單縣煤田深井構造區工作面回采速度與微震響應關系

張欣榮 何國志 劉繼功

（1.山東能源集團防沖中心，山東 濟南 250061；2.山東理工大學資源與環境工程學院，山東 淄博 255000；3.單縣能源有限責任公司，山東 菏澤 274000）

沖擊地壓是煤巖體瞬間劇烈失穩并釋放大量能量的動力現象[1-3]。隨著煤礦向深部開采，沖擊地壓礦井越來越多，而深部構造區應力分布異常，開采過程中極易出現應力集中，深部構造區沖擊地壓事故頻發且危害巨大。當前礦井防沖的重點之一是對沖擊危險的監測和預警，微震監測是沖擊地壓領域最先進和有效的手段之一[4]。微震是巖層運動和巖體震動的結果，能夠反映巖層能量釋放情況，微震特征被廣泛作為沖擊危險預測的指標。推采速度與覆巖運動規律存在聯系，微震監測系統響應特征能夠對覆巖空間結構進行較充分的解釋，推采速度的變化也將引起微震時間狀態的顯著不同。

陳蠻莊煤礦開采深度已超過千米，受區域斷層單縣斷層、平樓斷層以及終興集斷層的影響，主要發育有近EW、NE 和NW 三組傾向斷層，臺階狀向深部逐漸下降。西部、北部、東部的深部邊界多以單縣斷層、F2 斷層、平樓斷層為主，井田構造較為發育。

本文結合陳蠻莊煤礦3410 回采工作面微震監測結果，分析深井復雜構造區工作面回采速度與微震的響應關系，合理確定推采速度，有效防治沖擊地壓災害。

1 工程概況

礦井3410 工作面位于3 煤層千米以深的構造區內，區域煤田被大型斷層構造包圍，構造應力條件較復雜。工作面埋深1 149.0～1 193.8 m，傾向長162.2 m，推采長度1 564.6～1 581.8 m，采用智能化綜采一次采全高走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。3 煤層傾角6°～12°，平均8°，煤厚0.8～3.4 m，平均2.8 m，f=0.18。煤層直接頂為厚度5.2 m 的細砂巖，基本頂粉砂巖厚度10 m，直接底泥巖厚度1.5 m，基本底粉砂巖厚度12.3 m。如圖1，工作面南臨3408 工作面采空區，面內有較大范圍的煤層相變帶。區域歷史地表巖移監測顯示，地表沉降最大值為2.69 m，開采中心區域沉降值均大于1.5 m，上覆巖層隨工作面開采垮落較充分。

圖1 3410 工作面平面布置

經煤巖層沖擊傾向性鑒定，3 煤層屬于Ⅱ類，具有弱沖擊傾向性。在大采深、復雜構造條件下，3410 工作面存在較大沖擊風險，在工作面布置微震監測系統，對微震監測結果和推采速度間的關系進行分析研究，有助于工作面合理推進速度的確定，為沖擊地壓防治提供有效依據。

2 微震監測結果分析

2.1 微震事件空間分布特征

3410 工作面在2020 年6 月11 日 至2020 年11月25 日回采期間處于一側采空狀態，同時連續過煤層相變帶。該區域煤層應力狀態較復雜，微震平面投影如圖2 所示。受覆巖空間結構影響，微震事件在空間上集中于采空區一側，相變帶內微震事件集中分布較明顯，其中臨近和過第一處大型相變帶時微震響應強烈，之后停采20 d，10 月上旬恢復開采后微震事件發生較平穩。根據微震事件分析，工作面側向支承應力影響范圍約50 m，超前支承應力影響范圍約300 m，其中面前200 m 為應力影響較明顯的范圍。對微震事件空間分布特征分析可知，煤層相變帶內應力分布異常，導致頂板發生不規則集中斷裂、回轉，微震事件分布較集中，同時“S”型覆巖結構導致巖層趨向采空區側發生斷裂，釋放出較大能量，相變帶的沿空側巷道受動載影響較大，在千米埋深的高靜載條件下沖擊風險較大。

圖2 微震平面投影示意圖

根據微震監測數據統計得到圖3。期間共發生971 次微震事件，平均5.8 次/d，1.00E+02J 級別的108 次，1.00E+03J 級事件863 次，微震頻次和微震能量變化趨勢擬合性較好，未發生大能量預警值事件，期間推采速度約0～1.8 m/d。

圖3 微震監測結果和推采速度關系曲線

將3410 回采工作面的微震監測數據導入IBM SPSS Stastics 數據分析軟件，采用皮爾遜系數對推采速度和微震響應關系進行分析。結果顯示回采速度與單日微震事件數量、單日最大微震事件能量及單日微震事件總能量均有顯著正相關性，見表1。

2.2 微震事件時間分布特征

頂板斷裂一般發生在工作面前方，回采工作面頂板結構特征如圖4 所示?；卷攷r塊成鉸接結構，覆巖破斷釋放彈性能和施加至煤體的重力勢能是煤層沖擊的主要能量源，當推采速度過快，覆巖結構的應力和能量未充分調整，連續高強度開采勢必造成應力和能量集中達到結構極限，進而誘發沖擊災害。由圖3和表1可知，3410工作面日最大微震能量、日微震總能量、日微震事件數量與推采速度有較好的關聯性，推采速度的增大和降低會引起微震事件和數量的顯著增多或減少，總體上呈現出正相關性。

圖4 回采工作面頂板結構特征

表1 相關性分析

結合前述分析對微震事件的時間特征進行分析，3410 工作面在6 月11 日之后開始進入相鄰采空區影響范圍，現場降低推采速度至0～1 m/d，至7 月7日左右工作面完全進入采空區，期間微震事件頻次和能量較低。因進入采空區引起的覆巖結構調整較大，覆巖突破運動與平衡邊界時間較長，微震事件增加相對推采速度的升高表現出明顯的時滯性。

7 月9 日至9 月17 日連續推采，微震和推采速度表現出較強的正相關性和時滯性，隨基本頂周期性垮落，微震事件也呈現出一定的周期性，在超前支承應力影響下工作面遠處的大規模相變帶內監測到大量微震事件。7 月15 日—7 月21 日期間以1.8 m/d 的速度勻速開采，微震數量隨時間推移呈線性增長，日均微震頻次達15 次，單日微震事件總能量均值為18 165.65 J。其中，7 月20 日共發生33次微震事件，單個微震能量達到峰值，經過5 d 推采，基本頂發生較大規模周期性垮落，在煤層相變帶的異常影響下，頂板破斷釋放大量能量，此時高動靜載疊加易造成沖擊事故。因此在臨近相變帶時應加強微震監測分析，當微震能量和頻次出現不規則的明顯降低時頂板能量積聚增大，應降低推采速度且勻速推過。7 月21 日—9 月4 日期間回采速度波動較大，微震亦呈現出較大波動，大幅降速或停采后恢復生產則極易發生大能量事件，沖擊風險較大。

9 月7 日—9 月18 日工作面出不規則相變帶，推采過程中接近第一處大型相變帶，隨后工作面停采，期間覆巖發生小規模調整，監測到微震發生。10 月10 日復工后以1.8 m/d 的速度勻速推采，微震事件周期性較明顯，此時微震表現出明顯的時滯性，在不同周期總體微震能量逐漸升高，且在出現微震能量和頻次明顯降低后的第5 天左右出現大能量事件。

2.3 現場推采速度調整

采煤卸荷導致采場覆巖結構、應力和能量達到平衡狀態需要一定時間，因此表現出明顯的滯后性。當工作面以勻速回采時，微震事件變化幅度較小，滯后性不明顯，頂板彈性能積聚程度小，因此在回采期間應盡可能減小推采速度波動。

根據前期生產經驗，現場3410 工作面推采過聯絡巷后大幅降低推采速度，2021 年3 月至11 月保持勻速推采，3 月最大推采速度約1.8 m/d，共推采約250 m，整體平均推采速度在1.0 m/d，期間未發生大能量微震預警事件，覆巖未發生高強度劇烈運動；局部鉆屑法、應力在線監測未超過預警指標；未發生支架嚴重破壞、巷道大變形、錨桿脫錨等明顯礦壓顯現，實現了安全開采。末期監測到微震事件能量小且分布均勻，如圖5。

圖5 微震平面投影示意圖

3 結論

基于單縣煤田深井構造區3410 工作面回采速度與微震的響應關系分析，得到如下結論：

（1）推采速度與微震事件之間存在顯著的正相關性，合理的推采速度能夠有效降低沖擊危險，對微震監測結果和推采速度間的關系進行分析研究，有助于工作面合理推進速度的確定，為沖擊地壓防治提供有效依據。

（2）3410 工作面相變帶內應力分布異常，導致頂板發生不規則集中斷裂、回轉，微震事件分布較集中，同時“S”型覆巖結構導致巖層趨向采空區側發生斷裂，釋放出較大能量，相變帶的沿空側巷道受動載影響較大，在千米埋深的高靜載條件下沖擊風險較大。

（3）3410 工作面回采速度最大1.8 m/d 較合理，當受到構造等因素影響時回采速度應減小到1.0 m/d左右，減小頂板能量積聚，避免高動靜載疊加誘發沖擊。

（4）大幅降速或提速后、停采后復采初期以及在出現微震能量和頻次明顯降低后的第5 天左右是頂板運動劇烈、大能量微震事件高發時期。