綜放工作面開采過程的礦震規(guī)律研究

江 衡,竇林名,屈 昀,杜濤濤,賀 虎,張明偉

(1.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221008;2.兗州煤業(yè)集團鮑店煤礦,山東鄒城 273513)

綜放工作面開采過程的礦震規(guī)律研究

江 衡1,竇林名1,屈 昀2,杜濤濤1,賀 虎1,張明偉1

(1.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221008;2.兗州煤業(yè)集團鮑店煤礦,山東鄒城 273513)

以某煤礦 SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),運用數(shù)理統(tǒng)計和線形擬合的方法分類統(tǒng)計不同開采速度下不同能量級別的礦震的次數(shù)、震動能量,研究了綜放工作面開采活動和礦震活動的相關(guān)性。研究結(jié)果表明：礦山震動是礦山開采的直接產(chǎn)物,低能量礦震的次數(shù)、能量與開采速度呈近線性正相關(guān),而高能量礦震與開采速度呈非線性關(guān)系。開采速度越快,低能量礦震的震動次數(shù)和能量越高,而且相對高的能量成分所占比例顯著增加。從而提出控制開采速度可以控制低能量礦震發(fā)生次數(shù)和釋放能量,慢勻速開采能有效地減少礦震發(fā)生的次數(shù)。

綜放開采;開采活動;礦震規(guī)律;相關(guān)關(guān)系

綜放開采是提高產(chǎn)量、降低采煤成本、提高生產(chǎn)效率,實現(xiàn)礦井集約化生產(chǎn)的重要技術(shù)手段[1-2]。但由于綜放一次采全高,開采強度大,工藝過程復雜,隨著工作面的推進,致使采空區(qū)的冒落運動充分參與到工作面附近的圍巖應力分布的過程,使工作面管理難度增加、安全狀況惡化,工作面冒頂、煤壁片幫、支架失穩(wěn)的事故時有發(fā)生。特別是近年來,隨著我國煤礦綜放開采深度與強度的加大,一些礦區(qū)監(jiān)測到的礦震活動已經(jīng)十分頻繁,甚至發(fā)生了比較嚴重的礦震災害[3]。

微震監(jiān)測技術(shù)是利用巖體受力變形和破壞后本身發(fā)射出地震波來進行監(jiān)測工程巖體穩(wěn)定性的技術(shù)方法。該技術(shù)是巖體動力災害,特別是沖擊礦壓預測預報最有效和最有潛力的監(jiān)測方法之一[4-5]。為此,某煤礦引進波蘭的 SOS微震監(jiān)測系統(tǒng),實時、動態(tài)、連續(xù)、遠距離監(jiān)測到某煤礦 103上02綜放工作面發(fā)生的能量從 102J到 107J的約 8200次震動。本文通過分類統(tǒng)計的分析方法,從開采速度、礦震能量、次數(shù)之間的相關(guān)性等方面詳細研究了不同推進速度開采對礦震的影響,為現(xiàn)場安全生產(chǎn)選擇合理的推進速度提供有利依據(jù)。

1 工作面及微震監(jiān)測系統(tǒng)簡介

某礦 103上02工作面為孤島工作面,面長 201～217.5m,走向長度 1300～1322m,該面回采的是山西組 3上煤,煤厚 5.50～6.27m,平均 5.84m。

該工作面兩巷掘進期間煤粉監(jiān)測均出現(xiàn)過煤粉量超標現(xiàn)象,運輸巷實施了大直徑鉆孔卸壓解危措施。相鄰的 103上03,103上04等工作面推采過程中均發(fā)生過不同震級的礦震,其中最大震級 3.7。SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)由實時監(jiān)測的記錄儀、微震探頭和數(shù)字傳輸系統(tǒng)組成 (圖 1)。其主要功能有實時記錄和分析微震現(xiàn)象,四種模式定位,頻譜和積分法計算能量,采用不同的速度模式進行定位,地震力矩、壓力降、能量率等微震參數(shù)的確定,微震災害的圖像分析等。

圖1 SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)

2 礦震概況

根據(jù) SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)記錄的礦震資料統(tǒng)計,2008年 7月 15日至 2009年 3月 25日 103上02工作面共發(fā)生礦震約 8200次,平均日次數(shù)約 24次/d,最高日次數(shù)達 105次 /d。從表 1中可以看出,工作面開采期間,礦震主要以低能量釋放為主,其中能量級別為 EC=102J和 EC=103J的礦震次數(shù)分別占震動總數(shù)的 78%和 21%,最大震動能量為107J。

表1 103上 02工作面礦震統(tǒng)計

3 開采活動和礦震活動的相關(guān)性

3.1 統(tǒng)計方法

礦震事件的統(tǒng)計分析方法為礦震的安全性評估提供了一個合理的依據(jù)[6]。根據(jù) 103上02工作面2008年 7月 15日至 2009年 3月 15日共 254d的不同開采速度,將開采速度分成 6類,然后將微震監(jiān)測系統(tǒng)每天記錄到的礦震事件依照開采速度歸類到不同分檔的開采速度中,最后根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的方法分類統(tǒng)計不同開采速度下不同能量級別的礦震的平均日震動次數(shù)、平均日累計震動能量、各能量震動次數(shù)的平均日比例。平均日震動次數(shù)、平均日震動能量表示在某開采速度某能量級別下震動次數(shù)、能量的平均值,反映了該開采速度和能量級別下的礦震發(fā)生水平。不同開采速度下各能量級別礦震統(tǒng)計結(jié)果見表 2。

表2 不同開采速度下各能量級別的礦震統(tǒng)計結(jié)果

3.2 開采速度與礦震次數(shù)、能量的相關(guān)性

根據(jù)表 2中統(tǒng)計結(jié)果,得到圖 2(a～ d)103上02工作面不同開采速度下的不同能量級別的平均日震動次數(shù)、能量的變化規(guī)律。

圖2 不同開采速度下的各能量級別的震動次數(shù)、能量的變化規(guī)律

結(jié)合圖 2和表 2可知,回采工作面的推進速度與低能量的礦山震動之間存在明顯的線性關(guān)系。即工作面的推進速度越快,產(chǎn)生的礦山震動次數(shù)、震動能量就越高。低能量 (E≤105J)的礦震次數(shù)、能量同開采速度之間成線性關(guān)系,而高能量 (E＞105J)的礦震次數(shù)、能量同開采速度之間成非線性關(guān)系。從圖 2(a)中可以看出礦震次數(shù)與開采速度成正比,而震動能量與開采速度之間沒有線性關(guān)系,這其實是概率中大數(shù)定律的反映。因為平均日礦震次數(shù)中低能量發(fā)生次數(shù)占主要部分,而開采速度與低能量礦震的震動次數(shù)、震動能量成正比,而日平均累計能量由于高能量的數(shù)量級大,掩蓋了低能量的貢獻,因此圖中實際上反映的主要是高能量的隨開采速度的變化情況。

圖3為低能量級別 (EC=102J和 EC=103J)震動次數(shù)及其各成分比例和比值的變化。

圖3 各能量級別震動次數(shù)及其成分變化

從圖 2和圖 3中可以看出,低能量級別的震動次數(shù)、震動能量隨著開采速度的增加均線性增加,而兩者震動次數(shù)的比值卻顯著的減少,見圖 3(a)。深入統(tǒng)計研究各開采速度下各能量級別每天所占次數(shù)比例發(fā)現(xiàn),見圖 3(b),隨著開采速度的增加,EC=102J震動次數(shù)平均日比例成線性的減少,而 EC=103J震動次數(shù)平均日比例成線性的增加。說明了 EC=102J和 EC=103J的震動次數(shù)都在增加,但是其中 EC=103J的震動次數(shù)的增長速率明顯要大于 EC=102J的增長速率。這就是說,開采速度的增加,使低能量所占成分發(fā)生顯著變化,向低能量中相對高能量移動。波蘭的研究結(jié)果表明,從沖擊礦壓和巖體震動的關(guān)系來看,發(fā)生沖擊礦壓的最低能量為 1×103J[4],而且?guī)r石的變形破壞過程實際上就是一個從局部耗散到局部破壞最終到整體災變的過程。因此,隨著開采速度的增加,工作面發(fā)生沖擊的危險性增加。

控制開采速度可控制低能量礦震發(fā)生次數(shù)和釋放能量,慢勻速開采能有效減少礦震發(fā)生次數(shù)。

4 結(jié)論

(1)統(tǒng)計結(jié)果表明,礦山震動是礦山開采的直接產(chǎn)物,低能量的礦震的次數(shù)、能量與開采速度呈近線性正相關(guān),而高能量礦震與開采速度呈非線性關(guān)系。開采速度越快,低能量礦震的震動次數(shù)和能量越高。

(2)開采速度的增加,使低能量所占成分發(fā)生顯著變化,向低能量中相對高能量移動,礦震沖擊的危險性越高。

(3)控制開采速度可以控制低能量礦震的發(fā)生次數(shù)和釋放能量,慢勻速開采能有效地減少礦震發(fā)生的次數(shù)。由于開采技術(shù)條件的不同,地質(zhì)構(gòu)造條件的不同,各礦井工作面防治礦震發(fā)生的最有利的推進速度也不同,需要根據(jù)具體條件而定。

[1]齊慶新,竇林名 .沖擊地壓理論與技術(shù) [M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2008.

[2]吳 鍵 .我國綜放開采技術(shù) 15年回顧 [J].中國煤炭,1999,25(1)：9-16.

[3]蔣金泉,張開智 .綜放開采礦震的成因及防治對策 [J].巖石力學與工程學報,2006,25(1)：3276-3282.

[4]竇林名,何學秋 .沖擊礦壓防治理論與技術(shù) [M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2001.

[5]竇林名,趙從國,楊思光,等 .煤礦開采沖擊礦壓災害防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2006.

[6]G IBOW I CZ S J,KI JKO A.礦山地震學引論 [M].修濟剛譯.北京：地震出版社,1996.

Research on Rules of Shock Bump in Full-mechan ized CavingM in ing Face

J IANG Heng1,DOU Lin-ming1,QU Yun2,DU Tao-tao1,HE Hu1,ZHANGMing-wei1
(1.State KeyLaboratory of Coal Resource&SafetyMining,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China;2.Baodian Colliery,Yanzhou Coal Group,Zoucheng 273513,China)

Based on monitoring data of SOS seis mic monitoring system from a colliery,this papermade statistic analysis of shock frequency and energy under different mining speeds. It researched correlation relationship of mining activity and shock bump.Results showed that shock bump was direct resultofmining activity.The number and energyof shock bump with low energywasproximate linear positive correlation with mining speed,but those with high energywas nonlinear relate with mining speed.Mining speed was quicker,number and energy of shock bump with low energywas larger and the proportion of relative high energywas obvious higher.This paper put forward that reducingmining speedmight control number and energy of shock bump with low energy and thatminingwith slow constant speed might reduce number of shock bump.

full-mechanized cavingmining;mining activity;rule of shock bump;correlation relationship

TD324

A

1006-6225(2010)01-0011-04

2009-09-25

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃 (973)資助項目 (2010CB26805,2005cb221501-03);國家 “十一五”科技支撐計劃資助項目(2006BAK03B06,2006BAK04B02);國家自然科學基金資助項目 (50490273,50474068)

江 衡 (1984-),男,湖南衡山人,碩士研究生,主要從事礦山壓力、沖擊礦壓、采礦地球物理等方面的研究。

毛德兵]