采区）可布置1 个回采工作面，常村21 采区（双翼采区）两翼可分别各布置1 个工作面。因此23 采区可接替的工作面为23092、23150、23170 工作面（蓝色标识）。常村21 采区西翼可接替的工作面为21162、21240 工作面（蓝色标识），而东翼仅剩余21170 工作面，确定为东翼的接替工作面。

为了从跃进23 采区的3 个工作面和常村21 采区西翼的2 个工作面中各自选取1 个工作面作为接替开采的工作面，以下对该5 个工作面的不同接替方案展开了对比分析。

2 区域协调开采防冲实践

2.1 相邻工作面协调开采防冲参数

工作面之间的开采扰动表现形式之一为相邻工作面应力转移现象[17]，是指一侧开采后的应力重分布导致另一侧工作面垂直应力升高的现象。应力转移可能诱发工作面冲击地压，因此对相邻工作面之间应力转移的控制是防治开采互扰诱冲的手段之一。

基于数值模拟和相似模拟，以弱化和消除相邻工作面之间的应力转移为目标，得到了义马矿区两相邻工作面的协调开采原则及参数[18-19]：

1）煤层厚度。工作面优先布置在煤层较薄的区域，条件允许时，选择区域应满足煤层厚度≤16 m。当区域煤层厚度均超过16 m 时，所选开采区域应满足煤层厚度≤28 m。

2）巨厚砾岩厚度。工作面优先布置在巨厚砾岩较薄的区域，条件允许时，选择区域应满足其上覆巨厚砾岩厚度≤210 m。当区域巨厚砾岩厚度均超过210 m 时，区域首选的巨厚砾岩厚度临界值上升至320 m，以此类推，优选条件应分别低于365、400、438、517、722 m。

3）中间煤柱宽度。尽量增大两工作面之间的煤柱尺寸，条件允许时，留设的煤柱宽度应超过607 m，否则煤柱宽度应不小于21 m。

4）工作面垂直错距。尽可能增大邻面的垂直错距，条件允许时应满足错距≥248 m。

5）工作面水平距离。尽可能增大后采面回采初期时距先采面的距离，建议后采面由距离先采面的最远处向着靠近先采面采空区的方向回采。

6）工作面与逆冲断层距离。尽可能使工作面远离逆冲断层，工作面与断层的距离不应低于106 m。

2.2 协调开采方案

针对单一工作面的煤层厚度、巨厚砾岩厚度和工作面-断层距离因素，区域各接替工作面的因素特征值见表1。

表1 单一工作面因素特征值对比Table 1 Comparison of characteristic values of the factors in single working face

由表1 可知：对于煤层厚度，5 个接替工作面的煤层厚度均满足小于16 m 的合理范围，但由于23092 和21162 工作面下分层开采导致煤层厚度较小，因而优先选取。

对于巨厚砾岩厚度，23 采区中仅23092 工作面巨厚砾岩厚度低于517 m，21 采区21162 工作面砾岩厚度更小，故优先选择。

对于工作面与逆冲断层距离，23092 和21162工作面分别距离断层较远，且23150 工作面掘进期间发生过17 次剧烈的冲击显现，故优先选择23092和21162 工作面。

针对描述两工作面的煤柱宽度、垂直错距和水平距离因素，区域不同的相邻工作面组的因素特征值见表2。

由表2 可知：对于中间煤柱宽度和两工作面切眼距离，23092-21162 和21170-21162 之间的煤柱宽度更大，故优先选取。

表2 相邻工作面因素特征值对比Table 2 Comparison of characteristic values of the factors in the adjacent working faces

对于垂直错距，除了23092-21240 错距未满足合理范围，其余工作面组均满足，由于常村21 采区两工作面组错距差别不大，但23092-21162 的错距显著，因而优选21162 工作面。

综上所述，区域应选取23092 工作面和21162工作面作为接替面。基于此，分别对23092、21162 和21170 工作面布置并回采。

3 区域协调开采防冲效果评价

3.1 对比方案

为了验证协调开采的效果，首先将跃进-常村井间工作面与耿村-千秋井间工作面（耿村13230 和千秋21221 协调开采程度进行对比，两区域相邻工作面组的因素特征值见表3。其中13230 回采时，21121 已停采8 年，故该邻面水平距离为13230 切眼中部至21121 终采线中部的直线长度。

表3 相邻工作面地质和开采因素特征值Table 3 Characteristic values of geological and mining factors of adjacent working faces between two mines

由表3 可知：13230-21121 工作面组的煤层厚度大，垂直错距和两工作面距离最小；巨厚砾岩厚度和煤柱宽度方面，13230-21121 工作面组与23092-21162 工作面组差别不大，但分别明显高于和低于21170-21162 工作面组。基于协调开采的原则，认为13230-21121 工作面组协调开采程度较低，故对两井间区域应力转移程度进行对比，从而验证协调开采效果。

由文献［17］可知，一侧的煤炭开采或煤体冲击失稳均可能导致应力转移的发生，应力转移特征使用微震表征。应力转移过程中，区域的相邻工作面会在短时间内产生2 个微震事件（每个工作面各1个）。其中，先发生的微震事件由一侧工作面煤岩体破裂产生；后发生的微震事件由应力转移导致的另一侧煤岩体破裂产生，称为引发微震事件。为此，对2种应力转移条件下的冲击特征及微震特征展开深入分析。

3.2 冲击引发应力转移

通过对现场冲击显现记录的统计，跃进-常村23092 和21162 回采期间均无冲击显现事件，21170工作面回采期间共发生12 次冲击显现。跃进-常村井间冲击引发应力转移特征见表4。此外，耿村-千秋井间应力转移特征见表5。

表4 跃进-常村井间冲击引发应力转移特征Table 4 Characteristics of stress transfer induced by rock burst between Yuejin and Changcun coal mines

表5 耿村-千秋井间冲击引发应力转移特征Table 5 Characteristics of stress transfer induced by rock burst between Gengcun and Qianqiu coal mines

由表4、表5 可知：跃进-常村井间区域仅存在3 次由21170 工作面冲击引发的应力转移现象，且3次应力转移均未引发其余工作面冲击，仅引发其余工作面的微震能量释放。因此，从一侧冲击引发另一侧冲击和微震的事件次数而言，跃进-常村井间区域（0 次和3 次）均明显少于耿村-千秋井间区域（4 次和7 次），冲击引发应力转移频次降低57.1%。此外，从引发的微震事件平均能量来看，跃进-常村井间区域微震能量（238 529 J）低于耿村-千秋井间区域微震能量（2 172 484 J）1 个数量级，平均能量值降低89%。上述现象说明区域工作面经协调开采后，井间应力转移的频次和强度明显降低，应力转移弱化效果明显。

3.3 开采引发应力转移

两井间区域引发的微震事件数、引发的微震事件平均能量和引发的微震事件最高能量如图3。

图3 开采引发应力转移频度和强度对比Fig.3 Comparison of frequency and strength of stress transfer induced by mining

由图3 可知，跃进-常村井间区域的2 组工作面的引发微震事件数分别为1 个和28 个，均明显少于耿村13230-21121 的引发微震事件数（46 个），开采引发应力转移频次降低40%；两相邻工作面引发的微震事件平均能量分别为1 100、3 879 J，所有引发事件平均能量值为3 783 J，均低于13230-21121 工作面的微震能量均值（424 280 J）2 个数量级，所有事件平均能量值降低99.1%；且引发的微震事件最高能量分别为1 100、29 616 J，低于13230-21121的微震最高能量（1.7×107J）3～4 个数量级。因此，跃进-常村井间区域的应力转移频次和强度明显降低，说明协调开采对于应力转移强度及频度弱化的效果较为明显。

若区域的应力转移程度越强，则其扰动的煤岩体就越远，故应力转移发生的范围与应力转移程度呈正相关关系。现场可使用两微震事件在水平面上的距离表征应力转移范围[18-19]，两井间区域相邻工作面的应力转移距离特征如图4。

图4 开采引发应力转移范围对比Fig.4 Comparison of distance of stress transfer induced by mining

由图4 可知：跃进-常村井间区域的两相邻工作面的应力转移平均距离分别为605、1 585 m，所有引发事件组的平均距离为639 m，均少于13230-21121 工作面组的应力转移平均距离（1 968 m），应力转移距离减小了67.5%；且最大距离分别为874、1 585 m，亦均明显小于13230-21121 工作面组的应力转移最大距离（2 931 m）。上述现象说明协调开采对于应力转移范围弱化的效果较为明显。