工作面推進速度對微震事件的影響分析

鄧 天，田曉兵，張懷忠，董 哲

(陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

沖擊地壓是井工煤礦開采過程中發生的一種極端礦壓災害[1-2]，我國有記載的最早沖擊地壓災害發生于1933年，早期主要發生于工作面和巷道，由于工作面液壓支架支護性能大幅提升，且釋能空間充沛。近年來沖擊地壓多發生于巷道，沖擊顯現時巷道兩幫煤巖體或者底板突然發生大量變形、甚至有出現煤巖體向外拋出的現象，該動力現象發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，也會帶來嚴重的心靈創傷，同時對布置在巷道兩旁內的管線、設備都造成巨大損失，影響井下煤炭資源的正常生產[3-4]。近年來，大量學者對沖擊地壓開展了深入的研究，從沖擊地壓致災機制、監測預警和防沖減危措施等方面均取得了大量先進成果[5-7]，形成了一大批優秀的成果，如沖擊地壓三因素理論[8]、動靜組合致災理論[9-10]、擾動響應失穩[11]等致災機理，為保障我國沖擊地壓礦井的安全回采提供了堅實的基礎。

對于生產單位而言，在大量的與沖擊地壓斗爭的過程中積極總結成功經驗，分析失敗的原因，為現場沖擊地壓的防治提供第一手的現場資料，為沖擊地壓的研究提供詳實的數據支撐[12]。據現有研究表明，沖擊地壓的發生與生產條件息息相關，與工作面所處的位置有直接的關系，如深部開采、孤島工作面、強沖擊傾向性煤層、斷層等地質構造區、煤層厚度、開采工藝、工作面推進速度、不合理煤柱留設等[13-16]，這些開采條件都會在一定程度上誘發沖擊地壓災害。陜西胡家河煤礦生產過程中多次受到沖擊地壓災害的影響，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域內合理的推進速度，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，礦區處于隴東黃土高原東南部，井田范圍內賦存一走向N50°—70°E、傾向NW—NNW的單斜構造，局部地區斷層賦存較多。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條帶式輸送機大巷、2條輔助運輸大巷、2條回風大巷。全井田共劃分8個盤區，其中4號煤5個盤區，3號煤3個盤區。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，北翼為402盤區。401111工作面是彬長胡家河礦井在401盤區布置的第5個工作面，該工作面東側為401101工作面采空區(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，兩側均為雙巷布置，已回采完畢)，南側為礦井邊界保護煤柱，西側為礦井三下開采區(未設計開采)，北側為中央大巷保護煤柱。

從401111工作面周邊鉆孔資料以及401101巷道掘進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，層狀構造，條帶狀結構，貝殼狀或階梯狀斷口，視密度為1.36 g/cm3)，賦存穩定，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，煤層結構簡單，一般含2層夾矸，賦存較為穩定，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理、裂隙發育，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向切眼先減小再增大，再減小再增大，距離中央一號回風大巷約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。煤層底板標高+340～+356 m，總體趨勢從工作面北側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，其中割煤設計高度3.5 m，放頂煤高度10.5 m，設計采放比為1∶3。4號煤層的直接頂為較易冒落的粉砂巖、砂質泥巖，厚度在8 m左右，巖石飽和抗壓強度為0.4～25.8 MPa?；卷敒橹猩皫r、粗砂巖，其飽和抗壓強度為6.7～17.2 MPa。偽底主要以炭質泥巖為主，根據精查地質報告，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。直接底為鋁土質泥巖，厚度在4.6 m左右，淺灰色，光滑細膩，團塊狀，含鮞狀黃鐵礦結核，遇水極易軟化，屬于不堅硬不穩定型。

2 401111回采工作面沖擊危險分析

為了進一步明確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研究，對4號煤層及其頂、底板巖層進行沖擊傾向性鑒定，結果表明4號煤層具有強沖擊傾向性、頂板具有弱沖擊傾向性、底板無沖擊傾向性。對401盤區沖擊危險指數進行評價，得到401盤區地質因素影響下沖擊地壓危險指數為0.86，開采因素影響下沖擊地壓危險指數為0.52，取最高等級，綜合評價結果為具有強沖擊危險性。

接下來從開采深度、煤層沖擊傾向性、地質構造、區段煤柱和頂板巖層結構特點等方面對401111工作面的沖擊地壓危險影響因素進行了分析，認為401111工作面開采深度539～668 m，平均埋深634.9 m，超過了彬長礦區的沖擊地壓臨界深度，該水平將對該工作面沖擊危險性產生較大影響。401111工作面所回收的4號煤層具有強沖擊傾向性。胡家河煤礦的地應力總體上呈現水平應力占主導的規律(最大水平主應力33.87 MPa。401111工作面走向呈南北，與主應力方向呈近似垂直，主應力對整個工作面掘進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，煤柱應力很高，掘進期間煤層應力較大；4號煤層上方有厚度超過10 m的強度較大的粗粒砂巖頂板，易在采空區上方形成懸頂，且該類型頂板垮斷時產生劇烈動載擾動，導致沖擊危險性升高。

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，且沖擊危險指數表明地質因素影響是401盤區的主要影響因素，而開采因素影響程度相對較小。雖然401盤區沖擊危險等級取決于地質因素，401盤區開采過程巖層活動劇烈程度、推進度及解危效果等動態因素影響，局部區域或時期沖擊危險等級可能發生轉變。

3 回采速度對微震事件分布影響分析

在不同推進速度條件下，回采巷道圍巖應力演變差異很大，從而導致巷道圍巖變形程度以及巷道圍巖煤巖體應力重新分布特征發生較大的改變；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，改變覆巖空間結構，更容易在工作面上方形成能夠集聚較大能量的高危結構。因此以微震事件的集聚特征對回采速度進行分析，最終確定合理的推進速度對于巷道沖擊地壓的防治有著積極的作用。

3.1 回采速度統計

401111工作面于2020年3月20日開始生產，2021年5月31日回采完畢，歷時14.3個月，回采長度1 377 m，每月推進速度統計如圖1所示。分析圖1可知，在2020年3月的工作面進尺為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行分析，結合401111工作面沖擊危險區域劃分結果，可以看出401111工作面經歷了2個階段，第1階段為回采里程0～360 m范圍內為中等沖擊危險區域，第2階段為回采里程360～1 377 m范圍內為強沖擊危險區域。

結合現場實際生產活動，401111工作面中等危險區域對應回采時間為2020年3月30日至2020年7月10日，回采里程對應0～360 m，統計分析該時間段內的總能量、頻次、日進尺，可以得出如圖2所示的日進尺、能量、頻次關系圖。這一區間進尺基本平均3.2 m/d，微震事件頻次平均在12.7次/d。由上述兩圖可知，進尺平均在3.2 m/d或者4.0 m/d時能量的釋放是比較穩定的，進尺的突然降低或者升高會對微震事件的發生產生一定的影響。如2020年4月份推采進尺115.3 m，發生震動事件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月份推采進尺95.4 m，發生震動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月份推采進尺58.3 m，發生震動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量有一定增加，但是并未出現大能量事件?？紤]以往402103工作面、401105工作面、402102工作面中等沖擊危險區域不超過6.0 m/d，平均控制在5.6 m/d為宜，應根據實際情況適當調整推采進尺，保持勻速推采是重要的控制手段之一。

圖2 401111工作面日進尺、能量、頻次關系(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)

結合現場實際生產活動，401111工作面強沖擊危險區域對應回采時間為2020年7月11日至2021年5月31日，回采里程對應360～1 377 m，統計分析該時間段內的總能量、頻次、日進尺，可以得出該階段內進尺、能量、頻次時間曲線如圖3所示。整體分析可知，2020年7月份推采進尺120 m，發生震動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月份推采進尺100.3 m，發生震動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月份推采進尺110.8 m，發生震動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月份推采進尺110.2 m，發生震動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月份推采進尺86.9 m，發生震動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月份推采進尺88.6 m，發生震動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月份推采進尺90.8 m，發生震動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月份推采進尺63.3 m，共發生震動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月出現了明顯的不規律性，據分析主要是2020年8月、9月工作面推采至二次“見方”及A1向斜影響區域，2020年11月推采至3次“見方”影響區域，由此可以說明在特殊開采階段或者遭遇地質構造區需要合理優化回采速度保障安全。

圖3 401111工作面日進尺、能量、頻次關系圖(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重。強沖擊危險區域內將速度平均控制在3.2 m/d或者4.0 m/d是合理的。同時結合402103工作面(強沖擊危險區域推進速度不大于4.0 m/d)、401105工作面(強沖擊危險區域推進速度不大于4.0 m/d)、402102工作面(強沖擊危險區域推進速度不大于4.0 m/d)等工作面強沖擊危險區域的推進速度進行分析，在401111工作面強沖擊危險區域內，日進尺保持在不大于4.0 m/d為宜。

4 結論

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

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

(3)中等沖擊危險區域內，401111工作面日進尺應不大于5.6 m/d；在強沖擊危險區域內，401111工作面日進尺應不大于4.0 m/d，并且在地質構造區可以通過優化回采速度來保障安全。