0 引 言
随着煤矿向深部开采，煤矿冲击地压矿井越来越多，冲击地压造成的灾害越来越严重[1-2]。控制工作面回采速度是冲击地压防治的一项重要措施[3]，较大的回采速度会降低采掘空间覆岩运动范围，使得覆岩运动剧烈程度增加，造成围岩应力快速调整，容易导致冲击地压危险的增强，尤其对于严重冲击地压矿井，回采强度增大可能直接诱发冲击地压[4-5]。
为更确切的把握回采速度和冲击危险之间的关系，减小冲击危险事故的发生、提高煤矿生产效率，国内相关学者已开展了相关研究：尹万蕾等[6]以山东兖矿集团东滩矿1305综采工作面为研究对象，从关键层运动、回采速度的稳定性的角度分析矿震发生机制与分布；刘金海等[7]认为工作面冲击危险性与采场推进速度具有相关性，高速推进、非匀速推进容易诱发冲击；任水泉[8]运用力学分析、数值模拟对不同回采速度下工作面前方垂直应力，回采巷道垂直应力的分布规律及回采巷道围岩变形特征进行研究；赵同彬等[9]通过理论研究、数值模拟等方法揭示了工作面回采速度是冲击事故的重要影响因素；文献[10-11]将基本顶视为弹性地基梁，推导出考虑增量压力作用下基本顶中能量变化的解析解，为分析基本顶破断时的能量释放奠定了基础；有学者从煤岩样加载速率以及数值计算模拟工作面推进速率等对支承压力分布、围岩变形及破坏范围进行研究[12-15]，分析了回采速度对工作面支承压力显现规律的影响;大量工程实践研究表明[16-18]，工作面推采速度过快时会引起顶板运动更加剧烈，容易诱发冲击地压。
在冲击地压的预测预报技术研究中，微震监测是较为先进和有效的手段之一[19-20]，笔者通过分析微震、煤体应力监测数据、冲击显现与工作面回采速度关联性，不同回采速度引起的工作面上覆岩层运动规律，得到工作面回采速度对冲击显现的影响，为工作面实际生产确定合适的推采速度及其调节方法。
1 工程背景
纳林河二号矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，首采煤层煤为3-1煤层，平均埋深563 m。31102工作面为第2个回采工作面，工作面长247 m，走向长度约3 000 m，煤层厚度平均5.6 m，为近水平煤层。煤层直接顶为厚7.3 m粉砂岩，浅灰色，石英为主，长石次之；上部基本顶为14.85 m细粒砂岩。煤层底板为砂质泥岩，具有水平层理，强度较低。通过煤岩层冲击倾向性试验判定3-1煤层冲击倾向性鉴定结果为强冲击倾向性；3-1煤层顶板具有强冲击倾向性；3-1煤层底板具有弱冲击倾向性。
31102工作面回采前建立了微震、应力监测系统，监测系统布置如图1所示。
图1 微震监测传感器和钻孔应力计布置示意
Fig.1 Field layout of microseismic monitoring sensor and borehole stressmeter
微震监测采用KJ551微震监测系统，微震测点(检波器)每隔100 m安装于回风巷及运输巷顶板的稳固锚杆上；煤体应力监测采用KJ615应力在线监测系统，回风巷两帮每隔25 m安装一组长短孔应力计，在运输巷实体煤一侧每隔25 m安装一个长孔应力计，煤体应力预警指标为：测点深度分别为8 m、14 m，其中深8 m测点黄色预警值为10 MPa，红色预警值为12 MPa；深14 m测点黄色预警值为12 MPa，红色预警值为14 MPa。微震预警指标见表1，指标包括：①震动能量的最大值Emax。通过统计一个月内每天微震事件的最大能量值，前5%(最大值)定为强危险指标，5%～20%定为中等危险指标，20%～50%定为弱危险指标，50%以上定为无危险；②一定推进距离释放的微震能量总和(∑E)。通过统计一个月内每5 m推进度的微震能量总和，前5%(最大值)的能量级定为强危险指标，5%～20%的能量级定为中等危险指标，20%～50%的能量级定为弱危险指标，50%以上定为无危险。
31102工作面北部为已回采完成的31101工作面采空区，区段煤柱宽度20 m，南侧为实体煤。31102工作面回风巷(临空巷道)初采期间受到初次来压、初次见方、二次见方、水仓煤柱、顶板疏放水、区段大煤柱、断层等因素影响，2017年8月17日至今，发生多次动力显现事件，造成顶板局部漏顶、区段煤柱片帮，煤炮频发、部分超前支架倾倒甚至被压弯。
表1 31102工作面冲击地压的微震分级预警指标
Table 1 Early warning indicators of rock microseismic classification of rock bust in No.31102 working face
危险状态无危险弱危险中等危险强危险微震能量Emax<5×103 J∑E<105 J/5 mEmax<1×105 J∑E<106 J/5 mEmax<1×106 J∑E<107 J/5 mEmax>1×106 J∑E>109 J/5 m
2 推采速度与监测数据关联性分析
2.1 回采速度与微震、煤体应力关联性分析
通过统计日推进度与当日微震事件总能量与频次关系判断两者之间关联性。2017年8月19日—2017年9月4日之间31102工作面推进度与微震事件总能量关系统计如图2所示。
图2 日推进度与微震能量关系
Fig.2 Relation between advance speed and microseismic energy
由图2可以看出当日微震事件总能量、频次随着日推进度的变化而变化。此外，2017年8月25日至26日早班，31102工作面共推进10刀，由于受到工作面快速推进影响，在8月26日早班4时应力测点出现一次集体突变，图3为应力在线监测系统应力变化曲线(2017-08-26—2017-08-27)，图中标注区域测点应力突增是由于强推采速度下能量长时间无法释放，导致能量积聚从而造成应力上升，当遇到煤炮冲击时原有积聚能量得到释放，造成顶板下沉，从而造成应力突增。
图3 测点应力随时间变化关系
Fig.3 Relation between advance time and stress measarement
通过上述分析可见：回采速度与微震事件总能量、频次呈正相关性；强推采速度造成覆岩能量积聚来不及释放，从而造成应力监测系统曲线出现突变，易出现动载。
2.2 生产班与非生产班监测数据的差异性
通过对生产班与非生产班应力测点变化统计可知，测点23、26的应力突变时间均发生在生产班，测点7、测点17的应力突降均发生在生产班；非生产班内应力曲线相对平缓，无大波动变化；生产班次对矿压影响如图4所示(2017年9月2日—2017年9月6日)。为直观展示矿井生产班与非生产班由于采动对工作面煤体造成的扰动影响，现对生产班与非生产班微震事件个数及能量进行统计，纳林河二号矿井31102工作面为2班生产1班检修，生产班与非生产班能量统计见表2，统计对比如图5所示。
表2 生产班与非生产班微震事件统计
Table 2 Statistics on microseismic monitoring inproduction and non-production classes
日期(月-日)微震事件/个能量/J生产班非生产班生产班非生产班08-2610323362 58672 51708-277618180 40436 08008-28259132 21512 58408-29459266 97553 39508-304214316 76035 93008-316523281 28312 91009-015416398 94979 78909-0216830455 05291 09009-0316731625 991125 19809-046224247 47761 869
图4 生产班与非生产班应力突变对比
Fig.4 Comparison of stress mutations in production class and non-production class
图5 生产班与非生产班微震能量对比统计
Fig.5 Comparison of microseismic energy between production and non-production class
由表2与图5分析可知，生产班内微震数量明显高于非生产班微震数量，一般情况下生产班微震数量是非生产班数量的3～5倍，能量统计方面生产班为非生产班能量的3～5倍。这是由于生产期间冲击扰动下煤体承载载荷增大，容易造成覆岩顶板能量的积聚与释放，从而产生大量煤炮，产生震动事件。图6为生产班微震能量与推进度关系曲线，当每日推进刀数超过2刀后，微震能量随着推进度的增加整体上呈上升趋势。
图6 冲击地压显现事故与日推进度关系
Fig.6 Relationship between impact exposure
and advance speed
3 推采速度与冲击显现关联性分析
3.1 快速推进变化与冲击显现的关联性分析
对几次典型冲击地压显现事件发生前5 d的微震事件能量及回采推进度进行统计，冲击地压显现事故与推进度变化关系如图7所示。
图7 生产班微震能量与推进速度统计
Fig.7 Statistics of microseismic energy and propulsion velocity in production class
可见4次事故均发生在推进度剧烈变化期，特别是在推进度增高后，由高转低的阶段，易出现冲击显现，滞后时间为1～3 d。因此，双见方期间避免推进度剧烈变化是保证工作面安全回采的关键之一。
3.2 高速推进的冲击显现滞后性分析
为研究回采推进度与冲击显现情况及滞后时间的情况，通过对几次井下冲击显现期间回采进度进行了统计分析，主要统计了冲击显现前期4 d内的推进度见表3。
表3 冲击地压显现滞后性汇总
Table 3 Summary of lag in impact exposure
日期日推进度/刀推进类型日期日推进度/刀推进类型08-051208-061308-071308-081308-09808-151008-16908-171208-181108-199快速推进型08-225.508-237.008-2412.008-2511.008-2610.011-024.011-0310.511-048.011-057.011-069.5速度突变型
主要表现为2017年8月8日与8月19日2次冲击显现推进度明显较快，日均推进度为12.75、10.50刀；2017年8月26日与11月6日冲击显现中推进度最大变化量为5.0、6.5刀，同时由于覆岩运移的滞后性，最终造成了速度突变2～3 d后的冲击显现。
4 回采速度与工作面上覆岩层运动规律关系分析
通过分析工作面推采速度与微震监测数据、应力监测结果和冲击显现情况的关联性，得出不同回采速度条件下工作面超前支承压力将呈现不同的变化规律，由文献[20]可知工作面超前支承压力的分布变化情况主要由上覆岩层运动规律影响。当工作面推采速度保持较低速度、匀速推进时，上覆岩层运动情况如图8所示，采场上方岩层发生逐层断裂回转，如图9所示。其中，x为工作面推进距离；σ为工作面超前支承压力，随着推采距离不断增大；n1、n2、n3、n4为采场上部不同关键层极限垮落距离，随着工作面不断推进，工作面超前支承压力将发生阶梯状小幅度上升。
当工作面回采工作保持在较快速度或变速时，采场上方岩层运动无法随工作面向前推进发生即时弯曲下沉(图10)，运动状态呈现滞后性，此时采场上方岩层破裂高度将随着工作面不断推进逐渐向上部发展，导致下部悬露岩层承受载荷不断增大，当悬露跨度超过其垮落极限时，采场上覆岩层将发生大厚度整体性回转下沉，导致工作面超前支承压力在较短时间内大幅度升高(图11)，诱发冲击地压事故。
图8 均匀低速回采工作面上覆岩层运动模型
Fig.8 Overburden strata movement model on uniform low-speed mining face
图9 均匀低速回采工作面超前支承压力变化
Fig.9 Change of advance abutment pressure in uniform low-speed mining face
图10 快速推采或变速推采工作面上覆岩层运动模型
Fig.10 Overburden strata movement model at fast or variable speed mining face
图11 快速或变速推采工作面超前支承压力变化
Fig.11 Change of advance abutment pressure in fast or variable speed working face
5 推进速度调整原则
通过上述分析，工作面回采中应保证回采速度稳定，避免出现大的日推进度变化量，最大变化量不超过5刀；如出现当日推进度为零情况再次回采时应考虑低速稳定提升回采速度。
推进速度调整原则为：尽量保证工作面低速均匀推进，当发生客观原因导致工作面停采后，应以较低的初始速度开始推进，并保持该初始速度2～3 d，根据应力-微震监测结果调整推进速度。若微震能量释放平稳、无应力预警情况，可适当增大推进速度；若出现应力预警现象，则需先对预警区域进行处理。
推进速度调整方案为：尽量保证工作面低速均匀推进，当发生客观原因导致工作面停采后，应以较低的初始速度开始推进，并保持该初始速度2～3 d，根据应力监测结果调整推进速度：3 d内无预警测点，可提速1刀；黄色预警等级以下测点不超过2个(含)，保持原推采速度；出现2个“一黄一红”预警等级测点，降低1刀；出现2个及以上红色危险等级测点，工作面停采。
6 结 论
1)回采速度与微震事件总能量、频次存在正相关性；强推采速度造成覆岩能量积聚来不及释放，从而造成应力监测系统曲线出现突变，易出现动载。
2)生产班内微震数量明显高于非生产班微震数量，一般情况下生产班微震数量是非生产班数量的3～5倍，生产班为非生产班能量的3～5倍。现场已在生产班期间加强工作面人员管理，在工作面前方300 m的超前影响范围内严格执行限员措施。
3)推进度剧烈变化期，特别是在由高转低的阶段，易出现冲击，滞后时间为1～3 d，最大日推进度变化量不应超过5刀。如出现当日推进度为零情况再次回采时应考虑低速稳定提升回采速度。
4)当工作面回采工作保持在较快速度或变速时，采场上覆岩层运动呈现滞后性，当推采距离超过岩层垮落极限时，上覆岩层将发生大厚度整体回转下沉，导致采场围岩压力短时间内大幅度升高，容易诱发冲击。
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