综放工作面开采过程的矿震规律研究

江 衡,窦林名,屈 昀,杜涛涛,贺 虎,张明伟

(1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221008;2.兖州煤业集团鲍店煤矿,山东邹城 273513)

综放工作面开采过程的矿震规律研究

江 衡1,窦林名1,屈 昀2,杜涛涛1,贺 虎1,张明伟1

(1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221008;2.兖州煤业集团鲍店煤矿,山东邹城 273513)

以某煤矿 SOS微震监测系统的监测数据为基础,运用数理统计和线形拟合的方法分类统计不同开采速度下不同能量级别的矿震的次数、震动能量,研究了综放工作面开采活动和矿震活动的相关性。研究结果表明：矿山震动是矿山开采的直接产物,低能量矿震的次数、能量与开采速度呈近线性正相关,而高能量矿震与开采速度呈非线性关系。开采速度越快,低能量矿震的震动次数和能量越高,而且相对高的能量成分所占比例显著增加。从而提出控制开采速度可以控制低能量矿震发生次数和释放能量,慢匀速开采能有效地减少矿震发生的次数。

综放开采;开采活动;矿震规律;相关关系

综放开采是提高产量、降低采煤成本、提高生产效率,实现矿井集约化生产的重要技术手段[1-2]。但由于综放一次采全高,开采强度大,工艺过程复杂,随着工作面的推进,致使采空区的冒落运动充分参与到工作面附近的围岩应力分布的过程,使工作面管理难度增加、安全状况恶化,工作面冒顶、煤壁片帮、支架失稳的事故时有发生。特别是近年来,随着我国煤矿综放开采深度与强度的加大,一些矿区监测到的矿震活动已经十分频繁,甚至发生了比较严重的矿震灾害[3]。

微震监测技术是利用岩体受力变形和破坏后本身发射出地震波来进行监测工程岩体稳定性的技术方法。该技术是岩体动力灾害,特别是冲击矿压预测预报最有效和最有潜力的监测方法之一[4-5]。为此,某煤矿引进波兰的 SOS微震监测系统,实时、动态、连续、远距离监测到某煤矿 103上02综放工作面发生的能量从 102J到 107J的约 8200次震动。本文通过分类统计的分析方法,从开采速度、矿震能量、次数之间的相关性等方面详细研究了不同推进速度开采对矿震的影响,为现场安全生产选择合理的推进速度提供有利依据。

1 工作面及微震监测系统简介

某矿 103上02工作面为孤岛工作面,面长 201～217.5m,走向长度 1300～1322m,该面回采的是山西组 3上煤,煤厚 5.50～6.27m,平均 5.84m。

该工作面两巷掘进期间煤粉监测均出现过煤粉量超标现象,运输巷实施了大直径钻孔卸压解危措施。相邻的 103上03,103上04等工作面推采过程中均发生过不同震级的矿震,其中最大震级 3.7。SOS微震监测系统由实时监测的记录仪、微震探头和数字传输系统组成 (图 1)。其主要功能有实时记录和分析微震现象,四种模式定位,频谱和积分法计算能量,采用不同的速度模式进行定位,地震力矩、压力降、能量率等微震参数的确定,微震灾害的图像分析等。

图1 SOS微震监测系统

2 矿震概况

根据 SOS微震监测系统记录的矿震资料统计,2008年 7月 15日至 2009年 3月 25日 103上02工作面共发生矿震约 8200次,平均日次数约 24次/d,最高日次数达 105次 /d。从表 1中可以看出,工作面开采期间,矿震主要以低能量释放为主,其中能量级别为 EC=102J和 EC=103J的矿震次数分别占震动总数的 78%和 21%,最大震动能量为107J。

表1 103上 02工作面矿震统计

3 开采活动和矿震活动的相关性

3.1 统计方法

矿震事件的统计分析方法为矿震的安全性评估提供了一个合理的依据[6]。根据 103上02工作面2008年 7月 15日至 2009年 3月 15日共 254d的不同开采速度,将开采速度分成 6类,然后将微震监测系统每天记录到的矿震事件依照开采速度归类到不同分档的开采速度中,最后根据数理统计的方法分类统计不同开采速度下不同能量级别的矿震的平均日震动次数、平均日累计震动能量、各能量震动次数的平均日比例。平均日震动次数、平均日震动能量表示在某开采速度某能量级别下震动次数、能量的平均值,反映了该开采速度和能量级别下的矿震发生水平。不同开采速度下各能量级别矿震统计结果见表 2。

表2 不同开采速度下各能量级别的矿震统计结果

3.2 开采速度与矿震次数、能量的相关性

根据表 2中统计结果,得到图 2(a～ d)103上02工作面不同开采速度下的不同能量级别的平均日震动次数、能量的变化规律。

图2 不同开采速度下的各能量级别的震动次数、能量的变化规律

结合图 2和表 2可知,回采工作面的推进速度与低能量的矿山震动之间存在明显的线性关系。即工作面的推进速度越快,产生的矿山震动次数、震动能量就越高。低能量 (E≤105J)的矿震次数、能量同开采速度之间成线性关系,而高能量 (E＞105J)的矿震次数、能量同开采速度之间成非线性关系。从图 2(a)中可以看出矿震次数与开采速度成正比,而震动能量与开采速度之间没有线性关系,这其实是概率中大数定律的反映。因为平均日矿震次数中低能量发生次数占主要部分,而开采速度与低能量矿震的震动次数、震动能量成正比,而日平均累计能量由于高能量的数量级大,掩盖了低能量的贡献,因此图中实际上反映的主要是高能量的随开采速度的变化情况。

图3为低能量级别 (EC=102J和 EC=103J)震动次数及其各成分比例和比值的变化。

图3 各能量级别震动次数及其成分变化

从图 2和图 3中可以看出,低能量级别的震动次数、震动能量随着开采速度的增加均线性增加,而两者震动次数的比值却显著的减少,见图 3(a)。深入统计研究各开采速度下各能量级别每天所占次数比例发现,见图 3(b),随着开采速度的增加,EC=102J震动次数平均日比例成线性的减少,而 EC=103J震动次数平均日比例成线性的增加。说明了 EC=102J和 EC=103J的震动次数都在增加,但是其中 EC=103J的震动次数的增长速率明显要大于 EC=102J的增长速率。这就是说,开采速度的增加,使低能量所占成分发生显著变化,向低能量中相对高能量移动。波兰的研究结果表明,从冲击矿压和岩体震动的关系来看,发生冲击矿压的最低能量为 1×103J[4],而且岩石的变形破坏过程实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终到整体灾变的过程。因此,随着开采速度的增加,工作面发生冲击的危险性增加。

控制开采速度可控制低能量矿震发生次数和释放能量,慢匀速开采能有效减少矿震发生次数。

4 结论

(1)统计结果表明,矿山震动是矿山开采的直接产物,低能量的矿震的次数、能量与开采速度呈近线性正相关,而高能量矿震与开采速度呈非线性关系。开采速度越快,低能量矿震的震动次数和能量越高。

(2)开采速度的增加,使低能量所占成分发生显著变化,向低能量中相对高能量移动,矿震冲击的危险性越高。

(3)控制开采速度可以控制低能量矿震的发生次数和释放能量,慢匀速开采能有效地减少矿震发生的次数。由于开采技术条件的不同,地质构造条件的不同,各矿井工作面防治矿震发生的最有利的推进速度也不同,需要根据具体条件而定。

[1]齐庆新,窦林名 .冲击地压理论与技术 [M].徐州：中国矿业大学出版社,2008.

[2]吴 键 .我国综放开采技术 15年回顾 [J].中国煤炭,1999,25(1)：9-16.

[3]蒋金泉,张开智 .综放开采矿震的成因及防治对策 [J].岩石力学与工程学报,2006,25(1)：3276-3282.

[4]窦林名,何学秋 .冲击矿压防治理论与技术 [M].徐州：中国矿业大学出版社,2001.

[5]窦林名,赵从国,杨思光,等 .煤矿开采冲击矿压灾害防治[M].徐州：中国矿业大学出版社,2006.

[6]G IBOW I CZ S J,KI JKO A.矿山地震学引论 [M].修济刚译.北京：地震出版社,1996.

Research on Rules of Shock Bump in Full-mechan ized CavingM in ing Face

J IANG Heng1,DOU Lin-ming1,QU Yun2,DU Tao-tao1,HE Hu1,ZHANGMing-wei1
(1.State KeyLaboratory of Coal Resource&SafetyMining,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China;2.Baodian Colliery,Yanzhou Coal Group,Zoucheng 273513,China)

Based on monitoring data of SOS seis mic monitoring system from a colliery,this papermade statistic analysis of shock frequency and energy under different mining speeds. It researched correlation relationship of mining activity and shock bump.Results showed that shock bump was direct resultofmining activity.The number and energyof shock bump with low energywasproximate linear positive correlation with mining speed,but those with high energywas nonlinear relate with mining speed.Mining speed was quicker,number and energy of shock bump with low energywas larger and the proportion of relative high energywas obvious higher.This paper put forward that reducingmining speedmight control number and energy of shock bump with low energy and thatminingwith slow constant speed might reduce number of shock bump.

full-mechanized cavingmining;mining activity;rule of shock bump;correlation relationship

TD324

A

1006-6225(2010)01-0011-04

2009-09-25

国家重点基础研究发展规划 (973)资助项目 (2010CB26805,2005cb221501-03);国家 “十一五”科技支撑计划资助项目(2006BAK03B06,2006BAK04B02);国家自然科学基金资助项目 (50490273,50474068)

江 衡 (1984-),男,湖南衡山人,硕士研究生,主要从事矿山压力、冲击矿压、采矿地球物理等方面的研究。

毛德兵]