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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]。冲击地压已成为影响我国煤矿安全生产最为突出的灾害类型之一[3]。控制工作面回采速度是冲击地压防治的重要措施[4]。冲击地压防治相关规程、细则、手册等系列文件也对合理控制冲击地压矿井回采强度做出专项规定[5-6]。围绕回采速度和冲击地压危险之间的关联性，国内诸多学者已开展了相关研究：谭云亮等[7]根据回采工作面开采所引起的支承压力变化，基于开采扰动原理，推导了因采动导致煤体内产生动能计算方法，得到了不同深度、不同塑性区宽度、不同推进度与所产生动能之间关系，基于获得的开采进尺与动能量级的关系，可以定量给出满足防冲要求的安全开采进尺。尹万蕾等[8]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；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；刘金海等[10]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；王朝引[11] 为确定蒙陕地区纳林河二号井31102工作面在防冲条件下的合理推采速度，通过理论分析、现场实测等方法，探讨了31102 工作面回采速度与微震、煤体应力监测数据、冲击显现、上覆岩层运动规律的关系。但针对回采速度与保护层开采等工艺耦合研究较少，笔者通过分析冲击地压监测数据、冲击显现与工作面回采速度关联性，研究工作面见方效应、顶板预裂爆破、小煤柱护巷工艺、保护层开采等对工作面回采速度的影响，探索工作面在实际生产中合理推采速度的确定方法。
纳林河二号矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，首采煤层为3-1煤层，平均埋深563 m。31103-1工作面为该矿第3个回采工作面，工作面宽241 m，走向长约1 787 m，煤层平均厚度5.6 m，平均埋深563 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；上部基本顶为厚14.85 m的细粒砂岩。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。该工作面东侧为31102工作面采空区，区段煤柱宽25 m，西侧为实体煤，工作面概况如图1所示。
图1 31103-1工作面布置
Fig.1 No.31103-1 working face layout
31103-1工作面回采期间邻空巷道出现多次动力显现，历次动力显现概况及显现区域煤体应力、微震监测数据见表1。
表1 31103-1工作面动力显现事件概况
Table 1 Position of rockburst in No.31103-1 working face
日期累计进尺/m超前距离/m事件概述微震情况监测煤体应力情况监测2019-09-03740.0567回风巷出现较大煤炮,副帮肩窝处煤体鼓出能量为4.78×104 J,顶板以上2.5 m,靠近采空区煤柱边缘超前96 m,最大应力9.25 MPa,出现应力突变2019-09-2178940回风巷副帮帮部煤体鼓出能量为2.5×104 J,顶板以上14 m,靠近采空区煤柱边缘超前45 m,最大应力8.6 MPa,出现应力突变2019-10-18816.540回风巷副帮帮部煤体鼓出能量为5.2×104 J,顶板以上52 m,靠近副帮侧煤柱超前20 m,最大应力9.14 MPa,出现应力突变
随着工作面推进至采空区见方(工作面推进长度与采空区倾斜长度相等) [12]，上覆岩层在垂直方向上顶板垮落带、断裂带、弯曲下沉带的运动达到最大值，上覆岩层结构失稳叠加厚表土的突然加载，极易诱发冲击地压[13]。31103-1工作面采掘布局导致本工作面存在单见方、邻近工作面存在二见方、三见方，历次见方位置如图2所示。
图2 31103-1工作面历次见方位置
Fig.2 Square position of No.31103-1 working face
图3为31103-1工作面回采期间微震事件日总能量、频率特征，图3中方框分别代表单见方、二见方和三见方，表2为工作面各回采区段微震事件相关统计数据。
图3 31103-1工作面回采期间微震事件能量、频率
Fig.3 Distribution characteristics of energy and frequency of microseismic events in No.31103-1 working face
表2 31103-1工作面回采期间微震事件统计
Table 2 Statistics of microseismic events in No.31103-1 working face
回采日期(月-日)时间/d总能量/MJ日均能量/(105 J·d-1)总频次日均频次05-24—06-14226.222.831 1875406-15—06-27(单见方)134.943.801 2229406-28—10-0910471.56.8812 08611610-10—11-23(二见方)4526.25.826 09713511-24—05-1213539.12.898 9046605-13—06-04(三见方)2310.14.393 02313106-04—07-295518.83.426 029109
由表2可知，31103-01工作面历次见方区域回采期间微震事件日均能量、频次均高于邻近区域，且单见方至二见方期间工作面微震事件日均能量、频次相对其他区域较高，工作面邻空巷道动力显现均集中于二见方期间，工作面见方效应较为明显。
31103-1工作面不同区域历次见方期间微震事件统计数据见表3。
表3 31103-1工作面历次见方期间微震事件统计数据
Table 3 Statistical data of microseismic events of square positions in No.31103-1 working face
日期(月-日)回采速度/(刀·d-1)时间/d日总能量/J刀均能量/(J·刀-1)≥104 J事件微震频率/(次·刀-1)05-25—07-1103219 87773 2920.6712209 245104 6220.502000031268 000268 0005.00400005147 80047 800062587 842293 9214.507000082650 015325 0076.5092451 710225 8554.501031 260 045420 01512.0011124 053 279337 7735.081283 258 899407 3627.251341 290 144322 5368.001452 049 892409 9782.8007-12—11-2403911 072 875283 9194.8410000221 217 829608 91412.5031511 314 317754 28714.3344125 139 573613 16011.3651823 519823 51918.00697 687 358854 15018.22711 611 0871 611 08760.0082734 316 9701 270 99934.709000011-25—03-280502 894 28457 8860.5811102 609102 6091.002101 681 302168 1301.4032159 44679 7233.004279 780 796362 2515.5153111 625 226375 0074.3862659 191329 5954.00
不同阶段内刀均能量、≥104 J微震事件频率分布特征汇总如图4所示。由图4可知，3个回采阶段内，回采速度与刀均能量、≥104 J微震事件频率均呈现正相关关系，故控制回采速度有利于降低动载扰动。
图4 31103-1工作面不同回采阶段回采速度与微震关联性分析
Fig.4 Correlation analysis between mining speed and microseism in different mining periods of No.31103-1
因工作面外错布置，05-25—07-11阶段工作面处于实体煤回采阶段，期间回采速度多≥10刀/d，超过10刀/d后，刀均能量与大能量事件频率均明显上升；07-12—11-24阶段从工作面开始受邻近采空区影响直至二次见方影响区结束，回采速度≤8刀/d，超过7刀/d后，刀均能量与大能量事件频率均明显上升；11-25—03-28阶段工作面在二见方影响区以外回采，回采速度≤6刀/d，超过4刀/d后，刀均能量与大能量事件频率均明显上升。可见，3个回采阶段内，工作面回采速度在超过一定刀数后，微震各项指标明显上升。
不同回采阶段内微震刀均能量与回采速度如图5所示。由图5可知，同一回采工作面不同回采区域，动载扰动水平不一，同一个工作面的不同区域回采速度也需要动态调整。该工作面二见方期间经评价为强冲击危险区，实际回采期间工作面动力显现均位于该区域内，为降低冲击危险区域动载扰动水平，二见方期间强冲击危险区回采速度宜≤6刀/d；后续各工作面回采速度对应的动载扰动水平不宜超过31103-1工作面单见方至二见方期间6刀/d水平。
图5 不同回采阶段回采速度与微震关联性对比
Fig.5 Correlation between mining speed and microseism in different mining periods
31103-2工作面为31103-1工作面接续工作面，两工作面开采技术条件类似。因31103-1回采期间动力显现较为频繁，31103-1工作面部分区域、31103-2工作面回采前增加了顶板预裂等措施，该工作面回采期间未发生动力显现。31103-1、31103-2工作面顶板预裂爆破区域微震事件垂向分布特征如图6所示。由图6a可知，31103-1工作面顶板预裂爆破可以直接降低爆破目标层位的微震频次、能量，降低顶板破断时动载扰动强度。31103-2工作面自开切眼开始实施顶板预裂爆破，爆破目标层位内微震事件分布明显减少。31103-2工作面回采速度与微震事件相关统计数据见表4， 31103-1和31103-2工作面回采速度与微震关联性对比结果如图7所示。由图7可知，31103-2工作面同等回采速度条件下，每刀微震事件平均能量均小于31103-1工作面，结合图6分析结果，说明实施顶板预裂爆破等措施后，顶板破断时动载扰动强度有所降低，同等回采速度条件下，31103-2工作面整体动载诱冲风险低于31103-1工作面。
图7 31103-1和31103-2工作面回采速度与微震能量
Fig.7 Correlation between mining speed and microseism energy in No.31103-1 and No.31103-2 working faces
表4 31103-2工作面回采速度与微震事件相关统计
Table 4 Statistics of mining speed and microseismic events in No.31103-2 working face
回采速度/(刀·d-1)日总能量/J时间/d日均能量/(J·d-1)≥104 J微震频率/(次·刀-1)0493 2004123 300010000200003102 0001102 0000400005 761 0004190 2500.6061 673 61210167 3610.67711 276 77445250 5944.14812 196 96648254 1033.13900 00
图6 顶板预裂爆破区域微震事件垂向分布特征
Fig.6 Vertical distribution characteristics of microseismic events in roof presplitting blasting area
31103-2工作面每日回采7～8刀的时间达到48 d，连续3 d以上采用8刀/d回采速度共3次，期间每刀微震事件平均能量大致为31103-1工作面二见方期间进尺6刀/d时的50%左右，动载诱冲风险相对可控，可见在实施顶板预裂爆破等措施后，可以适度提高回采速度。
31120工作面为所在盘区第2个回采工作面，工作面倾向长300 m，走向长约2 614 m，煤层平均厚度5.6 m，平均埋深598 m,为近水平煤层。其东侧为31121工作面采空区，区段煤柱宽6 m，西侧为实体煤。31120工作面回采速度与微震事件相关统计数据见表5，31120工作面回采速度与微震关联性对比结果如图8所示。
表5 31120工作面回采速度与微震事件相关统计
Table 5 Statistics of mining speed and microseismic events in No.31120 working face
回采速度/(刀·d-1)日总能量/J时间/d日均能量/(J·d-1)≥104 J微震频率/(次·刀-1)0741 8504185 4620100002492 9551492 95503000041 294 0944323 5231.2551 134 8555226 9710.406949 0863316 3620.1772 864 46911260 4061.1484 709 11414336 3651.50914 756 57542351 3475.001015 268 42238401 8004.80
图8 两工作面回采速度与微震关联性对比
Fig.8 Correlation comparison between mining velocity and microseism in three working faces
由图8可知， 31120工作面在采取小煤柱护巷、顶板预裂爆破等措施后，顶板破断时动载扰动强度有所降低，同等回采速度条件下，31120工作面动载诱冲风险低于31103-1工作面。
31120工作面有38 d回采速度达10刀/d，连续3 d以上10刀/d的回采速度共3次，期间每刀微震事件平均能量接近31103-1工作面二见方期间回采速度6刀/d时水平，为安全起见，该工作面弱冲击危险区域回采速度应≤10刀/d。由此可见，及时采取多种防冲措施后，仍需要注意对回采速度的合理管控。31120工作面回采速度≥8刀/d时，当日出现大能量的概率会增加约3倍，8刀/d及以下概率则基本一致，所以本工作面强冲击危险区域建议回采速度≤8刀/d。
受开采条件限制，纳林河二号矿井尚未进行保护层开采工程实践，为分析保护层对回采速度的影响，选取上海大屯能源股份有限公司徐庄煤矿7335、8195工作面进行对比分析，其中7335工作面位于该矿井7煤，属于首采煤层；8195工作面上覆为7煤7195工作面采空区，属于保护层开采。
两工作面回采期间微震事件统计对比见表6，两工作面每刀微震平均能量对比如图9所示，每刀103 J以上微震事件平均频次对比如图10所示。
表6 7335、8195工作面微震事件统计对比
Table 6 Statistical data of microseismic events in No.7335 and No.8195 working face
工作面7335工作面8195工作面微震事件总频次5 778939微震事件总能量/J6 063 354.3926 471.6微震事件平均能量/(J·次-1)1 047.4986.7工作面走向长度/m856638微震频率(次·刀-1)7 083.41 452.1≥103 J微震事件频次1 519244≥103 J微震事件频率/(次·刀-1)1.770.38
图9 8195、7335工作面刀均能量对比
Fig.9 Comparison of microseismic energy per cutter in No.8195 and No.7335 working faces
图10 8195、7335工作面≥103 J微震事件频率
Fig.10 Frequency of microseismic events above 103 J per cutter in No.8195 and No.7335 working faces
由图9和图10可知，8195工作面微震事件这2项参数明显低于7335工作面，说明保护层开采条件下，被保护层工作面回采期间动载扰动明显降低。
8195工作面回采速度1～6刀/d时，每刀平均微震能量、≥103 J微震事件频率均相当于7335工作面回采速度1～2刀/d时，且8195工作面回采期间未发生冲击地压，未出现动力显现，故8195工作面整体受动载扰动诱冲可能较小。
保护层开采有利于降低被保护层动载扰动诱冲风险，被保护层工作面回采速度可以适当高于保护层工作面。
2019年12月14日至2020年1月17日期间及2019年9月2日至10月10日期间，纳林河二号矿井31103-1工作面微震能量、频次与回采速度关系如图11所示。
图11 微震能量、频次与回采速度关系
Fig.11 Relationship between microseismic energy frequency and propulsive degree
由图11可知：12月26日停采后，12月28日微震事件基本稳定，滞后2 d；9月3日工作面停采，9月6日微震事件基本稳定，滞后3 d；9月21日工作面停采，9月25日微震事件基本稳定，滞后4 d。
1月4日工作面复产，至1月7日，微震事件上升至较高水平，滞后3 d；9月11日工作面复产，至9月15日，微震事件上升至较高水平，滞后4 d；10月7日工作面复产，至10月9日，微震事件上升至较高水平，滞后2 d。工作面停产后，微震事件频次、能量滞后2～4 d后趋于稳定；工作面恢复生产后，微震事件频次、能量滞后2～4 d后达到较高水平。此外，对生产班与非生产班微震事件个数及能量进行统计，2020年1月6日至22日，31103-1工作面多为夜班生产，煤机运行时刻为0:30～7:30，微震能量统计如图12所示。
图12 生产班与非生产班微震能量对比统计
Fig.12 Comparative statistics of microseismic energy between production group and non production group
生产班内微震数量明显高于非生产班微震数量，生产班微震能量释放是非生产班数量的1.78倍。采煤机停机3.5 h后，微震能量释放趋于平稳，即宜停机3.5 h后才可进入沿空巷道作业。动力显现后进入危险区的解危作业时间根据当日微震事件按小时统计，且在微震事件频次能量明显降低并平稳后进入。
1)在工作面见方等强冲击危险区域可依据实际监测数据及动力显现分析结果，选择微震事件平均能量与频次等指标相对较低时的回采速度。
2)同一矿井各回采工作面回采速度调整时，合理回采速度对应的动载扰动水平不宜超过本矿井存在动力显现、冲击地压事故回采工作面的安全回采速度。
3)顶板预裂爆破、小煤柱护巷工艺、保护层开采等措施有利于降低工作面动载诱冲风险，在确保防治措施效果，加强实时监测与分析的同时可以适当提高回采速度；但即使采取多种防治措施后，并非可以无限制提高回采速度，最大回采速度不宜超过本矿井存在动力显现、冲击地压事故回采工作面的安全回采速度。
4)工作面短期停产与复采期间，微震事件恢复平稳存在一定滞后性，应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2～4 d内，依然应重视沿空巷道动力显现风险；工作面停产复产时，应以较低的初始速度开始推进，并保持该初始速度2～4 d。
5)采煤机停机3.5 h后，才可进入沿空巷道作业；动力显现后进入危险区的解危作业时间根据当日微震事件按小时统计，且在微震事件频次能量明显降低并平稳后方可进入。
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