區(qū)域多工作面協(xié)調(diào)開(kāi)采防治沖擊地壓實(shí)踐研究

李一哲，秦 凱，王 寅，李云鵬，管新邦，趙善坤，郝其林，許士奎

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.河南大有能源股份有限公司，河南 義馬 472300；4.鄂托克前旗長(zhǎng)城五號(hào)礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200）

未來(lái)我國(guó)煤炭基地的建設(shè)朝著多礦區(qū)、特大型礦井、高產(chǎn)量、高效率的方向發(fā)展。礦區(qū)多礦井對(duì)煤炭資源逐步開(kāi)發(fā)過(guò)程中，難以避免會(huì)形成近距離多工作面開(kāi)采的狀態(tài)，由此造成了工作面之間的開(kāi)采擾動(dòng)。工作面受原巖應(yīng)力、自身的采動(dòng)應(yīng)力和外界強(qiáng)擾動(dòng)應(yīng)力的影響，有可能發(fā)生沖擊地壓、冒頂、煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害[1-3]。

針對(duì)既定的礦區(qū)，對(duì)某一區(qū)域內(nèi)多工作面開(kāi)采時(shí)，應(yīng)充分考慮工作面布置位置、接替順序及回采參數(shù)，工作面之間的緊密配合是礦井穩(wěn)定、安全生產(chǎn)的基本保證[4]。區(qū)域工作面數(shù)量多、位置集中將造成區(qū)域應(yīng)力擾動(dòng)強(qiáng)烈、危險(xiǎn)程度升高的局面；工作面過(guò)少、推進(jìn)速度過(guò)慢將會(huì)造成開(kāi)采效率不足、生產(chǎn)成本增加。因此，必須根據(jù)安全生產(chǎn)方針和礦井生產(chǎn)規(guī)模，安排合理的采煤工作面開(kāi)采順序和回采參數(shù)，保持協(xié)調(diào)的區(qū)域開(kāi)采關(guān)系。針對(duì)不同地質(zhì)條件下的礦區(qū)（井）協(xié)調(diào)開(kāi)采設(shè)計(jì)，歸納起來(lái)包括以下幾方面：①褶皺內(nèi)部工作面由向斜至背斜方向進(jìn)行回采[5]；②控制回采速度使其不超過(guò)存在動(dòng)力顯現(xiàn)工作面的安全速度[6]；③臨地塹開(kāi)采的工作面采高應(yīng)低于6 m，保護(hù)煤柱寬度應(yīng)大于50 m[7]；④大巷由煤層布置改為巖層布置，巷道與大巷呈一定角度改為二者垂直布置，盤(pán)區(qū)兩翼開(kāi)采改為一翼開(kāi)采，各盤(pán)區(qū)工作面交替開(kāi)采，同一采區(qū)工作面順序開(kāi)采[4]；⑤巨厚礫巖[8-9]、斷層[8-11]、褶曲[12]條件下，開(kāi)采煤層上下保護(hù)層；⑥巨厚堅(jiān)硬巖層下方工作面實(shí)施負(fù)煤柱巷道布置[13-15]。

目前有關(guān)于協(xié)調(diào)開(kāi)采防沖方法的研究，一方面更多關(guān)注單一工作面的合理布置對(duì)防沖的影響，少有涉及從多工作面之間應(yīng)力互擾控制的角度開(kāi)展沖擊地壓防治。另一方面，工作面協(xié)調(diào)開(kāi)采的布置方式和回采設(shè)計(jì)參數(shù)單一，針對(duì)布置工作面的地質(zhì)條件，以及工作面之間的距離、煤柱寬度等體系化參數(shù)的研究較少。為此以義馬礦區(qū)為例，基于相鄰工作面協(xié)調(diào)開(kāi)采防沖的原則及地質(zhì)因素和開(kāi)采因素取值，在躍進(jìn)煤礦和常村煤礦井間區(qū)域制定了協(xié)調(diào)開(kāi)采方案，通過(guò)微震評(píng)價(jià)了協(xié)調(diào)開(kāi)采對(duì)工作面之間應(yīng)力擾動(dòng)的弱化效果。

1 工程背景

義馬礦區(qū)經(jīng)數(shù)十年開(kāi)采，目前楊村煤礦已退出，其余四礦采深已接近或超過(guò)900 m，礦區(qū)深部煤層頂板賦存發(fā)育至地表或接近地表的厚度300～700 m的巨厚礫巖，礦區(qū)南部的井田邊界存在控制4 個(gè)煤礦的大型逆沖斷層，使得沖擊地壓成為該礦區(qū)的主要災(zāi)害之一。礦區(qū)構(gòu)造分布及開(kāi)采特征如圖1。

圖1 義馬礦區(qū)構(gòu)造分布及開(kāi)采特征Fig.1 Structure distribution and current mining situation of Yima Mining Area

躍進(jìn)煤礦與常村煤礦之間煤炭開(kāi)發(fā)過(guò)程中，區(qū)域近距離的多工作面布置會(huì)造成強(qiáng)開(kāi)采互擾現(xiàn)象，由此面臨如何對(duì)多工作面合理布置的問(wèn)題，井間開(kāi)采特征如圖2。

圖2 井間開(kāi)采特征Fig.2 Current mining situation of two coal mines

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

該區(qū)域煤層傾角平均12°。由西向東煤厚逐漸增大，躍進(jìn)23 采區(qū)和常村21 采區(qū)平均煤厚分別為6.7、7.9 m。煤層上半部以半亮型塊狀硬質(zhì)煤為主，煤質(zhì)較好。下半部以半暗型煤為主，夾矸1～4 層，夾矸單層厚度0.03～1.30 m。

基本底為泥巖、砂巖和礫巖互層，厚度29.7～36.2 m；直接底為炭質(zhì)泥巖，厚度4.0～7.9 m；偽頂為泥巖，厚度0.05～0.20 m；直接頂為泥巖，厚度22.0～32.6 m；基本頂為砂礫互層，厚105 m 左右；基本頂上方巨厚礫巖層厚350～650 m。其中，泥巖：深灰色～灰黑色，致密，塊狀構(gòu)造，含植物化石，裂隙和節(jié)理較發(fā)育；砂巖：灰色，以石英巖為主，含黏土質(zhì)，泥質(zhì)膠結(jié)，夾細(xì)砂巖條帶狀裂紋，顯示波狀及渾濁狀層理；礫巖：淺灰色，礫石主要成分為淺灰色石英砂巖，泥砂質(zhì)基底式膠結(jié)；巨厚礫巖：礫石成分較雜，以石英砂巖、石英巖為主，含火成巖、石灰?guī)r礫石，礫徑一般為3～10 cm，磚紅色砂泥質(zhì)膠結(jié)物。

1.2 區(qū)域開(kāi)采特征

躍進(jìn)23 采區(qū)共布置10 個(gè)工作面，23070 工作面回采完畢后，23090 和23110 工作面下分層3.7 m煤層以及23130 工作面南部6.7 m 實(shí)體煤未開(kāi)采。常村21 采區(qū)共布置21 個(gè)工作面，21220 工作面回采完畢后，21141 和21161 工作面下分層4 m 煤層以及21220 和21150 工作面南部8 m 實(shí)體煤未開(kāi)采。井間23070-21220 煤柱寬度最大為140 m，北部23010-21162-21180 拐角煤柱寬度最小為77 m；下山區(qū)域21162-21132 煤柱寬度最大為460 m，南部21170-21200 煤柱寬度最小為250 m。

對(duì)于躍進(jìn)和常村煤礦而言，在礦井生產(chǎn)能力和采區(qū)一翼一采煤工作面的政策制約條件下，躍進(jìn)23采區(qū)（單翼采區(qū)）可布置1 個(gè)回采工作面，常村21 采區(qū)（雙翼采區(qū)）兩翼可分別各布置1 個(gè)工作面。因此23 采區(qū)可接替的工作面為23092、23150、23170 工作面（藍(lán)色標(biāo)識(shí)）。常村21 采區(qū)西翼可接替的工作面為21162、21240 工作面（藍(lán)色標(biāo)識(shí)），而東翼僅剩余21170 工作面，確定為東翼的接替工作面。

為了從躍進(jìn)23 采區(qū)的3 個(gè)工作面和常村21 采區(qū)西翼的2 個(gè)工作面中各自選取1 個(gè)工作面作為接替開(kāi)采的工作面，以下對(duì)該5 個(gè)工作面的不同接替方案展開(kāi)了對(duì)比分析。

2 區(qū)域協(xié)調(diào)開(kāi)采防沖實(shí)踐

2.1 相鄰工作面協(xié)調(diào)開(kāi)采防沖參數(shù)

工作面之間的開(kāi)采擾動(dòng)表現(xiàn)形式之一為相鄰工作面應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象[17]，是指一側(cè)開(kāi)采后的應(yīng)力重分布導(dǎo)致另一側(cè)工作面垂直應(yīng)力升高的現(xiàn)象。應(yīng)力轉(zhuǎn)移可能誘發(fā)工作面沖擊地壓，因此對(duì)相鄰工作面之間應(yīng)力轉(zhuǎn)移的控制是防治開(kāi)采互擾誘沖的手段之一。

基于數(shù)值模擬和相似模擬，以弱化和消除相鄰工作面之間的應(yīng)力轉(zhuǎn)移為目標(biāo)，得到了義馬礦區(qū)兩相鄰工作面的協(xié)調(diào)開(kāi)采原則及參數(shù)[18-19]：

1）煤層厚度。工作面優(yōu)先布置在煤層較薄的區(qū)域，條件允許時(shí)，選擇區(qū)域應(yīng)滿(mǎn)足煤層厚度≤16 m。當(dāng)區(qū)域煤層厚度均超過(guò)16 m 時(shí)，所選開(kāi)采區(qū)域應(yīng)滿(mǎn)足煤層厚度≤28 m。

2）巨厚礫巖厚度。工作面優(yōu)先布置在巨厚礫巖較薄的區(qū)域，條件允許時(shí)，選擇區(qū)域應(yīng)滿(mǎn)足其上覆巨厚礫巖厚度≤210 m。當(dāng)區(qū)域巨厚礫巖厚度均超過(guò)210 m 時(shí)，區(qū)域首選的巨厚礫巖厚度臨界值上升至320 m，以此類(lèi)推，優(yōu)選條件應(yīng)分別低于365、400、438、517、722 m。

3）中間煤柱寬度。盡量增大兩工作面之間的煤柱尺寸，條件允許時(shí)，留設(shè)的煤柱寬度應(yīng)超過(guò)607 m，否則煤柱寬度應(yīng)不小于21 m。

4）工作面垂直錯(cuò)距。盡可能增大鄰面的垂直錯(cuò)距，條件允許時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足錯(cuò)距≥248 m。

5）工作面水平距離。盡可能增大后采面回采初期時(shí)距先采面的距離，建議后采面由距離先采面的最遠(yuǎn)處向著靠近先采面采空區(qū)的方向回采。

6）工作面與逆沖斷層距離。盡可能使工作面遠(yuǎn)離逆沖斷層，工作面與斷層的距離不應(yīng)低于106 m。

2.2 協(xié)調(diào)開(kāi)采方案

針對(duì)單一工作面的煤層厚度、巨厚礫巖厚度和工作面-斷層距離因素，區(qū)域各接替工作面的因素特征值見(jiàn)表1。

表1 單一工作面因素特征值對(duì)比Table 1 Comparison of characteristic values of the factors in single working face

由表1 可知：對(duì)于煤層厚度，5 個(gè)接替工作面的煤層厚度均滿(mǎn)足小于16 m 的合理范圍，但由于23092 和21162 工作面下分層開(kāi)采導(dǎo)致煤層厚度較小，因而優(yōu)先選取。

對(duì)于巨厚礫巖厚度，23 采區(qū)中僅23092 工作面巨厚礫巖厚度低于517 m，21 采區(qū)21162 工作面礫巖厚度更小，故優(yōu)先選擇。

對(duì)于工作面與逆沖斷層距離，23092 和21162工作面分別距離斷層較遠(yuǎn)，且23150 工作面掘進(jìn)期間發(fā)生過(guò)17 次劇烈的沖擊顯現(xiàn)，故優(yōu)先選擇23092和21162 工作面。

針對(duì)描述兩工作面的煤柱寬度、垂直錯(cuò)距和水平距離因素，區(qū)域不同的相鄰工作面組的因素特征值見(jiàn)表2。

由表2 可知：對(duì)于中間煤柱寬度和兩工作面切眼距離，23092-21162 和21170-21162 之間的煤柱寬度更大，故優(yōu)先選取。

表2 相鄰工作面因素特征值對(duì)比Table 2 Comparison of characteristic values of the factors in the adjacent working faces

對(duì)于垂直錯(cuò)距，除了23092-21240 錯(cuò)距未滿(mǎn)足合理范圍，其余工作面組均滿(mǎn)足，由于常村21 采區(qū)兩工作面組錯(cuò)距差別不大，但23092-21162 的錯(cuò)距顯著，因而優(yōu)選21162 工作面。

綜上所述，區(qū)域應(yīng)選取23092 工作面和21162工作面作為接替面?；诖耍謩e對(duì)23092、21162 和21170 工作面布置并回采。

3 區(qū)域協(xié)調(diào)開(kāi)采防沖效果評(píng)價(jià)

3.1 對(duì)比方案

為了驗(yàn)證協(xié)調(diào)開(kāi)采的效果，首先將躍進(jìn)-常村井間工作面與耿村-千秋井間工作面（耿村13230 和千秋21221 協(xié)調(diào)開(kāi)采程度進(jìn)行對(duì)比，兩區(qū)域相鄰工作面組的因素特征值見(jiàn)表3。其中13230 回采時(shí)，21121 已停采8 年，故該鄰面水平距離為13230 切眼中部至21121 終采線(xiàn)中部的直線(xiàn)長(zhǎng)度。

表3 相鄰工作面地質(zhì)和開(kāi)采因素特征值Table 3 Characteristic values of geological and mining factors of adjacent working faces between two mines

由表3 可知：13230-21121 工作面組的煤層厚度大，垂直錯(cuò)距和兩工作面距離最??；巨厚礫巖厚度和煤柱寬度方面，13230-21121 工作面組與23092-21162 工作面組差別不大，但分別明顯高于和低于21170-21162 工作面組。基于協(xié)調(diào)開(kāi)采的原則，認(rèn)為13230-21121 工作面組協(xié)調(diào)開(kāi)采程度較低，故對(duì)兩井間區(qū)域應(yīng)力轉(zhuǎn)移程度進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證協(xié)調(diào)開(kāi)采效果。

由文獻(xiàn)［17］可知，一側(cè)的煤炭開(kāi)采或煤體沖擊失穩(wěn)均可能導(dǎo)致應(yīng)力轉(zhuǎn)移的發(fā)生，應(yīng)力轉(zhuǎn)移特征使用微震表征。應(yīng)力轉(zhuǎn)移過(guò)程中，區(qū)域的相鄰工作面會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生2 個(gè)微震事件（每個(gè)工作面各1個(gè)）。其中，先發(fā)生的微震事件由一側(cè)工作面煤巖體破裂產(chǎn)生；后發(fā)生的微震事件由應(yīng)力轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的另一側(cè)煤巖體破裂產(chǎn)生，稱(chēng)為引發(fā)微震事件。為此，對(duì)2種應(yīng)力轉(zhuǎn)移條件下的沖擊特征及微震特征展開(kāi)深入分析。

3.2 沖擊引發(fā)應(yīng)力轉(zhuǎn)移

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)沖擊顯現(xiàn)記錄的統(tǒng)計(jì)，躍進(jìn)-常村23092 和21162 回采期間均無(wú)沖擊顯現(xiàn)事件，21170工作面回采期間共發(fā)生12 次沖擊顯現(xiàn)。躍進(jìn)-常村井間沖擊引發(fā)應(yīng)力轉(zhuǎn)移特征見(jiàn)表4。此外，耿村-千秋井間應(yīng)力轉(zhuǎn)移特征見(jiàn)表5。

表4 躍進(jìn)-常村井間沖擊引發(fā)應(yīng)力轉(zhuǎn)移特征Table 4 Characteristics of stress transfer induced by rock burst between Yuejin and Changcun coal mines

表5 耿村-千秋井間沖擊引發(fā)應(yīng)力轉(zhuǎn)移特征Table 5 Characteristics of stress transfer induced by rock burst between Gengcun and Qianqiu coal mines

由表4、表5 可知：躍進(jìn)-常村井間區(qū)域僅存在3 次由21170 工作面沖擊引發(fā)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，且3次應(yīng)力轉(zhuǎn)移均未引發(fā)其余工作面沖擊，僅引發(fā)其余工作面的微震能量釋放。因此，從一側(cè)沖擊引發(fā)另一側(cè)沖擊和微震的事件次數(shù)而言，躍進(jìn)-常村井間區(qū)域（0 次和3 次）均明顯少于耿村-千秋井間區(qū)域（4 次和7 次），沖擊引發(fā)應(yīng)力轉(zhuǎn)移頻次降低57.1%。此外，從引發(fā)的微震事件平均能量來(lái)看，躍進(jìn)-常村井間區(qū)域微震能量（238 529 J）低于耿村-千秋井間區(qū)域微震能量（2 172 484 J）1 個(gè)數(shù)量級(jí)，平均能量值降低89%。上述現(xiàn)象說(shuō)明區(qū)域工作面經(jīng)協(xié)調(diào)開(kāi)采后，井間應(yīng)力轉(zhuǎn)移的頻次和強(qiáng)度明顯降低，應(yīng)力轉(zhuǎn)移弱化效果明顯。

3.3 開(kāi)采引發(fā)應(yīng)力轉(zhuǎn)移

兩井間區(qū)域引發(fā)的微震事件數(shù)、引發(fā)的微震事件平均能量和引發(fā)的微震事件最高能量如圖3。

圖3 開(kāi)采引發(fā)應(yīng)力轉(zhuǎn)移頻度和強(qiáng)度對(duì)比Fig.3 Comparison of frequency and strength of stress transfer induced by mining

由圖3 可知，躍進(jìn)-常村井間區(qū)域的2 組工作面的引發(fā)微震事件數(shù)分別為1 個(gè)和28 個(gè)，均明顯少于耿村13230-21121 的引發(fā)微震事件數(shù)（46 個(gè)），開(kāi)采引發(fā)應(yīng)力轉(zhuǎn)移頻次降低40%；兩相鄰工作面引發(fā)的微震事件平均能量分別為1 100、3 879 J，所有引發(fā)事件平均能量值為3 783 J，均低于13230-21121 工作面的微震能量均值（424 280 J）2 個(gè)數(shù)量級(jí)，所有事件平均能量值降低99.1%；且引發(fā)的微震事件最高能量分別為1 100、29 616 J，低于13230-21121的微震最高能量（1.7×107J）3～4 個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，躍進(jìn)-常村井間區(qū)域的應(yīng)力轉(zhuǎn)移頻次和強(qiáng)度明顯降低，說(shuō)明協(xié)調(diào)開(kāi)采對(duì)于應(yīng)力轉(zhuǎn)移強(qiáng)度及頻度弱化的效果較為明顯。

若區(qū)域的應(yīng)力轉(zhuǎn)移程度越強(qiáng)，則其擾動(dòng)的煤巖體就越遠(yuǎn)，故應(yīng)力轉(zhuǎn)移發(fā)生的范圍與應(yīng)力轉(zhuǎn)移程度呈正相關(guān)關(guān)系。現(xiàn)場(chǎng)可使用兩微震事件在水平面上的距離表征應(yīng)力轉(zhuǎn)移范圍[18-19]，兩井間區(qū)域相鄰工作面的應(yīng)力轉(zhuǎn)移距離特征如圖4。

圖4 開(kāi)采引發(fā)應(yīng)力轉(zhuǎn)移范圍對(duì)比Fig.4 Comparison of distance of stress transfer induced by mining

由圖4 可知：躍進(jìn)-常村井間區(qū)域的兩相鄰工作面的應(yīng)力轉(zhuǎn)移平均距離分別為605、1 585 m，所有引發(fā)事件組的平均距離為639 m，均少于13230-21121 工作面組的應(yīng)力轉(zhuǎn)移平均距離（1 968 m），應(yīng)力轉(zhuǎn)移距離減小了67.5%；且最大距離分別為874、1 585 m，亦均明顯小于13230-21121 工作面組的應(yīng)力轉(zhuǎn)移最大距離（2 931 m）。上述現(xiàn)象說(shuō)明協(xié)調(diào)開(kāi)采對(duì)于應(yīng)力轉(zhuǎn)移范圍弱化的效果較為明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）工作面協(xié)調(diào)開(kāi)采防治沖擊地壓是指對(duì)區(qū)域開(kāi)拓布置及工作面回采設(shè)計(jì)優(yōu)化，內(nèi)容包括煤層厚度、巨厚礫巖厚度、兩工作面之間煤柱寬度、鄰面水平距離、鄰面垂直錯(cuò)距、工作面與逆沖斷層距離。

2）躍進(jìn)-常村井間23092 工作面和21162 工作面煤層厚度和巨厚礫巖厚度最??；23092-21162 工作面組和21170-21162 工作面組開(kāi)采時(shí)的煤柱寬度最大，鄰面垂直錯(cuò)距和水平距離最遠(yuǎn)，井間應(yīng)選擇23092、21162、21170 工作面進(jìn)行開(kāi)采。

3）工作面協(xié)調(diào)開(kāi)采防沖效果明顯。沖擊引發(fā)應(yīng)力轉(zhuǎn)移和開(kāi)采引發(fā)應(yīng)力轉(zhuǎn)移的頻次和強(qiáng)度均明顯降低，頻次分別降低了57.1%和40%，強(qiáng)度分別降低了89%和99.1%；應(yīng)力轉(zhuǎn)移范圍明顯減小，應(yīng)力轉(zhuǎn)移的平均距離減小了67.5%。