華亭礦區(qū)沖擊地壓危險(xiǎn)性受開(kāi)采強(qiáng)度影響分析

盧 熹，徐元強(qiáng)，喬中棟，張玉亮

(華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 華亭 744100)

沖擊地壓的影響因素是多方面的，但總的來(lái)說(shuō)，主要有地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)條件。因此，在采用綜合指數(shù)法進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)時(shí)，主要考慮地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)條件這兩大類影響因素[1-5]。地質(zhì)條件往往是難以改變的客觀自然因素，要改變沖擊危險(xiǎn)性，只能從改變開(kāi)采技術(shù)因素入手。近幾年，華亭礦區(qū)特別是華亭、硯北、山寨3對(duì)礦井，采取了調(diào)整開(kāi)采順序、減小隔離煤柱尺寸、下分層巷道內(nèi)錯(cuò)布置等措施，取得了較好的防沖效果。

從華亭礦區(qū)沖擊地壓顯現(xiàn)統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，開(kāi)采強(qiáng)度對(duì)沖擊地壓顯現(xiàn)的影響不容忽視，而開(kāi)采強(qiáng)度與工作面開(kāi)采設(shè)計(jì)參數(shù)緊密相關(guān)，主要包括工作面走向長(zhǎng)度、傾向長(zhǎng)度、開(kāi)采高度(放煤高度)、推進(jìn)速度等因素。

1 華亭礦區(qū)沖擊地壓開(kāi)采強(qiáng)度影響因素分析

1.1 工作面走向長(zhǎng)度

為了盡可能降低生產(chǎn)掘進(jìn)率，減少工作面搬家影響，回采工作面走向長(zhǎng)度一般都是根據(jù)采(盤)區(qū)劃分和煤層賦存情況確定。對(duì)于華亭礦區(qū)華亭、硯北、山寨、陳家溝等礦井而言，采區(qū)劃分和煤層賦存基本決定了工作的設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度，一般在1000～2200m之間。

1.2 工作面傾向長(zhǎng)度

采煤工作面長(zhǎng)度和采空區(qū)的大小對(duì)沖擊地壓的影響非常大，當(dāng)采空區(qū)的寬度之和達(dá)到0.4倍的開(kāi)采深度時(shí)，由于上覆巖層的充分移動(dòng)震動(dòng)釋放的能量是最大的，即沖擊地壓的危險(xiǎn)性是最大的，當(dāng)采空區(qū)寬度繼續(xù)增加時(shí)，由于上覆巖層的移動(dòng)處于平衡狀態(tài)，煤層中釋放的震動(dòng)能量將處于某一水平[3-5]。因此，工作面長(zhǎng)度對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)性的影響主要是在采空區(qū)寬度大于0.4倍的采深時(shí)。就防沖而言，沖擊地壓煤層應(yīng)采用長(zhǎng)壁開(kāi)采。防沖模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，當(dāng)工作面長(zhǎng)度大于50m后，加大工作面長(zhǎng)度對(duì)限制沖擊地壓的發(fā)生是有利的[4]。

為此，華亭礦區(qū)的華亭、硯北、山寨和陳家溝都采用了長(zhǎng)壁開(kāi)采方法。華亭、硯北工作面設(shè)計(jì)傾向長(zhǎng)度達(dá)200m，山寨、陳家溝工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度也達(dá)到了100m以上。

1.3 工作面推進(jìn)速度

研究表明，采煤工作面推進(jìn)速度與工作面礦震之間存在著明顯的關(guān)系，即工作面推進(jìn)速度越快，產(chǎn)生的礦震就越多，礦震釋放的能量也越大[6-10]。圖1～圖4是華亭礦區(qū)沖擊地壓顯現(xiàn)最為突出的硯北煤礦250207工作面典型的4次沖擊地壓地壓顯現(xiàn)前礦震釋放能量與工作面推進(jìn)度之間的關(guān)系統(tǒng)計(jì)情況。

圖1 1月4日沖擊前能量與推進(jìn)度關(guān)系

圖2 3月6日沖擊前能量與推進(jìn)度關(guān)系

圖3 3月26日沖擊前能量與推進(jìn)度關(guān)系

圖4 5月30日沖擊前能量與推進(jìn)度關(guān)系

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：工作面忽快忽慢推進(jìn)或工作面停產(chǎn)后恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)，突然快速推進(jìn)都可能引發(fā)沖擊地壓。也就是說(shuō)，工作面非勻速推進(jìn)，是誘發(fā)沖擊地壓的重要因素；沖擊地壓發(fā)生前，礦震釋放能量級(jí)別基本都在105J以上。

圖5為華亭煤礦250102工作面日推進(jìn)度與礦震釋放總能量關(guān)系散點(diǎn)圖。從圖中可以看出，只要工作面推進(jìn)，就會(huì)產(chǎn)生礦震。隨著工作面日推進(jìn)度的增大，105J能量級(jí)別的礦震次數(shù)總體隨之增多。當(dāng)工作面日推進(jìn)度超過(guò)3m時(shí)，5×105J、甚至106J能量級(jí)別的礦震次數(shù)明顯增多。

圖5 華亭煤礦250102工作面日推進(jìn)度與礦震能量釋放散點(diǎn)

根據(jù)以上分析，推進(jìn)速度是回采工作面沖擊危險(xiǎn)程度大小的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。且工作面是否勻速推進(jìn)，即工作面相鄰兩日推進(jìn)度相差大小，也是影響工作面沖擊危險(xiǎn)程度的重要因素，工作面推進(jìn)速度變化幅度越大，誘發(fā)沖擊的危險(xiǎn)程度也隨之增大。

根據(jù)華亭礦區(qū)各沖擊地壓礦井回采工作面設(shè)計(jì)，結(jié)合各礦生產(chǎn)任務(wù)指標(biāo)及防沖實(shí)踐總結(jié)，綜合考慮生產(chǎn)任務(wù)和防沖要求，可將回采工作面日推進(jìn)度控制在3.2m之內(nèi)，且盡量保持勻速推進(jìn)。若遇特殊情況影響，工作面相鄰兩日推進(jìn)度相差也應(yīng)控制在最小程度(以華亭礦區(qū)各礦井回采循環(huán)進(jìn)度0.8m考慮，相鄰兩日推進(jìn)度之差應(yīng)控制在0.8m之內(nèi))。

1.4 工作面開(kāi)采高度

沖擊地壓指數(shù)n與工作面采(放)高m之間的關(guān)系為[4]：

n=0.757m-0.707

(1)

隨著采高的增加，沖擊地壓危險(xiǎn)性也隨之增加。華亭礦區(qū)各沖擊地壓礦井均采用綜放開(kāi)采，采高一般都為3m，所以要降低沖擊地壓指數(shù)，只能從減小放煤高度入手。

對(duì)于綜放開(kāi)采而言，工作面放煤時(shí)，由于瞬時(shí)放落的煤量大，會(huì)突然改變放煤區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，煤層會(huì)出現(xiàn)突然卸壓、增壓，能量的釋放量和釋放速度也會(huì)顯著增加，導(dǎo)致煤層及圍巖強(qiáng)度發(fā)生急劇變化，當(dāng)其超過(guò)極限應(yīng)力值時(shí)，就會(huì)誘發(fā)沖擊地壓。

圖6～圖9是硯北煤礦250207工作面沖擊地壓顯現(xiàn)前礦震釋放能量與工作面放煤高度之間的關(guān)系統(tǒng)計(jì)情況。

圖6 1月4日沖擊前能量與放高關(guān)系

圖7 3月6日沖擊前能量與放高關(guān)系

圖8 3月26日沖擊前能量與放高關(guān)系

圖9 5月30日沖擊前能量與放高關(guān)系

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：工作面礦震釋放能量與放煤高度及其變化幅度存在一定的關(guān)系。放煤高度過(guò)大(9.0m以上)或放高變化幅度大都可能引發(fā)沖擊地壓。對(duì)于華亭礦區(qū)各沖擊地壓礦井來(lái)說(shuō)，因各礦井回采工作面設(shè)計(jì)采高基本都為3.0m，所以控制開(kāi)采高度實(shí)際也就是控制采放比。放煤高度過(guò)大，采空區(qū)懸頂離采場(chǎng)底板的高度就越大。對(duì)于堅(jiān)硬頂板煤層而言，工作面頂板垮落充填采空區(qū)的高度不大于采放煤高度時(shí)，上覆巖層破斷下沉釋放的能量和劇烈垮落對(duì)采場(chǎng)底部的瞬時(shí)沖擊就可能引發(fā)沖擊地壓[4-5，7-8，11]。

2 華亭礦區(qū)沖擊地壓危險(xiǎn)性影響因素完善

綜上所述，對(duì)于華亭礦區(qū)各沖擊地壓礦井具體開(kāi)采條件而言，為了科學(xué)評(píng)價(jià)沖擊地壓危險(xiǎn)性，在綜合指數(shù)法開(kāi)采技術(shù)條件因素11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，應(yīng)引入影響工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性的一個(gè)重要因素——開(kāi)采強(qiáng)度及均衡生產(chǎn)因素。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)分析，將開(kāi)采強(qiáng)度及均衡生產(chǎn)因素可歸納為3個(gè)具體的指標(biāo)：回采工作面推進(jìn)速度、回采工作面相鄰兩日推進(jìn)度變化大小和放頂煤工作面放高與采高之比。參照沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)生產(chǎn)技術(shù)因素指標(biāo)評(píng)價(jià)指數(shù)取值方法，賦予相應(yīng)的指數(shù)?；谌A亭礦區(qū)各沖擊地壓礦井綜放工作面采高基本都為3.0m，循環(huán)進(jìn)尺基本都為0.8m的具體情況，各指標(biāo)評(píng)價(jià)指數(shù)賦值見(jiàn)表1。

表1 華亭礦區(qū)開(kāi)采強(qiáng)度及均衡生產(chǎn)因素影響的沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)估

3 結(jié) 論

地質(zhì)條件是影響沖擊地壓的根本因素，開(kāi)采技術(shù)條件是沖擊地壓發(fā)生的主要誘發(fā)因素。對(duì)華亭礦區(qū)開(kāi)采技術(shù)條件而言，開(kāi)采強(qiáng)度及均衡生產(chǎn)是不容忽視的沖擊誘發(fā)因素。表征開(kāi)采強(qiáng)度及均衡生產(chǎn)的工作面推進(jìn)速度、工作面相鄰兩日推進(jìn)度變化大小、工作面放高與采高之比等3個(gè)量化指標(biāo)，對(duì)工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

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