鄧 天，田曉兵，張懷忠，董 哲

(陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

沖擊地壓是井工煤礦開采過程中發(fā)生的一種極端礦壓災(zāi)害[1-2]，我國有記載的最早沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生于1933年，早期主要發(fā)生于工作面和巷道，由于工作面液壓支架支護(hù)性能大幅提升，且釋能空間充沛。近年來沖擊地壓多發(fā)生于巷道，沖擊顯現(xiàn)時巷道兩幫煤巖體或者底板突然發(fā)生大量變形、甚至有出現(xiàn)煤巖體向外拋出的現(xiàn)象，該動力現(xiàn)象發(fā)生時常且伴隨巨大響聲，極端情況下一段長度的巷道完全閉合，可能會對井下的工作人員安全造成巨大的傷害，也會帶來嚴(yán)重的心靈創(chuàng)傷，同時對布置在巷道兩旁內(nèi)的管線、設(shè)備都造成巨大損失，影響井下煤炭資源的正常生產(chǎn)[3-4]。近年來，大量學(xué)者對沖擊地壓開展了深入的研究，從沖擊地壓致災(zāi)機(jī)制、監(jiān)測預(yù)警和防沖減危措施等方面均取得了大量先進(jìn)成果[5-7]，形成了一大批優(yōu)秀的成果，如沖擊地壓三因素理論[8]、動靜組合致災(zāi)理論[9-10]、擾動響應(yīng)失穩(wěn)[11]等致災(zāi)機(jī)理，為保障我國沖擊地壓礦井的安全回采提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

對于生產(chǎn)單位而言，在大量的與沖擊地壓斗爭的過程中積極總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)，分析失敗的原因，為現(xiàn)場沖擊地壓的防治提供第一手的現(xiàn)場資料，為沖擊地壓的研究提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐[12]。據(jù)現(xiàn)有研究表明，沖擊地壓的發(fā)生與生產(chǎn)條件息息相關(guān)，與工作面所處的位置有直接的關(guān)系，如深部開采、孤島工作面、強(qiáng)沖擊傾向性煤層、斷層等地質(zhì)構(gòu)造區(qū)、煤層厚度、開采工藝、工作面推進(jìn)速度、不合理煤柱留設(shè)等[13-16]，這些開采條件都會在一定程度上誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。陜西胡家河煤礦生產(chǎn)過程中多次受到?jīng)_擊地壓災(zāi)害的影響，以401111工作面為研究背景，主要通過分析回采速度對工作面微震事件的影響，確定不同沖擊危險區(qū)域內(nèi)合理的推進(jìn)速度，為其他工作面甚至其他類似條件礦井工作面回采速度的確定提供一定的參照。

1 工程背景

胡家河煤礦位于陜西省咸陽市西北部，礦區(qū)處于隴東黃土高原東南部，井田范圍內(nèi)賦存一走向N50°—70°E、傾向NW—NNW的單斜構(gòu)造，局部地區(qū)斷層賦存較多。礦井采用立井單水平開拓，3條井筒，井下開拓在煤層布置5條大巷，1條帶式輸送機(jī)大巷、2條輔助運(yùn)輸大巷、2條回風(fēng)大巷。全井田共劃分8個盤區(qū)，其中4號煤5個盤區(qū)，3號煤3個盤區(qū)。目前胡家河煤礦采掘工作面主要布置在大巷南北兩翼，其中南翼為401盤區(qū)，北翼為402盤區(qū)。401111工作面是彬長胡家河礦井在401盤區(qū)布置的第5個工作面，該工作面東側(cè)為401101工作面采空區(qū)(401101回采工作面為胡家河煤礦第1個回采工作面，該工作面全長1 563 m，傾向175 m，兩側(cè)均為雙巷布置，已回采完畢)，南側(cè)為礦井邊界保護(hù)煤柱，西側(cè)為礦井三下開采區(qū)(未設(shè)計開采)，北側(cè)為中央大巷保護(hù)煤柱。

從401111工作面周邊鉆孔資料以及401101巷道掘進(jìn)過程中揭露的煤層資料分析，該工作面4號煤層(黑色，半亮型，瀝青光澤，層狀構(gòu)造，條帶狀結(jié)構(gòu)，貝殼狀或階梯狀斷口，視密度為1.36 g/cm3)，賦存穩(wěn)定，煤層近乎水平，厚度15.0～27.0 m，平均厚度約24 m，上分層平均可采厚度13.5 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般含2層夾矸，賦存較為穩(wěn)定，夾矸位于煤層的中上部，夾矸厚度一般小于0.3 m。此外，在煤層中常伴隨有垂直節(jié)理、裂隙發(fā)育，裂隙中充填有2 cm×5 cm的方解石巖脈。煤層底板埋深539～668 m，總體趨勢從工作面北側(cè)向切眼先減小再增大，再減小再增大，距離中央一號回風(fēng)大巷約200 m處底板埋深約539 m，然后逐步變深，距離中央一號回風(fēng)大巷約1168 m處底板埋深約668 m，然后逐步變淺，之后再逐漸變深。煤層底板標(biāo)高+340～+356 m，總體趨勢從工作面北側(cè)向切眼先降低再升高，再降低再升高，其中在A3向斜軸部附近為最低，最高處為切眼附近。401111回采工作面采用傾斜長壁分層綜合機(jī)械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。工作面回采煤層厚度13.5 m，其中割煤設(shè)計高度3.5 m，放頂煤高度10.5 m，設(shè)計采放比為1∶3。4號煤層的直接頂為較易冒落的粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，厚度在8 m左右，巖石飽和抗壓強(qiáng)度為0.4～25.8 MPa?；卷敒橹猩皫r、粗砂巖，其飽和抗壓強(qiáng)度為6.7～17.2 MPa。偽底主要以炭質(zhì)泥巖為主，根據(jù)精查地質(zhì)報告，該層段不作為煤層對待，而按其他分層對待，該層段厚度0.5～0.8 m，一般為0.6 m。直接底為鋁土質(zhì)泥巖，厚度在4.6 m左右，淺灰色，光滑細(xì)膩，團(tuán)塊狀，含鮞狀黃鐵礦結(jié)核，遇水極易軟化，屬于不堅硬不穩(wěn)定型。

2 401111回采工作面沖擊危險分析

為了進(jìn)一步明確401111工作面沖擊危險性，特委托煤科總院北京開采研究所開展相關(guān)研究，對4號煤層及其頂、底板巖層進(jìn)行沖擊傾向性鑒定，結(jié)果表明4號煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性、頂板具有弱沖擊傾向性、底板無沖擊傾向性。對401盤區(qū)沖擊危險指數(shù)進(jìn)行評價，得到401盤區(qū)地質(zhì)因素影響下沖擊地壓危險指數(shù)為0.86，開采因素影響下沖擊地壓危險指數(shù)為0.52，取最高等級，綜合評價結(jié)果為具有強(qiáng)沖擊危險性。

接下來從開采深度、煤層沖擊傾向性、地質(zhì)構(gòu)造、區(qū)段煤柱和頂板巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面對401111工作面的沖擊地壓危險影響因素進(jìn)行了分析，認(rèn)為401111工作面開采深度539～668 m，平均埋深634.9 m，超過了彬長礦區(qū)的沖擊地壓臨界深度，該水平將對該工作面沖擊危險性產(chǎn)生較大影響。401111工作面所回收的4號煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性。胡家河煤礦的地應(yīng)力總體上呈現(xiàn)水平應(yīng)力占主導(dǎo)的規(guī)律(最大水平主應(yīng)力33.87 MPa。401111工作面走向呈南北，與主應(yīng)力方向呈近似垂直，主應(yīng)力對整個工作面掘進(jìn)期間的影響比較明顯；401111工作面采用單巷U型布置，煤柱寬度38～62 m，煤柱應(yīng)力很高，掘進(jìn)期間煤層應(yīng)力較大；4號煤層上方有厚度超過10 m的強(qiáng)度較大的粗粒砂巖頂板，易在采空區(qū)上方形成懸頂，且該類型頂板垮斷時產(chǎn)生劇烈動載擾動，導(dǎo)致沖擊危險性升高。

基于上述分析可知，胡家河401111工作面回采期間整體上承受較高等級的動載荷和靜載荷，且沖擊危險指數(shù)表明地質(zhì)因素影響是401盤區(qū)的主要影響因素，而開采因素影響程度相對較小。雖然401盤區(qū)沖擊危險等級取決于地質(zhì)因素，401盤區(qū)開采過程巖層活動劇烈程度、推進(jìn)度及解危效果等動態(tài)因素影響，局部區(qū)域或時期沖擊危險等級可能發(fā)生轉(zhuǎn)變。

3 回采速度對微震事件分布影響分析

在不同推進(jìn)速度條件下，回采巷道圍巖應(yīng)力演變差異很大，從而導(dǎo)致巷道圍巖變形程度以及巷道圍巖煤巖體應(yīng)力重新分布特征發(fā)生較大的改變；其次，回采速度較快時，也會影響工作面上方堅硬頂板的垮落形態(tài)，改變覆巖空間結(jié)構(gòu)，更容易在工作面上方形成能夠集聚較大能量的高危結(jié)構(gòu)。因此以微震事件的集聚特征對回采速度進(jìn)行分析，最終確定合理的推進(jìn)速度對于巷道沖擊地壓的防治有著積極的作用。

3.1 回采速度統(tǒng)計

401111工作面于2020年3月20日開始生產(chǎn)，2021年5月31日回采完畢，歷時14.3個月，回采長度1 377 m，每月推進(jìn)速度統(tǒng)計如圖1所示。分析圖1可知，在2020年3月的工作面進(jìn)尺為31.4 m，這是由于該月回采時間較短(10天)，整體來看401111工作面回采速度為98.64 m/月，平均日進(jìn)尺為3.25 m/d。

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

3.2 微震事件時空分布特征

對401111工作面回采以來不同等級微震事件進(jìn)行分析，結(jié)合401111工作面沖擊危險區(qū)域劃分結(jié)果，可以看出401111工作面經(jīng)歷了2個階段，第1階段為回采里程0～360 m范圍內(nèi)為中等沖擊危險區(qū)域，第2階段為回采里程360～1 377 m范圍內(nèi)為強(qiáng)沖擊危險區(qū)域。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)活動，401111工作面中等危險區(qū)域?qū)?yīng)回采時間為2020年3月30日至2020年7月10日，回采里程對應(yīng)0～360 m，統(tǒng)計分析該時間段內(nèi)的總能量、頻次、日進(jìn)尺，可以得出如圖2所示的日進(jìn)尺、能量、頻次關(guān)系圖。這一區(qū)間進(jìn)尺基本平均3.2 m/d，微震事件頻次平均在12.7次/d。由上述兩圖可知，進(jìn)尺平均在3.2 m/d或者4.0 m/d時能量的釋放是比較穩(wěn)定的，進(jìn)尺的突然降低或者升高會對微震事件的發(fā)生產(chǎn)生一定的影響。如2020年4月份推采進(jìn)尺115.3 m，發(fā)生震動事件399次，總能量為1.4×105J，其中101J能級震動209次；102J能級震動173次；103J能級震動29次，單次釋放最大能量6.1×103J。2020年5月份推采進(jìn)尺95.4 m，發(fā)生震動399次，總能量1.4×105J。其中101J能級震動183次，102J能級震動191次，103J能級震動25次，單次釋放最大能量5.8×103J。2020年6月份推采進(jìn)尺58.3 m，發(fā)生震動281次，總能量1.7×105J。其中101J能級震動148次，102J能級震動98次，103J能級震動34次，單次釋放最大能量8.8×103J。對比表明隨著開采速度增加，不同等級的微震事件數(shù)量有一定增加，但是并未出現(xiàn)大能量事件?？紤]以往402103工作面、401105工作面、402102工作面中等沖擊危險區(qū)域不超過6.0 m/d，平均控制在5.6 m/d為宜，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整推采進(jìn)尺，保持勻速推采是重要的控制手段之一。

圖2 401111工作面日進(jìn)尺、能量、頻次關(guān)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)

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)活動，401111工作面強(qiáng)沖擊危險區(qū)域?qū)?yīng)回采時間為2020年7月11日至2021年5月31日，回采里程對應(yīng)360～1 377 m，統(tǒng)計分析該時間段內(nèi)的總能量、頻次、日進(jìn)尺，可以得出該階段內(nèi)進(jìn)尺、能量、頻次時間曲線如圖3所示。整體分析可知，2020年7月份推采進(jìn)尺120 m，發(fā)生震動732次，總能量5.2×105J。其中101J能級震動318次，102J能級震動281次，103J能級震動133次，單次釋放最大能量5.66×103J。2020年8月份推采進(jìn)尺100.3 m，發(fā)生震動1 032次，總能量6.3×105J。其中101J能級震動398次，102J能級震動503次，103J能級震動131次，單次釋放最大能量9.9×103J；2020年9月份推采進(jìn)尺110.8 m，發(fā)生震動925次，總能量8.1×105J。其中101J能級震動287次，102J能級震動426次，103J能級震動212次，單次釋放最大能量9.5×103J。2020年10月份推采進(jìn)尺110.2 m，發(fā)生震動930次，總能量9.9×105J。其中101J能級震動248次，102J能級震動537次，103J能級震動273次，單次釋放最大能量9.3×103J。2020年11月份推采進(jìn)尺86.9 m，發(fā)生震動1 113次，總能量1.0×106J。其中101J能級震動278次，102J能級震動555次，103J能級震動280次，單次釋放最大能量8.8×103J。2021年1月份推采進(jìn)尺88.6 m，發(fā)生震動1 050次，總能量1.0×106J。其中101J能級震動294次，102J能級震動491次，103J能級震動265次，單次釋放最大能量9.9×103J。2月份推采進(jìn)尺90.8 m，發(fā)生震動794次，總能量5.0×105J。其中101J能級震動284次，102J能級震動370次，103J能級震動140次，單次釋放最大能量9.0×103J。5月份推采進(jìn)尺63.3 m，共發(fā)生震動720次，總能量2.9×105J。其中101J能級震動336次，102J能級震動326次，103J能級震動58次，單次釋放最大能量8.4×103J。401111工作面回采過程中2020年8月、2020年9月、2020年11月、2021年2月出現(xiàn)了明顯的不規(guī)律性，據(jù)分析主要是2020年8月、9月工作面推采至二次“見方”及A1向斜影響區(qū)域，2020年11月推采至3次“見方”影響區(qū)域，由此可以說明在特殊開采階段或者遭遇地質(zhì)構(gòu)造區(qū)需要合理優(yōu)化回采速度保障安全。

圖3 401111工作面日進(jìn)尺、能量、頻次關(guān)系圖(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)

這一區(qū)間平均為3.2 m/d，微震事件頻次平均在33.3次/d，由上述兩圖可知，推采速度突然變化對微震事件的影響較為嚴(yán)重。強(qiáng)沖擊危險區(qū)域內(nèi)將速度平均控制在3.2 m/d或者4.0 m/d是合理的。同時結(jié)合402103工作面(強(qiáng)沖擊危險區(qū)域推進(jìn)速度不大于4.0 m/d)、401105工作面(強(qiáng)沖擊危險區(qū)域推進(jìn)速度不大于4.0 m/d)、402102工作面(強(qiáng)沖擊危險區(qū)域推進(jìn)速度不大于4.0 m/d)等工作面強(qiáng)沖擊危險區(qū)域的推進(jìn)速度進(jìn)行分析，在401111工作面強(qiáng)沖擊危險區(qū)域內(nèi)，日進(jìn)尺保持在不大于4.0 m/d為宜。

4 結(jié)論

(1)胡家河煤礦401111回采工作面回采的4號煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，該煤層賦存于高應(yīng)力地區(qū)，且回采工作面上覆堅硬頂板，這3個因素共同導(dǎo)致該回采工作面具有較強(qiáng)沖擊危險性。

(2)401111工作面回采期間微震能量和回采速度同時增加，是該工作面發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害可能性升高的標(biāo)志，且回采工作面推進(jìn)速度的突然變化會導(dǎo)致微震事件出現(xiàn)異常。

(3)中等沖擊危險區(qū)域內(nèi)，401111工作面日進(jìn)尺應(yīng)不大于5.6 m/d；在強(qiáng)沖擊危險區(qū)域內(nèi)，401111工作面日進(jìn)尺應(yīng)不大于4.0 m/d，并且在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)可以通過優(yōu)化回采速度來保障安全。