煤礦強震下的開采活動分析

煤礦強震下的開采活動分析

0回采速度對采場能量耗散的影響隨著平方波司的日益稀缺，開采活動也越來越集中在深部，深部采礦活動的動力災(zāi)害更加突出。綜上，未有學(xué)者系統(tǒng)開展回采速度對采場能量釋放的數(shù)值模擬研究，筆者通過編譯Fish語言開展回采速度影響下采場圍巖彈性能釋放的統(tǒng)計分析，結(jié)合現(xiàn)場微震實測結(jié)果驗證回采速度對采場能量耗散的影響機制，并統(tǒng)計分析胡家河礦402103工作面中等及以上沖擊危險區(qū)域的安全回采速度，以期為沖擊地壓礦井的開采強度優(yōu)化提供依據(jù)。1回采速度過快造成采場應(yīng)力和能量集聚區(qū)沖擊沖擊地壓是由煤巖體能量集中釋放造成的，其主要根源為覆巖運動載荷，但破壞場所在開挖煤層空間內(nèi)。因此宜從頂板運動載荷和煤層應(yīng)力2方面闡述回采速度的影響。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。一方面回采速度過快，使頂板巖層垮落、壓實不充分，增加懸壁長度，即巖層斷裂塊體尺寸變大，導(dǎo)致頂板破斷時釋放彈性能增加采煤卸荷導(dǎo)致采場覆巖結(jié)構(gòu)、應(yīng)力和能量的漸進動態(tài)調(diào)整，平衡后形成應(yīng)力集中和能量積聚區(qū)?；夭伤俣仍娇欤簬r層中的應(yīng)力集中和能量積聚區(qū)的峰值越高，且由于來不及調(diào)整轉(zhuǎn)移造成集中區(qū)位置更靠近破碎區(qū)自由面，若未等應(yīng)力和能量充分調(diào)整，便連續(xù)開挖勢必造成采場應(yīng)力和能量集中程度到達極限，造成沖擊地壓災(zāi)害。由此建立不同回采速度下煤層支承壓力分區(qū)及覆巖頂板演化模型如圖1所示，根據(jù)相關(guān)研究綜上，回采速度大小控制著采場能量轉(zhuǎn)移和釋放的速率，無論從覆巖頂板還是開挖煤層的角度，高回采速度單純追求產(chǎn)量不利于沖擊地壓災(zāi)害防控。2回采速度對采場彈性釋放的影響的數(shù)值模擬2.1工作面埋深分析陜西彬長礦區(qū)胡家河礦為典型沖擊地壓礦井。402103工作面是402盤區(qū)首采工作面，平均埋深約700m，呈南北走向，工作面走向長2047m，傾向長180m，主采具有強沖擊傾向性的4號煤層，其賦存穩(wěn)定，平均厚度23m，分層綜放開采，一次采厚10m，分別布置泄水巷、運輸巷、高位瓦斯抽放巷和回風(fēng)巷，工作面平均傾角+5°左右。2.2彈性模量彈性模量依據(jù)表1鉆孔柱狀建立FLAC其中:E為彈性模量;σ利用模型平衡時步大小來模擬應(yīng)力轉(zhuǎn)移及能量釋放過程可以定性說明實際采礦活動中應(yīng)力調(diào)整隨時間的變化規(guī)律3采區(qū)回采速度對采場彈性釋放的影響規(guī)律3.1礦震的頻次特征在單個平衡周期內(nèi)(以單次開挖量2m，單次300時步為例)，如圖3所示，在開挖平衡初期，采場圍巖釋放的總能量最大，隨時步的延長，采場圍巖釋放的總彈性能呈現(xiàn)先急劇升高后逐漸減低的趨勢;礦震的頻次呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在開挖后180時步左右達到頻次峰值，說明采場圍巖單元的應(yīng)力調(diào)整具有滯后性，即單次開挖后采場圍巖需要時間來調(diào)整區(qū)域應(yīng)力集中。圖4為單次開挖量2m時連續(xù)開挖-平衡-開挖-平衡過程中的礦震總能量、總頻次的時序曲線。采場圍巖釋放的總能量、頻次處于周期性波動過程中，結(jié)合圖4b，當(dāng)單次時步為300和600時，總能量峰值隨開挖量的增加而增大，單次時步為900時，總能量峰值隨開挖量的增加而減小;且單次開挖量相同，單次時步越小，采場釋放的總能量峰值越高，證明了采場圍巖能量積聚水平具有累積效應(yīng)。3.2圖1:美國監(jiān)獄警察-區(qū)單次時步相同，開挖量不同時采場圍巖釋放的總能量和最大能量時序分布如圖5所示。由模型總能量隨回采速度的變化曲線得知，單次開挖量6m的總能量峰值1.6×10由模型單元最大能量隨回采速度的變化曲線得知，單次時步相同時，單次開挖量6m的最大彈性能峰值9.3×103.3不同回采速度采場礦震聯(lián)合釋放大能量圖6為不同單次開挖量和單次時步組合下能量調(diào)整平衡過程中的彈性能演化規(guī)律，記錄了每隔5時步能量調(diào)整后釋放的最大單元彈性能事件，其更具代表性，紫色震源球代表最高能量?？梢钥闯觯鹪醋钕确植荚陂_采區(qū)域的頂?shù)装逯車?，隨著單次時步延長，伴隨著能量場由近及遠的傳遞，彈性能事件逐步向頂板深處發(fā)展，與實際采場周圍頂板能量轉(zhuǎn)移活動較為吻合。當(dāng)單次時步相同時，單次開挖量越大，產(chǎn)生的大能量事件越多;當(dāng)單次開挖量相同時，單次時步越短，產(chǎn)生的大能量事件越多，采場能量由近及遠調(diào)整的越不充分，連續(xù)開挖過程中能量更容易積聚甚至不均勻釋放。即回采速度越快，采場圍巖釋放的大能量礦震越多，促使低能級礦震向高能級礦震躍升，最終造成大能量礦震所占比例增大。能量集聚區(qū)距離采場開挖區(qū)更近，不易往深處轉(zhuǎn)移，連續(xù)快速開挖容易造成采場能量集中釋放，誘發(fā)沖擊地壓。4回采速度與日總能量、大能量礦震平均日頻次關(guān)系礦震分布是對開采活動的實時響應(yīng)，通過分析不同回采速度下礦震分布的能量時序特征，便可揭示開采活動對采場圍巖沖擊危險的影響，以胡家河礦402103工作面為例進行分析。依據(jù)綜合指數(shù)法評價402103工作面整體為強沖擊危險，采用多因素耦合法分區(qū)分級得到?jīng)_擊危險評價結(jié)果如圖7所示(紅色為強沖擊危險，藍色為中等沖擊危險，黃色為弱沖擊危險)。工作面2015-10-02日至2016-08-31日的微震事件(能量大于10通過統(tǒng)計分析回采速度-平均日總能量-大能量礦震平均日頻次的曲線關(guān)系，便可得到不同沖擊危險區(qū)域的合理回采速度。依據(jù)回采速度-日期-礦震日總能量、大能量頻次的對應(yīng)關(guān)系，選取連續(xù)生產(chǎn)時段得到258d的樣本數(shù)據(jù)。圖9為日總能量、回采速度隨時間的變化曲線，至少有2個高速回采時期的微震日總能量處于極值水平，說明回采速度越快，單位時間內(nèi)釋放的總能量越高。依據(jù)回采速度大小按組距0.8m進行分組，如10a所示。由于0～0.8m和7.2～8.0m組樣本數(shù)較少，故不計入統(tǒng)計分析。分別求得日平均總能量、能量大于10隨著回采速度的增加，日平均總能量近似線性增長，大能量礦震的平均日頻次近似線性增長，說明回采速度越快，采場圍巖釋放的彈性能越多;且回采速度的增加使礦震能量層次分布發(fā)生變化，使采場圍巖釋放的彈性能能級增大，促使低能量礦震向高能量礦震躍進，最終造成大能量礦震占比增加，不利于采場圍巖的沖擊危險性防控，側(cè)面證實了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。綜上結(jié)合圖10b中平均日總能量和大能量礦震的平均日頻次曲線得到，隨著回采速度的增加，總能量、頻次梯度呈現(xiàn)先增大后減小又急劇增大的趨勢，確定402103工作面中等及以上沖擊危險區(qū)域的合理回采速度為3.2～4.8m/d，并將統(tǒng)計分析結(jié)果應(yīng)用于本工作面及鄰近工作面的開采強度優(yōu)化，取得良好效果。5不同回采速度下采場礦震的特征1)增大回采速度導(dǎo)致煤巖層中的應(yīng)力和能量峰值累積升高，同時沖擊阻力區(qū)寬度減小，彈性核更靠近巷道自由面，易造成能量集中釋放甚至沖擊。數(shù)值模擬揭示了不同回采速度下的礦震時序分布特征，即回采速度越快，累計開挖次數(shù)越多，單元時間內(nèi)區(qū)域釋放的總彈性能峰值越高，單元最大彈性能也越高。2)采