張欣榮 何國(guó)志 劉繼功

（1.山東能源集團(tuán)防沖中心，山東 濟(jì)南 250061；2.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255000；3.單縣能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274000）

沖擊地壓是煤巖體瞬間劇烈失穩(wěn)并釋放大量能量的動(dòng)力現(xiàn)象[1-3]。隨著煤礦向深部開(kāi)采，沖擊地壓礦井越來(lái)越多，而深部構(gòu)造區(qū)應(yīng)力分布異常，開(kāi)采過(guò)程中極易出現(xiàn)應(yīng)力集中，深部構(gòu)造區(qū)沖擊地壓事故頻發(fā)且危害巨大。當(dāng)前礦井防沖的重點(diǎn)之一是對(duì)沖擊危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，微震監(jiān)測(cè)是沖擊地壓領(lǐng)域最先進(jìn)和有效的手段之一[4]。微震是巖層運(yùn)動(dòng)和巖體震動(dòng)的結(jié)果，能夠反映巖層能量釋放情況，微震特征被廣泛作為沖擊危險(xiǎn)預(yù)測(cè)的指標(biāo)。推采速度與覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律存在聯(lián)系，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)特征能夠?qū)Ω矌r空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行較充分的解釋?zhuān)撇伤俣鹊淖兓矊⒁鹞⒄饡r(shí)間狀態(tài)的顯著不同。

陳蠻莊煤礦開(kāi)采深度已超過(guò)千米，受區(qū)域斷層單縣斷層、平樓斷層以及終興集斷層的影響，主要發(fā)育有近EW、NE 和NW 三組傾向斷層，臺(tái)階狀向深部逐漸下降。西部、北部、東部的深部邊界多以單縣斷層、F2 斷層、平樓斷層為主，井田構(gòu)造較為發(fā)育。

本文結(jié)合陳蠻莊煤礦3410 回采工作面微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析深井復(fù)雜構(gòu)造區(qū)工作面回采速度與微震的響應(yīng)關(guān)系，合理確定推采速度，有效防治沖擊地壓災(zāi)害。

1 工程概況

礦井3410 工作面位于3 煤層千米以深的構(gòu)造區(qū)內(nèi)，區(qū)域煤田被大型斷層構(gòu)造包圍，構(gòu)造應(yīng)力條件較復(fù)雜。工作面埋深1 149.0～1 193.8 m，傾向長(zhǎng)162.2 m，推采長(zhǎng)度1 564.6～1 581.8 m，采用智能化綜采一次采全高走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。3 煤層傾角6°～12°，平均8°，煤厚0.8～3.4 m，平均2.8 m，f=0.18。煤層直接頂為厚度5.2 m 的細(xì)砂巖，基本頂粉砂巖厚度10 m，直接底泥巖厚度1.5 m，基本底粉砂巖厚度12.3 m。如圖1，工作面南臨3408 工作面采空區(qū)，面內(nèi)有較大范圍的煤層相變帶。區(qū)域歷史地表巖移監(jiān)測(cè)顯示，地表沉降最大值為2.69 m，開(kāi)采中心區(qū)域沉降值均大于1.5 m，上覆巖層隨工作面開(kāi)采垮落較充分。

圖1 3410 工作面平面布置

經(jīng)煤巖層沖擊傾向性鑒定，3 煤層屬于Ⅱ類(lèi)，具有弱沖擊傾向性。在大采深、復(fù)雜構(gòu)造條件下，3410 工作面存在較大沖擊風(fēng)險(xiǎn)，在工作面布置微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果和推采速度間的關(guān)系進(jìn)行分析研究，有助于工作面合理推進(jìn)速度的確定，為沖擊地壓防治提供有效依據(jù)。

2 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1 微震事件空間分布特征

3410 工作面在2020 年6 月11 日 至2020 年11月25 日回采期間處于一側(cè)采空狀態(tài)，同時(shí)連續(xù)過(guò)煤層相變帶。該區(qū)域煤層應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，微震平面投影如圖2 所示。受覆巖空間結(jié)構(gòu)影響，微震事件在空間上集中于采空區(qū)一側(cè)，相變帶內(nèi)微震事件集中分布較明顯，其中臨近和過(guò)第一處大型相變帶時(shí)微震響應(yīng)強(qiáng)烈，之后停采20 d，10 月上旬恢復(fù)開(kāi)采后微震事件發(fā)生較平穩(wěn)。根據(jù)微震事件分析，工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力影響范圍約50 m，超前支承應(yīng)力影響范圍約300 m，其中面前200 m 為應(yīng)力影響較明顯的范圍。對(duì)微震事件空間分布特征分析可知，煤層相變帶內(nèi)應(yīng)力分布異常，導(dǎo)致頂板發(fā)生不規(guī)則集中斷裂、回轉(zhuǎn)，微震事件分布較集中，同時(shí)“S”型覆巖結(jié)構(gòu)導(dǎo)致巖層趨向采空區(qū)側(cè)發(fā)生斷裂，釋放出較大能量，相變帶的沿空側(cè)巷道受動(dòng)載影響較大，在千米埋深的高靜載條件下沖擊風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖2 微震平面投影示意圖

根據(jù)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到圖3。期間共發(fā)生971 次微震事件，平均5.8 次/d，1.00E+02J 級(jí)別的108 次，1.00E+03J 級(jí)事件863 次，微震頻次和微震能量變化趨勢(shì)擬合性較好，未發(fā)生大能量預(yù)警值事件，期間推采速度約0～1.8 m/d。

圖3 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果和推采速度關(guān)系曲線

將3410 回采工作面的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入IBM SPSS Stastics 數(shù)據(jù)分析軟件，采用皮爾遜系數(shù)對(duì)推采速度和微震響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析。結(jié)果顯示回采速度與單日微震事件數(shù)量、單日最大微震事件能量及單日微震事件總能量均有顯著正相關(guān)性，見(jiàn)表1。

2.2 微震事件時(shí)間分布特征

頂板斷裂一般發(fā)生在工作面前方，回采工作面頂板結(jié)構(gòu)特征如圖4 所示。基本頂巖塊成鉸接結(jié)構(gòu)，覆巖破斷釋放彈性能和施加至煤體的重力勢(shì)能是煤層沖擊的主要能量源，當(dāng)推采速度過(guò)快，覆巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和能量未充分調(diào)整，連續(xù)高強(qiáng)度開(kāi)采勢(shì)必造成應(yīng)力和能量集中達(dá)到結(jié)構(gòu)極限，進(jìn)而誘發(fā)沖擊災(zāi)害。由圖3和表1可知，3410工作面日最大微震能量、日微震總能量、日微震事件數(shù)量與推采速度有較好的關(guān)聯(lián)性，推采速度的增大和降低會(huì)引起微震事件和數(shù)量的顯著增多或減少，總體上呈現(xiàn)出正相關(guān)性。

圖4 回采工作面頂板結(jié)構(gòu)特征

表1 相關(guān)性分析

結(jié)合前述分析對(duì)微震事件的時(shí)間特征進(jìn)行分析，3410 工作面在6 月11 日之后開(kāi)始進(jìn)入相鄰采空區(qū)影響范圍，現(xiàn)場(chǎng)降低推采速度至0～1 m/d，至7 月7日左右工作面完全進(jìn)入采空區(qū)，期間微震事件頻次和能量較低。因進(jìn)入采空區(qū)引起的覆巖結(jié)構(gòu)調(diào)整較大，覆巖突破運(yùn)動(dòng)與平衡邊界時(shí)間較長(zhǎng)，微震事件增加相對(duì)推采速度的升高表現(xiàn)出明顯的時(shí)滯性。

7 月9 日至9 月17 日連續(xù)推采，微震和推采速度表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性和時(shí)滯性，隨基本頂周期性垮落，微震事件也呈現(xiàn)出一定的周期性，在超前支承應(yīng)力影響下工作面遠(yuǎn)處的大規(guī)模相變帶內(nèi)監(jiān)測(cè)到大量微震事件。7 月15 日—7 月21 日期間以1.8 m/d 的速度勻速開(kāi)采，微震數(shù)量隨時(shí)間推移呈線性增長(zhǎng)，日均微震頻次達(dá)15 次，單日微震事件總能量均值為18 165.65 J。其中，7 月20 日共發(fā)生33次微震事件，單個(gè)微震能量達(dá)到峰值，經(jīng)過(guò)5 d 推采，基本頂發(fā)生較大規(guī)模周期性垮落，在煤層相變帶的異常影響下，頂板破斷釋放大量能量，此時(shí)高動(dòng)靜載疊加易造成沖擊事故。因此在臨近相變帶時(shí)應(yīng)加強(qiáng)微震監(jiān)測(cè)分析，當(dāng)微震能量和頻次出現(xiàn)不規(guī)則的明顯降低時(shí)頂板能量積聚增大，應(yīng)降低推采速度且勻速推過(guò)。7 月21 日—9 月4 日期間回采速度波動(dòng)較大，微震亦呈現(xiàn)出較大波動(dòng)，大幅降速或停采后恢復(fù)生產(chǎn)則極易發(fā)生大能量事件，沖擊風(fēng)險(xiǎn)較大。

9 月7 日—9 月18 日工作面出不規(guī)則相變帶，推采過(guò)程中接近第一處大型相變帶，隨后工作面停采，期間覆巖發(fā)生小規(guī)模調(diào)整，監(jiān)測(cè)到微震發(fā)生。10 月10 日復(fù)工后以1.8 m/d 的速度勻速推采，微震事件周期性較明顯，此時(shí)微震表現(xiàn)出明顯的時(shí)滯性，在不同周期總體微震能量逐漸升高，且在出現(xiàn)微震能量和頻次明顯降低后的第5 天左右出現(xiàn)大能量事件。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)推采速度調(diào)整

采煤卸荷導(dǎo)致采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)、應(yīng)力和能量達(dá)到平衡狀態(tài)需要一定時(shí)間，因此表現(xiàn)出明顯的滯后性。當(dāng)工作面以勻速回采時(shí)，微震事件變化幅度較小，滯后性不明顯，頂板彈性能積聚程度小，因此在回采期間應(yīng)盡可能減小推采速度波動(dòng)。

根據(jù)前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)3410 工作面推采過(guò)聯(lián)絡(luò)巷后大幅降低推采速度，2021 年3 月至11 月保持勻速推采，3 月最大推采速度約1.8 m/d，共推采約250 m，整體平均推采速度在1.0 m/d，期間未發(fā)生大能量微震預(yù)警事件，覆巖未發(fā)生高強(qiáng)度劇烈運(yùn)動(dòng)；局部鉆屑法、應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)未超過(guò)預(yù)警指標(biāo)；未發(fā)生支架?chē)?yán)重破壞、巷道大變形、錨桿脫錨等明顯礦壓顯現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了安全開(kāi)采。末期監(jiān)測(cè)到微震事件能量小且分布均勻，如圖5。

圖5 微震平面投影示意圖

3 結(jié)論

基于單縣煤田深井構(gòu)造區(qū)3410 工作面回采速度與微震的響應(yīng)關(guān)系分析，得到如下結(jié)論：

（1）推采速度與微震事件之間存在顯著的正相關(guān)性，合理的推采速度能夠有效降低沖擊危險(xiǎn)，對(duì)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果和推采速度間的關(guān)系進(jìn)行分析研究，有助于工作面合理推進(jìn)速度的確定，為沖擊地壓防治提供有效依據(jù)。

（2）3410 工作面相變帶內(nèi)應(yīng)力分布異常，導(dǎo)致頂板發(fā)生不規(guī)則集中斷裂、回轉(zhuǎn)，微震事件分布較集中，同時(shí)“S”型覆巖結(jié)構(gòu)導(dǎo)致巖層趨向采空區(qū)側(cè)發(fā)生斷裂，釋放出較大能量，相變帶的沿空側(cè)巷道受動(dòng)載影響較大，在千米埋深的高靜載條件下沖擊風(fēng)險(xiǎn)較大。

（3）3410 工作面回采速度最大1.8 m/d 較合理，當(dāng)受到構(gòu)造等因素影響時(shí)回采速度應(yīng)減小到1.0 m/d左右，減小頂板能量積聚，避免高動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊。

（4）大幅降速或提速后、停采后復(fù)采初期以及在出現(xiàn)微震能量和頻次明顯降低后的第5 天左右是頂板運(yùn)動(dòng)劇烈、大能量微震事件高發(fā)時(shí)期。