沖擊地壓礦井工作面回采速度影響及調控方法研究

文/宋麗軍 劉慧勇

隨著開采深度的不斷加大，沖擊地壓已成為煤礦安全生產主要災害之一，如何及時有效地預測預報和有效防治沖擊地壓成為煤礦安全生產亟須解決的技術難題。從已有的研究來看，大多數是關注回采速度對礦壓影響的研究，而關于合理回采速度調控方法的研究較少。然而研究回采速度與微震能量釋放關系，確定合理的回采速度閾值，對于防治沖擊地壓十分必要，有利于降低大能量事件發生概率，確保工作面安全高效回采。基于此，在已有研究基礎上，以鄂爾多斯深部礦區納林河二號礦井為工程背景，采用文獻分析、數值模擬、現場實測相結合的方法，系統研究沖擊地壓礦井回采速度調控方法，對于豐富沖擊地壓防治理論與技術，以及對相關工程實踐，具有重要的價值和指導意義。

一、回采速度對沖擊地壓的影響機制研究

1.數值模型的建立

在不同的回采速度下，煤體上方堅硬頂板破斷前的懸臂結構有所差異。回采速度越大，與煤層近處的堅硬頂板懸臂長度也越長。根據頂板彎曲彈性能理論，懸露長度可由下式計算：

式中：q為頂板承受的均布載荷及其自重，MPa；

L為頂板懸露長度，m；

E為頂板的彈性模量；

J為頂板懸露部分積聚的能量。

由式（1）可知，懸露長度與巖體內部所儲集的彈性能成正比關系。因此，回采速度越大，煤體上方頂板可能懸露的長度也越長，頂板內部所儲存的彈性能也越大。當懸露巖層無法滿足其自身承載能力時，懸露巖層會發生破斷，釋放大量能量，此時產生較大動載效應以波的形式傳遞到工作面上，對井下工作面的生產帶來巨大的安全隱患。

結合鄂爾多斯礦區某工作面地質資料確定數值計算模型。模型尺寸為：長X×寬Y×高Z=700m×700m×316m，模型每次開挖2m、4m、6m，分別平衡300、600、900步之后再進行下一次開挖。通過模型中不同開挖過程中時間步大小來模擬應力的變化過程以及能量的釋放規律，進而解釋不同開采強度對沖擊顯現的影響程度。

2.不同回采速度下頂板應力演化規律

建立模擬云圖，如圖1、圖2所示。由圖1、圖2可以看出，當開挖量保持相同時，平衡時間步越長，則煤層垂直應力也越大。通過對不同開采強度條件下垂直應力的對比分析可以看出，當平衡時間步相同時，開采強度越大，相應的煤層垂直應力也越高，上升的幅度也越大。基于以下三組模擬云圖的對比可以看出，若單次開挖強度越大，平衡時步越大，則煤層的垂直應力也越高。

圖1 一次開挖2m 后垂直應力云圖

圖2 一次開挖4m 后垂直應力云圖

3.不同回采速度下頂板能量釋放演化規律

繪制不同開挖方案下總能量、最大總能量與時間步關系如圖3所示。由圖3（a）、（c）可以看出，當平衡時間步相同時，每次開挖的強度越大，每時間步內所釋放的能量也就越大。據圖還可知，當開挖6m時，每時間步的總能量可達1.6E9J，遠高于單次開挖量4m的1.3E9J，以及2m的9.0E8J，這說明每時間步內開挖量越大，圍巖內部儲存的彈性能釋放越強烈。由圖3（b）、（d）可以看出，當平衡時間步相同時，每次開挖的強度越大，每時間步內所釋放的最大能量也越大。因此，減緩開挖強度可有效降低圍巖彈性能的釋放。

圖3 不同開挖方案下總能量、最大總能量與時間步關系圖

二、回采速度與工作面能量釋放的關聯性分析

1.大煤柱工作面回采速度與能量釋放關系

以納林河二號礦井31103-1工作面為工程背景統計數據，繪制每日回采速度及能—頻差異系數整體分布，如圖4所示。由圖4分析可知：從整體來看，每日回采速度越高，每日能—頻差異系數越高；能—頻差異系數越高，表明當日低頻高能特征越明顯，易出現動載誘發動力顯現的可能。31103-1工作面動力顯現頻繁區段，回采速度越大，當日能—頻差異系數均值越大，超過+0.1（強）的天數占比也最大；能—頻差異系數越大，表明當日動載沖擊風險越大。因此控制回采速度有利于當日微震事件由低頻高能向高頻低能轉換，有利于降低動載擾動。

圖4 回采速度與每日能—頻差異系數關系圖

2.小煤柱工作面回采速度與能量釋放關系

統計繪制每日推進速度與能—頻差異系數均值、超過+0.1（強）的天數占比關聯性分析圖，如圖5所示。分析圖5可知：工作面回采速度越大，當日能—頻差異系數均值越大，超過+0.1（強）的天數占比也最大；能—頻差異系數越大，表明當日動載沖擊風險越大，故控制回采速度有利于當日微震事件由低頻高能向高頻低能轉換。

圖5 每日推進速度與能—頻差異系數均值及超過天數占比關系

綜上所述，回采速度與微震事件的能量與頻次均呈正相關關系，即回采速度越大，工作面現場礦壓顯現的情況越嚴重。

三、沖擊地壓礦井合理回采速度調控方法

納林河二號礦井已回采工作面中，31103-1工作面雙見方段采用大煤柱+大直徑+超前支護，31103-1工作面爆破段采用大煤柱+大直徑+超前支護+頂板預裂爆破。31103-2工作面采用大煤柱+大直徑+超前支護+頂板爆破。31120工作面采用小煤柱+大直徑+超前支護+頂板爆破。31104工作面采用小煤柱+大直徑+超前支護+頂板爆破+頂板定向水力壓裂。根據已回采工作面回采速度分析，提出不同卸壓措施條件下回采速度初值。

基于以上分析，明確納林河二號礦井各回采工作面回采速度需根據工作面采取的卸壓措施選取合理的初值，根據監測預警情況動態調整回采速度，其調控原則及方法如下：

一是沖擊地壓礦井合理回采速度的確定需要堅持“一礦一策、一面一策”的基本原則，不同礦井、同一礦井不同回采工作面、同一礦井同一回采工作面的不同回采區域均應動態調整回采速度，出現異常情況應及時分析調整，工作面應盡量保持平穩采掘，停產復采應實現“軟啟動”。

二是在工作面見方等強沖擊危險區域，可依據實際監測數據及動力顯現分析結果，選擇動載擾動最小的回采速度作為安全回采速度。

三是同一礦井各回采工作面回采速度調整時，合理回采速度對應的動載擾動水平，不宜超過本礦井存在動力顯現、沖擊地壓事故回采工作面的安全回采速度。

四是頂板預裂爆破、小煤柱護巷工藝、保護層開采等措施有利于降低工作面動載誘沖風險。在確保防治措施效果，加強實時監測與分析的同時可以適當提高回采速度；但即使采取多種防治措施后，并非可以無限制提高回采速度，依然需注意對回采速度的合理管控，最大回采速度不宜超過本礦井存在動力顯現、沖擊地壓事故回采工作面的安全回采速度。

五是工作面短期停產與復采期間，微震事件恢復平穩存在一定滯后性，納林河二號礦井為2～4天，應盡量保證工作面低速均勻推進。當發生客觀原因導致工作面停采2～4天內，依然應重視沿空巷道動力顯現風險；工作面停產復產時，應以較低的初始速度開始推進，并保持該初始速度2～4天。

六是采煤機停機3.5h后，微震能量釋放趨于平穩，動力顯現后進入危險區解危作業時間根據當日微震事件按小時統計，在微震事件頻次能量明顯降低并平穩后進入限員區域。

四、結論

通過數值模擬研究了不同回采速度下頂板應力演化及能量釋放規律，得到了回采速度與工作面能量釋放的關系，系統研究了沖擊地壓礦井回采速度與沖擊顯現之間的關聯性，并結合礦井實際生產情況提出了針對性的回采速度調控方法，確保了工作面安全高效開采。