不規(guī)則工作面開(kāi)采礦震活動(dòng)規(guī)律及其致沖風(fēng)險(xiǎn)控制研究

曹安業(yè)，趙書(shū)寧，孫 偉，郭 偉，劉延俊，桑成辛

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.陜西永隴能源開(kāi)發(fā)建設(shè)有限責(zé)任公司 崔木煤礦，陜西 寶雞 721501）

近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、煤炭開(kāi)采和需求量的不斷增加，導(dǎo)致我國(guó)煤礦開(kāi)采深度逐年增大。諸多煤炭開(kāi)采進(jìn)入深部開(kāi)采階段，國(guó)內(nèi)礦井開(kāi)采深度超過(guò)1 000 m 的礦井多達(dá)50 個(gè)。隨著開(kāi)采深度的增加，開(kāi)采強(qiáng)度加大、開(kāi)采布局變得復(fù)雜，沖擊地壓災(zāi)害頻繁發(fā)生，對(duì)礦山安全開(kāi)采構(gòu)成了極大威脅[1-3]。諸多學(xué)者針對(duì)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理開(kāi)展了大量的研究，并且基于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理制定了相關(guān)防治措施[4-9]。其中，動(dòng)靜載疊加作用是沖擊地壓發(fā)生的根本原因[10-12]。當(dāng)采掘空間周圍煤巖體中的靜載荷與礦震形成的動(dòng)載荷疊加超過(guò)煤巖體沖擊的最小載荷時(shí)會(huì)發(fā)生沖擊地壓，不同點(diǎn)是靜載應(yīng)力和動(dòng)載應(yīng)力在沖擊地壓發(fā)生時(shí)的貢獻(xiàn)大小不同。

煤礦開(kāi)采是對(duì)煤巖應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)擾動(dòng)過(guò)程，原巖應(yīng)力平衡打破后，應(yīng)力將經(jīng)歷動(dòng)態(tài)調(diào)整至新平衡，應(yīng)力的動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程將產(chǎn)生礦震，礦震動(dòng)力擾動(dòng)是誘發(fā)沖擊地壓的主要原因之一，沖擊地壓多發(fā)生在礦震活動(dòng)頻繁、礦震能量較高的時(shí)期[13]。礦震是礦井動(dòng)載來(lái)源，研究表明，礦震能量達(dá)到104J 時(shí)，有誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)的危險(xiǎn)。賀虎等[14]研究了高褶皺構(gòu)造應(yīng)力區(qū)域礦震時(shí)空演化規(guī)律，并制定了勻速回采與超前卸壓的礦震災(zāi)害防治措施；曹安業(yè)等[15-16]分析了典型礦震的震源機(jī)制，為現(xiàn)場(chǎng)快速識(shí)別沖擊危險(xiǎn)信號(hào)與及時(shí)采取解危措施提供了重要依據(jù)；武少國(guó)等[17]開(kāi)展了防沖擊煤柱寬度變化期間的微震活動(dòng)規(guī)律，并提出了針對(duì)該條件下的沖擊地壓綜合防治措施；王浩等[18]基于礦震能量、頻次及其空間分布特征分析了逆斷層構(gòu)造影響區(qū)域的不規(guī)則綜放工作面沖擊危險(xiǎn)性。綜上所述，不同地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)條件下的礦震活動(dòng)規(guī)律不同，因此從源頭上降低礦震能量、頻次，對(duì)沖擊地壓的防治有著重要意義。陜西某礦特厚煤層工作面開(kāi)采期間曾發(fā)生由強(qiáng)礦震引起的沖擊地壓現(xiàn)象，造成巷道部分區(qū)域產(chǎn)生底鼓和片幫現(xiàn)象。強(qiáng)礦震形成的動(dòng)力擾動(dòng)易誘發(fā)沖擊地壓危險(xiǎn)；由于21306 不規(guī)則工作面在回采過(guò)程中發(fā)生大量104J 以上礦震，故研究特厚煤層不規(guī)則工作面開(kāi)采條件下礦震活動(dòng)規(guī)律，制定相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)控制措施，為相似條件工作面的礦震致沖風(fēng)險(xiǎn)控制提供借鑒。

1 工程概況

陜西某礦21306 工作面采深在650～760 m，開(kāi)采深度大。煤層厚度在8.5～15.7 m，平均厚度12.7 m，平均傾角3°，煤層具強(qiáng)沖擊傾向性，煤層頂板為弱沖擊傾向性。為減少工作面回采后期給運(yùn)輸大巷造成的危害，對(duì)原設(shè)計(jì)的回風(fēng)巷進(jìn)行了改造，初步設(shè)計(jì)預(yù)留約94 m 大巷保護(hù)煤柱，在回采后期形成了“刀把”形不規(guī)則工作面，工作面走向長(zhǎng)1 200 m，傾向長(zhǎng)160 m（縮面部分為110 m），工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面南距21305 工作面采空區(qū)間留有35 m 區(qū)段煤柱，西側(cè)為西大巷，北側(cè)為運(yùn)輸大巷。21306 工作面布置如圖1。

圖1 21306 工作面平面圖Fig.1 Plan of 21306 working surface

根據(jù)工作面煤層柱狀圖及煤層、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合關(guān)鍵層判別方法，對(duì)滿足（qn）m＜（qn-1）m的第n 層覆巖層判定為關(guān)鍵層[19]。

式中：（qn）m為第n 層頂板對(duì)第m 層頂板的載荷，MPa；m、n、i 分別為頂板巖層序號(hào)；Em為第m 層覆巖的彈性模量GPa；hm為第m 層覆巖的厚度，m；Ei為第i 層覆巖的彈性模量，GPa；hi為第i 層覆巖的厚度，m；ρi為第i 層覆巖的密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2。

判定21306 工作面煤層上部存在5 層硬巖，工作面上覆巖層關(guān)鍵層見(jiàn)表1。

表1 工作面上覆巖層關(guān)鍵層Table 1 Overlying strata on working face

2 工作面開(kāi)采礦震活動(dòng)規(guī)律

2.1 工作面上覆巖層破斷特征

相鄰工作面采空區(qū)間煤柱寬度可決定上覆巖層能否形成相互作用的空間結(jié)構(gòu)。一般情況下，20 m以上的大煤柱能夠有效隔離兩工作面采空區(qū)間覆巖協(xié)同運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工作面煤柱寬度較小，相鄰工作面采空區(qū)間覆巖將會(huì)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，形成相互作用的空間結(jié)構(gòu)。竇林名等[20]綜合頂板斷裂線與煤柱穩(wěn)定所需寬度條件，得出兩相鄰工作面采空區(qū)覆巖形成獨(dú)立空間結(jié)構(gòu)的煤柱寬度Lmin為：

式中：Ld為基本頂斷裂線距煤壁位置，m；R 為煤柱屈服區(qū)寬度，m；Wc為煤柱彈性區(qū)寬度，m。

根據(jù)工作開(kāi)采情況可知，式（2）中Ld=8.5 m，R=7.5 m，Wc=0.85 m，則Lmin≥17 m，21306 工作面與21305 工作面之間煤柱寬度為35 m，滿足上述條件，35 m 煤柱可在一定程度上隔離兩工作面采空區(qū)覆巖協(xié)同運(yùn)動(dòng)，特別是在21306 工作面回采初期采空區(qū)覆巖難以發(fā)生大范圍協(xié)同運(yùn)動(dòng)，隨著采空范圍增大，35 mm 煤柱的隔離效應(yīng)減弱，采空區(qū)覆巖協(xié)同運(yùn)動(dòng)可能性增大。

21306 工作面回采前，相鄰21305 工作面已停采半年左右，采空區(qū)范圍較大，其上覆巖層破斷充分至基本趨于穩(wěn)定。隨著工作面的推進(jìn)，21306 工作面關(guān)鍵層形成“O－X”型破斷結(jié)構(gòu)，工作面覆巖關(guān)鍵層將發(fā)生初次及周期性破斷，同時(shí)覆巖斷裂破壞高度也隨著采空區(qū)范圍的不斷擴(kuò)大逐漸向上演化。工作面非縮面階段回采結(jié)束后，與相鄰采空區(qū)形成對(duì)稱長(zhǎng)臂T 型結(jié)構(gòu)，非縮面（160 m）階段開(kāi)采傾向覆巖結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 非縮面（160 m）階段開(kāi)采傾向覆巖結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of overlying strata above working face at the non-shrinking stage（160 m）

21306 在進(jìn)入縮面階段后，雖然工作面長(zhǎng)度由原來(lái)的160 m 縮短至110 m，但頂板覆巖仍發(fā)生周期性破斷，周期破斷距較縮面前有所增加?？s面（110 m）階段開(kāi)采傾向覆巖結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 縮面（110 m）階段開(kāi)采傾向覆巖結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of overlying strata above working face at the shrinking stage（110 m）

2.2 工作面開(kāi)采圍巖應(yīng)力分布特征

數(shù)值模型以21306 工作面實(shí)際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)工作面地質(zhì)條件進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，煤層傾角按水平考慮。數(shù)值模型尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為：2 000 m×1 000 m×283 m，共劃分545 000 個(gè)網(wǎng)格單元、632 379 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

模型采用應(yīng)變軟化準(zhǔn)則，設(shè)定邊界條件為：x、y方向設(shè)定水平位移為0，模型下邊界固支，即下邊界的位移為0，上邊界為施加等效載荷的自由邊界，承受的自重為9.93 MPa，兩側(cè)施加17.32 MPa，方向?yàn)閤、y 軸方向。模型中煤巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of coal and rock mass

2.2.1 工作面回采前煤柱區(qū)應(yīng)力分布特征

根據(jù)建立的FLAC3D數(shù)值模型，在給定力學(xué)條件與位移邊界條件下計(jì)算，使模型由初始狀態(tài)達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)。按照實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程先開(kāi)挖大巷和21305 工作面，在采空區(qū)應(yīng)力平衡后，對(duì)21306 工作面進(jìn)行回采。21306 工作面回采前煤柱區(qū)應(yīng)力分布特征如圖4。

圖4 21306 工作面回采前應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of 21306 working face before mining

由圖4 可知：21306 工作面回采前，受21305 采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響下，區(qū)段煤柱區(qū)域應(yīng)力集中程度較高，最大垂直應(yīng)力為38.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.40。由此可知：21306 工作面回采前，臨采空區(qū)側(cè)已處于高應(yīng)力狀態(tài)；21305 工作面回采已對(duì)運(yùn)輸大巷安全產(chǎn)生一定影響，故21306 工作面回采必然會(huì)對(duì)運(yùn)輸大巷產(chǎn)生進(jìn)一步影響。

2.2.2 工作面非縮面開(kāi)采階段圍巖應(yīng)力分布特征

21306 工作面非縮面開(kāi)采階段回采80、480、880 m 等不同時(shí)期圍巖應(yīng)力分布如圖5。

圖5 工作面非縮面開(kāi)采階段圍巖應(yīng)力分布特征Fig.5 Stress distribution characteristics of the surrounding rock in the working face at the non-shrinking stage

由圖5 可知：在21306 工作面回采期間，工作面前方及運(yùn)輸大巷側(cè)應(yīng)力影響范圍不斷擴(kuò)大，該區(qū)域應(yīng)力集中程度不斷增大；隨著工作面推進(jìn)，區(qū)段煤柱區(qū)域應(yīng)力集中程度明顯加大；在回采80 m 時(shí)區(qū)段煤柱最大應(yīng)力為42.3 MPa；回采至480 m 時(shí)垂直應(yīng)力已達(dá)到54.67 MPa，約是回采前垂直應(yīng)力的1.41 倍；在工作面回采480～880 m 范圍內(nèi)均維持在35 MPa 左右，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.17，工作面當(dāng)前回采位置前方運(yùn)輸巷（采空區(qū)側(cè)）附近應(yīng)力集中程度較高。

2.2.3 工作面縮面開(kāi)采階段圍巖應(yīng)力分布特征

在工作面回采后期，為減少回采擾動(dòng)對(duì)運(yùn)輸大巷的影響，考慮采用縮短工作面長(zhǎng)度的方法以減少對(duì)運(yùn)輸大巷危害，2 種方案的模擬結(jié)果分別如圖6。

圖6 回采后期工作面長(zhǎng)度變化圍巖應(yīng)力對(duì)比Fig.6 Comparison of surrounding rock stress of working face length in later stage of mining

由圖6 可知：隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，其距運(yùn)輸大巷垂直距離越來(lái)越小，運(yùn)輸大巷最大垂直應(yīng)力不斷上升，回采至900 m 處時(shí)，運(yùn)輸大巷已受到工作面回采擾動(dòng)影響。由圖6（c）、圖6（d）回采后期工作面長(zhǎng)度變化圍巖應(yīng)力對(duì)比可知：工作面長(zhǎng)度縮短之后對(duì)運(yùn)輸大巷的影響范圍較不縮面而言明顯減少。此外，在工作面縮短之后形成“刀把型”不規(guī)則工作面，由此造成工作面縮面階段應(yīng)力明顯高于非縮面開(kāi)采階段，縮短拐角區(qū)域應(yīng)力集中程度明顯較高。

不同條件下工作面距模型邊界圍巖應(yīng)力分布對(duì)比如圖7。

圖7 不同條件下工作面距模型邊界圍巖應(yīng)力分布對(duì)比Fig.7 Comparison of stress distribution of the surrounding rock under different conditions

由圖7 可知：隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，縮面較不縮面而言運(yùn)輸大巷區(qū)域應(yīng)力有一定程度的降低；在縮面回采至1 200 m 時(shí)，運(yùn)輸大巷最低應(yīng)力為13.5 MPa；不縮面回采至1 200 m 時(shí)，運(yùn)輸大巷區(qū)域最低應(yīng)力為14.1 MPa；故縮面開(kāi)采能夠有效降低回采擾動(dòng)對(duì)運(yùn)輸大巷危害；縮面開(kāi)采后，高應(yīng)力區(qū)更多集中在遠(yuǎn)離運(yùn)輸大巷區(qū)域；當(dāng)工作面開(kāi)采900 m 后形成“刀把型”不規(guī)則面而造成部分區(qū)域應(yīng)力集中程度明顯，最大應(yīng)力達(dá)到40.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)2.52；當(dāng)工作面繼續(xù)回采至980 m 時(shí)則降低至31 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)降低至1.9；開(kāi)采至1 200 m 較980 m 位置有一定程度降低，降低了0.25 MPa。故縮面階段開(kāi)采期間隨著開(kāi)采區(qū)域遠(yuǎn)離縮面拐角區(qū)域應(yīng)力逐漸降低，但降低幅度較小。

2.3 工作面開(kāi)采各階段礦震活動(dòng)規(guī)律

利用SOS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)21306 工作面回采期間的礦震進(jìn)行記錄、定位以及能量計(jì)算。

2.3.1 非縮面開(kāi)采階段礦震活動(dòng)規(guī)律

2015-10-20—2016-03-18 期間，21306 工作面從開(kāi)切眼推進(jìn)至約860 m 處，監(jiān)測(cè)到的非縮面開(kāi)采礦震統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，工作面非縮面開(kāi)采微震能量、頻次變化曲線如圖8。

表3 非縮面開(kāi)采礦震統(tǒng)計(jì)Table 3 Non-shrinkage mining shock bump statistics

圖8 工作面非縮面開(kāi)采微震能量、頻次變化曲線Fig.8 Variation curves of micro-seismic energy and frequency in non-shrinking mining of working face

由表3 可以看出：21306 工作面回采初期，礦震能量主要分布在103～105J 范圍；隨著工作面向前推進(jìn)至“見(jiàn)方”階段，102～103J 小能量礦震減少，104～105J 礦震發(fā)生頻次約是回采初期的2.45 倍，105J以上礦震更是回采初期的4 倍左右。圖8（a）顯示，由開(kāi)采初期至“見(jiàn)方”階段工作面日震動(dòng)總能量及日震動(dòng)頻次皆呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在12 月4 日（280 m）左右日震動(dòng)總能量達(dá)到最大值；此后，工作面日震動(dòng)總能量有所下降，但日震動(dòng)頻次后期仍維持較高水平。

工作面410～860 m 開(kāi)采階段礦震能量主要分布在103～105J 范圍內(nèi)。工作面開(kāi)采至635 m 期間大于104J 能量發(fā)生頻次達(dá)到最大值，而小于104J 能量發(fā)生頻次達(dá)到最小值。圖8（b）統(tǒng)計(jì)顯示，該階段日礦震總能量初期呈上升趨勢(shì)，1 月10 日以后整體呈下降趨勢(shì)，但工作面日震動(dòng)頻次維持在較高水平。

21306 工作面在該回采過(guò)程中發(fā)生較多能量大于105J 以上礦震，共514 次。小于104J 能量頻次逐漸降低后，大于104J 的大能量事件逐漸增多。研究表明，沖擊地壓和大能量礦震總是相伴而生[21]。為此選取工作面回采過(guò)程中非縮面開(kāi)采階段能量大于2×105J 礦震進(jìn)行分析。21306 工作面不同回采期間大能量礦震空間分布情況如圖9。

圖9 非縮面開(kāi)采階段大能量礦震空間分布Fig.9 Spatial distribution of strong shock bump in the non-shrinking stage

結(jié)合圖9 大能量礦震空間分布情況及工作面資料，從工作面推進(jìn)方向和垂直方向展開(kāi)統(tǒng)計(jì)分析得出：震源事件主要分布于回采工作面前方50 m 范圍內(nèi)，共有21 條記錄，占總事件數(shù)的41.2%；其次工作面前方50～100、100～150 m 發(fā)生頻率相對(duì)較大，分別占13.7%、9.8%；在工作面前方200 m 以上逐漸降至7.8%；隨著工作面開(kāi)采臨近縮面區(qū)域，工作面大能量礦震發(fā)生頻繁，且大能量礦震發(fā)生區(qū)域在工作面縮面區(qū)域。

由圖9（b）、圖9（d）可以看出：在垂直方向上（z=650 為巷道底板位置），礦震主要分布在+22～+74 m（底板為0 m 點(diǎn)）范圍內(nèi)，結(jié)合工作面關(guān)鍵層判斷可知，礦震集中分布于厚硬的中砂巖亞關(guān)鍵層1、2中，占總事件數(shù)的64.7%，其中發(fā)生在亞關(guān)鍵層1 中共有20 條，亞關(guān)鍵層2 中共有11 條。故可初步認(rèn)為，工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板巖層結(jié)構(gòu)特征、亞關(guān)鍵層周期性破斷是誘發(fā)大能量礦震發(fā)生的直接原因。

2.3.2 縮面開(kāi)采階段礦震活動(dòng)規(guī)律

2016-03-19—2016-05-31 期間，21306 工作面推進(jìn)范圍為860～1 180 m，監(jiān)測(cè)到的縮面開(kāi)采階段礦震統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4，工作面縮面階段微震能量、頻次變化曲線如圖10。

表4 縮面開(kāi)采階段礦震統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of shock bump at the first stage

圖10 工作面縮面階段微震能量、頻次變化曲線Fig.10 Variation curves of microseismic energy and frequency at the shrinking stage of working face

由圖10 可知：工作面日震動(dòng)總能量在縮面后即2016 年4 月5 日左右達(dá)到最大值1.6×106J，此后隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)逐漸降低并趨于平穩(wěn)；工作面日震動(dòng)頻次在進(jìn)入縮面階段后整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

工作面在該回采階段中發(fā)生能量大于105J 以上的礦震共42 次。選取工作面回采過(guò)程中縮面開(kāi)采階段能量大于2×105J 礦震進(jìn)行分析。工作面縮面階段回采期間大能量礦震空間分布情況如圖11。

圖11 縮面階段大能量礦震空間分布Fig.11 Spatial distribution of strong shock bump in the shrinking stage

結(jié)合表4 可知：工作面縮面回采階段礦震能量主要分布在102～104J 范圍。在優(yōu)化沖擊地壓防治措施后，隨著工作面向前推進(jìn)，進(jìn)入縮面階段形成“刀把型”工作面，震動(dòng)總數(shù)明顯增多；震動(dòng)主要為102～104J 低能量礦震，105J 以上大能量礦震所占比例大幅降低。由圖11 所示，工作面縮面階段開(kāi)采期間2×105J 以上強(qiáng)礦震數(shù)較非縮面開(kāi)采階段明顯降低。

2.4 工作面開(kāi)采礦震活動(dòng)規(guī)律

21306 不規(guī)則工作面開(kāi)采前，工作面臨空側(cè)已處于高應(yīng)力狀態(tài)。隨著工作面的開(kāi)采，35 m 寬的區(qū)段煤柱制約了兩工作面采空區(qū)間覆巖協(xié)同運(yùn)動(dòng)，使工作面覆巖形成“O－X”型破斷結(jié)構(gòu)，與相鄰采空區(qū)形成對(duì)稱長(zhǎng)臂T 型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致工作面臨空側(cè)巷道的應(yīng)力集中程度增大。同時(shí)，工作面縮面布置導(dǎo)致縮面拐角區(qū)域應(yīng)力集中，縮面開(kāi)采階段應(yīng)力集中程度較大。因此21306 工作面開(kāi)采期間整體處于高應(yīng)力環(huán)境下。

結(jié)合非縮面開(kāi)采階段微震監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：強(qiáng)礦震主要集中在工作面開(kāi)采縮面區(qū)域、見(jiàn)方區(qū)域，且強(qiáng)礦震主要發(fā)生在工作面前方50 m 及底板上方22～74 m 范圍內(nèi)。

綜合上述分析結(jié)果，特厚煤層工作面開(kāi)采期間礦震發(fā)生頻繁，強(qiáng)礦震頻繁發(fā)生前，小于104J 能量發(fā)生頻次逐漸降低。不規(guī)則工作面開(kāi)采期間大能量礦震主要發(fā)生在覆巖失穩(wěn)破斷和應(yīng)力集中程度較高區(qū)域，高應(yīng)力環(huán)境下頂板巖層結(jié)構(gòu)特征、亞關(guān)鍵層周期性破斷是誘發(fā)大能量礦震發(fā)生的直接原因。

3 礦震致沖風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)

3.1 控制方案

1）礦震致沖風(fēng)險(xiǎn)控制原方案。采用大直徑鉆孔卸壓，鉆孔直徑150 mm，孔深25 m，水平間距3 m，孔口距底板1.2 m，垂直煤壁布置。同時(shí)在工作面兩巷超前15 m 開(kāi)始，實(shí)施兩巷底板預(yù)裂爆破和頂板深空預(yù)裂爆破。底板爆破鉆孔直徑42 mm，組距3 m，每組兩底角各1 個(gè)鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度見(jiàn)巖為止，傾角均為60°，封孔長(zhǎng)度大于2 m；頂板爆破鉆孔直徑94 mm，每組3 個(gè)鉆孔，組距20 m，爆破采用煤礦安全許用三級(jí)乳化炸藥、毫秒延期電雷管配合發(fā)爆器起爆，連線方式采用串聯(lián)。具體頂板深孔預(yù)裂爆破參數(shù)見(jiàn)表5，礦震致沖風(fēng)險(xiǎn)控制方案如圖12。

表5 頂板預(yù)裂爆破參數(shù)Table 5 Parameters for roof rupture blasting

圖12 礦震致沖風(fēng)險(xiǎn)控制原方案Fig.12 The original plan for risk control of shock bump

2）礦震致沖風(fēng)險(xiǎn)控制優(yōu)化方案。結(jié)合上述分析，工作面后期開(kāi)采靜載應(yīng)力較大，上覆堅(jiān)硬巖層破斷誘發(fā)大能量礦震，動(dòng)載荷疊加可能超過(guò)煤巖體沖擊的最小載荷，工作面開(kāi)采沖擊危險(xiǎn)性較大。因此需在降低煤體應(yīng)力集中程度的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)弱化頂板結(jié)構(gòu)，降低懸頂長(zhǎng)度。故礦震致沖風(fēng)險(xiǎn)控制優(yōu)化方案為在原方案基礎(chǔ)上增加了部分頂板預(yù)裂爆破鉆孔，重新布置了原方案。優(yōu)化后頂板預(yù)裂爆破參數(shù)見(jiàn)表6，礦震致沖風(fēng)險(xiǎn)控制優(yōu)化方案如圖13。

表6 優(yōu)化后頂板預(yù)裂爆破參數(shù)Table 6 Optimized parameters for roof precracking blasting

圖13 礦震致沖風(fēng)險(xiǎn)控制優(yōu)化方案Fig.13 Optimized plan for risk control of shock bump

3.2 控制效果檢驗(yàn)

工作面回采期間礦震統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7。

表7 工作面回采期間礦震統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistics of shock bump during mining face

由微震監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：在優(yōu)化頂板爆破治理措施后，工作面回采縮面階段（860～1 180 m）礦震能量主要集中在102～104J 范圍。工作面回采期間礦震統(tǒng)結(jié)合圖9（d）、圖11（b）可知，縮面開(kāi)采階段105J 以上強(qiáng)礦震數(shù)明顯降低，表明優(yōu)化后的降載釋能控制方案對(duì)工作面強(qiáng)礦震治理起到良好效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）工作面開(kāi)采過(guò)程中，縮面和非縮面階段的上覆關(guān)鍵層均逐次發(fā)生“O－X”破斷及周期性破斷，同時(shí)覆巖斷裂破壞高度隨著開(kāi)采范圍的不斷擴(kuò)大逐漸向上演化直至主關(guān)鍵層，最終與相鄰采空區(qū)形成對(duì)稱長(zhǎng)臂T 型覆巖空間結(jié)構(gòu)。

2）通過(guò)數(shù)值模擬分析得出21306 工作面回采前，區(qū)段煤柱區(qū)域應(yīng)力集中程度較高；回采初期工作面前方及運(yùn)輸大巷側(cè)應(yīng)力隨開(kāi)采范圍擴(kuò)大逐漸升高；隨著工作面的開(kāi)采，區(qū)段煤柱承載載荷不斷加大，該區(qū)域始終處于高應(yīng)力狀態(tài)；工作面回采后期縮面形成“刀把型”不規(guī)則工作面造成改造風(fēng)巷側(cè)應(yīng)力集中程度較高，縮短拐角區(qū)域應(yīng)力集中程度明顯增大。同時(shí)通過(guò)模擬對(duì)比得出縮面能夠有效降低回采擾動(dòng)對(duì)運(yùn)輸大巷的影響。

3）工作面開(kāi)采期間強(qiáng)震源事件主要分布于回采工作面前方50 m 及底板上方22～74 m 范圍內(nèi)，強(qiáng)礦震誘發(fā)力源主要是由于高應(yīng)力環(huán)境下亞關(guān)鍵層1、亞關(guān)鍵層2 周期性破斷引起。

4）基于礦震活動(dòng)規(guī)律，優(yōu)化了動(dòng)靜載力源降載釋能的多手段控制方案。在措施實(shí)施后，工作面強(qiáng)礦震的治理起到良好的效果，保障了工作面后期的安全回采。