煤矿强震下的开采活动分析

煤矿强震下的开采活动分析

0回采速度对采场能量耗散的影响随着平方波司的日益稀缺，开采活动也越来越集中在深部，深部采矿活动的动力灾害更加突出。综上，未有学者系统开展回采速度对采场能量释放的数值模拟研究，笔者通过编译Fish语言开展回采速度影响下采场围岩弹性能释放的统计分析，结合现场微震实测结果验证回采速度对采场能量耗散的影响机制，并统计分析胡家河矿402103工作面中等及以上冲击危险区域的安全回采速度，以期为冲击地压矿井的开采强度优化提供依据。1回采速度过快造成采场应力和能量集聚区冲击冲击地压是由煤岩体能量集中释放造成的，其主要根源为覆岩运动载荷，但破坏场所在开挖煤层空间内。因此宜从顶板运动载荷和煤层应力2方面阐述回采速度的影响。覆岩破断释放弹性能和施加至煤体的重力势能是煤层冲击的主要能量源。一方面回采速度过快，使顶板岩层垮落、压实不充分，增加悬壁长度，即岩层断裂块体尺寸变大，导致顶板破断时释放弹性能增加采煤卸荷导致采场覆岩结构、应力和能量的渐进动态调整，平衡后形成应力集中和能量积聚区。回采速度越快，煤岩层中的应力集中和能量积聚区的峰值越高，且由于来不及调整转移造成集中区位置更靠近破碎区自由面，若未等应力和能量充分调整，便连续开挖势必造成采场应力和能量集中程度到达极限，造成冲击地压灾害。由此建立不同回采速度下煤层支承压力分区及覆岩顶板演化模型如图1所示，根据相关研究综上，回采速度大小控制着采场能量转移和释放的速率，无论从覆岩顶板还是开挖煤层的角度，高回采速度单纯追求产量不利于冲击地压灾害防控。2回采速度对采场弹性释放的影响的数值模拟2.1工作面埋深分析陕西彬长矿区胡家河矿为典型冲击地压矿井。402103工作面是402盘区首采工作面，平均埋深约700m，呈南北走向，工作面走向长2047m，倾向长180m，主采具有强冲击倾向性的4号煤层，其赋存稳定，平均厚度23m，分层综放开采，一次采厚10m，分别布置泄水巷、运输巷、高位瓦斯抽放巷和回风巷，工作面平均倾角+5°左右。2.2弹性模量弹性模量依据表1钻孔柱状建立FLAC其中:E为弹性模量;σ利用模型平衡时步大小来模拟应力转移及能量释放过程可以定性说明实际采矿活动中应力调整随时间的变化规律3采区回采速度对采场弹性释放的影响规律3.1矿震的频次特征在单个平衡周期内(以单次开挖量2m，单次300时步为例)，如图3所示，在开挖平衡初期，采场围岩释放的总能量最大，随时步的延长，采场围岩释放的总弹性能呈现先急剧升高后逐渐减低的趋势;矿震的频次呈现先升高后降低的趋势，在开挖后180时步左右达到频次峰值，说明采场围岩单元的应力调整具有滞后性，即单次开挖后采场围岩需要时间来调整区域应力集中。图4为单次开挖量2m时连续开挖-平衡-开挖-平衡过程中的矿震总能量、总频次的时序曲线。采场围岩释放的总能量、频次处于周期性波动过程中，结合图4b，当单次时步为300和600时，总能量峰值随开挖量的增加而增大，单次时步为900时，总能量峰值随开挖量的增加而减小;且单次开挖量相同，单次时步越小，采场释放的总能量峰值越高，证明了采场围岩能量积聚水平具有累积效应。3.2图1:美国监狱警察-区单次时步相同，开挖量不同时采场围岩释放的总能量和最大能量时序分布如图5所示。由模型总能量随回采速度的变化曲线得知，单次开挖量6m的总能量峰值1.6×10由模型单元最大能量随回采速度的变化曲线得知，单次时步相同时，单次开挖量6m的最大弹性能峰值9.3×103.3不同回采速度采场矿震联合释放大能量图6为不同单次开挖量和单次时步组合下能量调整平衡过程中的弹性能演化规律，记录了每隔5时步能量调整后释放的最大单元弹性能事件，其更具代表性，紫色震源球代表最高能量。可以看出，震源最先分布在开采区域的顶底板周围，随着单次时步延长，伴随着能量场由近及远的传递，弹性能事件逐步向顶板深处发展，与实际采场周围顶板能量转移活动较为吻合。当单次时步相同时，单次开挖量越大，产生的大能量事件越多;当单次开挖量相同时，单次时步越短，产生的大能量事件越多，采场能量由近及远调整的越不充分，连续开挖过程中能量更容易积聚甚至不均匀释放。即回采速度越快，采场围岩释放的大能量矿震越多，促使低能级矿震向高能级矿震跃升，最终造成大能量矿震所占比例增大。能量集聚区距离采场开挖区更近，不易往深处转移，连续快速开挖容易造成采场能量集中释放，诱发冲击地压。4回采速度与日总能量、大能量矿震平均日频次关系矿震分布是对开采活动的实时响应，通过分析不同回采速度下矿震分布的能量时序特征，便可揭示开采活动对采场围岩冲击危险的影响，以胡家河矿402103工作面为例进行分析。依据综合指数法评价402103工作面整体为强冲击危险，采用多因素耦合法分区分级得到冲击危险评价结果如图7所示(红色为强冲击危险，蓝色为中等冲击危险，黄色为弱冲击危险)。工作面2015-10-02日至2016-08-31日的微震事件(能量大于10通过统计分析回采速度-平均日总能量-大能量矿震平均日频次的曲线关系，便可得到不同冲击危险区域的合理回采速度。依据回采速度-日期-矿震日总能量、大能量频次的对应关系，选取连续生产时段得到258d的样本数据。图9为日总能量、回采速度随时间的变化曲线，至少有2个高速回采时期的微震日总能量处于极值水平，说明回采速度越快，单位时间内释放的总能量越高。依据回采速度大小按组距0.8m进行分组，如10a所示。由于0～0.8m和7.2～8.0m组样本数较少，故不计入统计分析。分别求得日平均总能量、能量大于10随着回采速度的增加，日平均总能量近似线性增长，大能量矿震的平均日频次近似线性增长，说明回采速度越快，采场围岩释放的弹性能越多;且回采速度的增加使矿震能量层次分布发生变化，使采场围岩释放的弹性能能级增大，促使低能量矿震向高能量矿震跃进，最终造成大能量矿震占比增加，不利于采场围岩的冲击危险性防控，侧面证实了数值模拟结果的正确性。综上结合图10b中平均日总能量和大能量矿震的平均日频次曲线得到，随着回采速度的增加，总能量、频次梯度呈现先增大后减小又急剧增大的趋势，确定402103工作面中等及以上冲击危险区域的合理回采速度为3.2～4.8m/d，并将统计分析结果应用于本工作面及邻近工作面的开采强度优化，取得良好效果。5不同回采速度下采场矿震的特征1)增大回采速度导致煤岩层中的应力和能量峰值累积升高，同时冲击阻力区宽度减小，弹性核更靠近巷道自由面，易造成能量集中释放甚至冲击。数值模拟揭示了不同回采速度下的矿震时序分布特征，即回采速度越快，累计开挖次数越多，单元时间内区域释放的总弹性能峰值越高，单元最大弹性能也越高。2)采