我国冲击地压矿井已达到178个[1]，且遍布主要产煤省区，涵盖所有深井开采条件。从宏观上看，诱发冲击地压的因素分为地质因素和开采因素[2]，其中地质因素包括开采深度、构造赋存、地层结构等，开采因素包括采空区分布、与采空区施工关系、工作面形状、采高、推采速度等。国内外学者[3-8]对诱发冲击地压的地质因素和采空区、工作面形状、采高等开采因素进行了大量研究。现场调研发现，采场高速推采或非匀速推采时，易发生冲击地压。有关学者采用试验、数值模拟等方法验证了这种现象，如谢广祥[9]通过相似材料模拟试验和数值模拟试验指出，工作面推采速度越大，超前支承压力峰值越大，峰值位置越靠近煤壁;闫宪磊[10]通过分析微震监测数据指出，提高工作面推采速度导致震动总能量由低能量态向高能量态移动，增加了冲击地压危险;张宏伟[11]指出提高工作面推采速度相当于增大了煤层的受载速率，并通过煤样加载试验证明，增大加载速率致使煤体脆性增加，冲击倾向性增强，抗突变能力减弱。笔者将采场推采速度或其变化诱发冲击地压的现象定义为推采速度效应，仅考虑已有采矿地质条件下推采速度这一因素的影响，探讨推采速度效应的产生机制，最后以山东某矿1300工作面为工程背景，结合对微震监测数据的分析，提出采场推采速度效应的动态调控方法。
1 工程案例揭示的采场推采速度效应
1.1 冲击地压与推采模式的相关性
采场推采模式包括匀速推采和非匀速推采等2种，其中非匀速推采易诱发冲击地压，如2017-04-18 T14:26某矿2304S工作面下平巷发生的冲击地压(图1)。根据微震监测和现场勘查，此次冲击地压具有如下特点:① 能量大，震动强。ARAMIS M/E微震监测系统显示，此次冲击地压能量为3.44×105 J，上平巷超前工作面煤壁500 m范围内有声响，现场扬尘严重。② 伴随冲击波。现场4名工作人员被冲击波推倒。③ 破坏严重。下平巷超前工作面煤壁27～67 m范围顶板整体下沉1.0～1.2 m(图2(a))，锚索梁破断3根，锚索破断2根(图2(b))，多根锚杆整体抽出，两处顶板撕网漏矸(图2(c))，两帮卸压钻孔闭合，有煤粉喷出(图2(d))。
图1 2304S工作面平面图及冲击区域
Fig.1 Plan of LW 2304S and rock burst area
图2 事故现场照片
Fig.2 Photos of accident scene
图3所示为2304S工作面推采速度(Advance Speed，简称AS)和日微震能量(Daily Microseism Energy，简称DME)变化曲线。从图3中可以看出，4月9日—4月12日的AS为3.2～3.6 m/d，对应的DME为15～19 kJ;4月13日—4月17日的AS在0～3.2 m/d范围内波动，DME波动式增加。可见，采场匀速推采时DME比较稳定，而非匀速推采时，DME增加趋势明显，基于DME与AS的对照关系，推断此次冲击地压与采场非均匀推采有关。
图3 2304S工作面AS和DME变化曲线
Fig.3 Change curves of AS and DME of LW 2304S
1.2 冲击地压与推采速度的相关性
冲击地压除与采场推采模式有关外，还与推采速度有关，如2017-06-06 T19:06山东某矿1301工作面上平巷发生冲击地压(图4)。ARAMIS M/E微震监测系统显示，此次震源位于工作面超前92 m、上平巷外侧67 m处，能量为46 kJ。此次冲击地压造成上平巷超前26～34 m范围的6根锚索梁变形、6根锚索托盘脱落，超前34～81 m范围顶板下沉0.6～1 m，超前75～92 m范围内帮片帮深度0.7～1 m，超前78～98 m范围底臌0.2～0.3 m，多处网片开裂。
图4 1301工作面平面图及冲击区域
Fig.4 Plan of LW 1301 and rock burst area
图5所示为1301工作面AS和DME变化曲线。从图5中可以看出，6月1日—6月2日的AS为4.0 m/d，对应的DME小于15 kJ;6月3日—6月5日的AS为4.8 m/d，对应的DME平稳，但6月6日的DME达到54.1 kJ，并于该日发生冲击地压。另外，根据现场监测数据统计，AS保持为4.0 m/d时，DME变化幅度不大，且处于低位，而AS一旦提高至4.8 m/d时，邻近几日内将产生大能量微震事件。基于上述规律，推断此次冲击地压与采场高速推采有关。
图5 1301工作面AS和DME变化曲线
Fig.5 Change curves of AS and DME of LW 1301
2 采场推采速度效应的微震监测
2.1 地质与开采技术条件
山东某矿1300工作面位于一采区南翼，为该采区的首采工作面，埋深为860～890 m，倾向长100 m，走向长1 255 m，回采煤层厚6.3 m，东侧80 m处为1301胶带巷;煤层顶板由下往上依次是厚1.23 m的砂质泥岩、厚0.6 m的细砂岩、厚0.65 m的粉砂岩、厚12.85 m的中砂岩和厚11.25 m的细砂岩，底板由上往下依次为厚5.33 m的砂质泥岩与细砂岩互层和厚7.0 m的粉砂岩。对工作面开采有较大影响的断层有FY1，FY15(图6)，其中FY1断层落差0～9 m，倾角为60°，FY15断层落差0～20 m，倾角为70°，两条断层斜穿1300工作面。该工作面回采造成1301胶带巷分别于2014-09-05,2015-01-09,2015-07-08发生冲击地压，累计破坏巷道260 m(图6)，每次冲击地压发生时对应的工作面位置如图6所示。经微震监测系统定位和计算，得到每次冲击地压发生时的震源位置和能量，其中震源如图6中A，B，C点，能量分别为70,210,100 kJ。图6中D，E点分别为2015-10-12,2015-11-10发生的大能量震源(由于位于采空区后方且附近没有巷道，无法判断是否发生冲击破坏)位置，能量分别为47,20 kJ。
图6 1300工作面平面图及冲击区域
Fig.6 Plan of LW 1300 and rock burst areas
2.2 微震监测系统布置
微震监测具有长距离、动态、三维、实时等特点[12]，通过布置在采掘空间周围的检波器实时采集岩体破裂伴随的地震波，并对地震波信息进行处理和分析，可获取岩体破裂位置、时间、能量等信息。该矿安装了波兰16通道ARAMIS M/E微震监测系统，1300工作面周围检波器布置如图7所示。
图7 微震检波器布置
Fig.7 Layout of microseismic monitoring detectors
2.3 微震监测揭示的采场推采速度效应
2014-11-14—2015-12-08，1300工作面共生产329 d，累计推采965 m，微震监测系统监测到有效事件7 879个。下面分析工作面生产期间匀速推采、非均匀推采及复产后匀速推采期间的微震能量特征。
(1)生产期间匀速推采时的微震响应特征。表1所示为抽取样本情况，图8所示为1300工作面生产期间匀速推采时DME变化曲线。从表1和图8中可以看出，AS由0.8 m/d增加至4.0 m/d时，DME逐渐增加，且AS为4.0 m/d时，DME出现第1个峰值;当AS由4.0 m/d增加至5.6 m/d时，DME逐渐减少，且AS为5.6 m/d时对应的DME为一谷值;当AS由5.6 m/d增加至6.4 m/d时，对应的DME平均值由1.30 kJ/d增加至13.92 kJ/d，最大值由3.07 kJ/d增加至20.50 kJ/d;当AS由6.4 m/d增加至7.2 m/d时，对应的DME平均值及最大值都小幅度减少，但仍处于高位。可见，采场匀速推采时DME与AS之间的关系较为复杂，但若分为3个阶段，则AS由0.8 m/d增加至4.0 m/d、由4.0 m/d增加至5.6 m/d、由5.6 m/d增加至7.2 m/d分别对应于第1、2、3阶段，其中在第1、3阶段微震响应与AS呈正相关关系。
表1 生产期间匀速推采样本
Table 1 Samples of uniform advance in production
图8 生产期间DME与AS的关系曲线
Fig.8 Curves of DME and AS during the production period
图9所示为不同AS对应的微震事件分布(Microseismic Events Distribution，简称MED)。图9(a)～(c)对应的推采时间分别为2014-09-06—09，2014-11-04—07，2014-12-23—26，对应的AS分别为1.6，4.0，6.4 m/d。从图中可以看出，相同推采周期内，AS越大，微震响应越明显。
图9 不同AS对应的MED (2014-04-11—05-02)
Fig.9 MED corresponding to diffident AS(2014-04-11—05-02)
(2)复产期间匀速推采时的微震响应特征。表2所示为1300工作面复产期间推采样本情况，图10所示为复产期间前3 d匀速推采时近6 d内微震能量柱状图。
表2 复产期间匀速推采样本
Table 2 Samples of uniform advance in recovery production
从表2和图10中可以看出，当复产3 d内AS为1.6 m/d时，近5 d内DME变化不大，且都处于低位，但第6天(2015-10-12)发生一次能量为47 kJ的微震事件(位置见图6中的D点)，导致该日微震能量大幅增加;当复产3 d内AS为2.4 m/d时，近4 d内DME变化不大，且都处于低位，但第5天(2015-11-10)发生一次能量为20 kJ的微震事件(位置见图6中的E点)，导致该日微震能量大幅增加;当复产3 d内AS为3.2,4.0 m/d时，近6 d内DME变化都不大，且都处于低位;当复产3 d内AS为4.8 m/d时，近2 d内DME变化不大，且处于低位，但第3天微震能量大幅增加，第4天(2015-07-08)发生能量为100 kJ的冲击地压(震源位置见图6中的C点);当复产3 d内AS为6.4 m/d时，第2天微震能量明显增加，第4～6天内DME一直处于高位，第7天(2015-01-09)发生能量为210 kJ的冲击地压(震源位置见图6中的B点)。可见，复产期间DME及冲击地压显现与匀速推采速度具有相关性，即长期低速或高速复产都易诱发冲击地压。
图10 复产期间DME统计柱状
Fig.10 Histogram of DME statistic in uniform reproduction
为分析复产后AS与微震响应的相关性，对两次停产前后的MED进行对比。图11所示为两次停产前后的MED，其中图11(a)为停产前后AS为6.4 m/d时MED(2014-12-31—2015-01-02停产)，图11(b)为停产前后AS为4.0 m/d时MED(2015-05-05—06停产)。从图11中可以看出，AS为6.4 m/d时，停产前、停产期间及停产后工作面超前都有多个大能量微震事件，AS为4.0 m/d时，虽然停产前、停产期间及停产后工作面超前也有大能量微震事件，但数量少;与AS为4.0 m/d时对比，相同阶段AS为6.4 m/d时的微震事件明显偏多。因此，无论是生产期间还是复产期间，高速推采都将造成显著的微震响应。
图11 停产前后的MED
Fig.11 MED before and after inactions
(3)生产期间非匀速推采时的微震响应特征。图12为1300工作面AS和MED变化曲线(2015-04-11—05-02)。从图12中可以看出，2015-04-11—19的AS为2.4～4.8 m/d，平均3.5 m/d，属非匀速推采;2015-04-20—25的AS为5.6 m/d，属高速推采;2015-04-26—05-02的AS为0.8～1.6 m/d，平均1.4 m/d，属低速推采。图13所示为3种推采状态(非匀速推采、高速推采、低速推采)对应的MED。从图13中可以看出，高速推采时的微震响应显著于低速推采，说明推采速度越大，微震响应越明显，越易发生冲击地压;非匀速推采时的微震响应显著于高速推采，说明非匀速推采更易诱发冲击地压。
图12 AS与MED变化曲线(2014-04-11—05-02)
Fig.12 Change curves of AS and MED(2014-04-11—05-02)
图13 不同推采状态对应的MED
Fig.13 MED corresponding to diffident advance mode
综合上述分析可以看出，采场正常生产期间存在一个合理推采速度范围，超出该范围，微震响应与推采速度呈正相关关系;复产期间也存在一个合理推采速度范围，超出该范围，邻近几日内微震响应与冲击地压显现明显，且推采速度越大，微震响应越显著;推采状态对微震响应也有明显影响，其中非匀速、高速推采时的微震响应显著于低速推采。
3 采场推采速度效应产生的机制
目前关于冲击地压发生机制，较为普遍的认识是:冲击地压是能量问题，当煤体中积聚的应变能多于其破坏所消耗的能量时就会发生冲击地压。鉴于此，下面从能量转化的角度分析采场推采速度效应的产生机制。
回采前煤层支撑着顶板岩层，而顶板岩层反作用于煤层，煤层储存的弹性应变能与顶板势能相等;煤层回采后，回采范围对应的顶板势能发生转化或释放，一部分转化为弹性应变能储存于煤层，另一部分转化为机械能，并通过岩层破断、运动和岩体震动等形式释放。微震是岩层破断、运动和岩体震动的表征，一定程度上反映顶板势能释放。因此，微震特征可作为冲击地压危险性预测的指标。另外，同一时间段内越多的顶板势能转化为弹性应变能储存于煤层，冲击危险性越大。总之，煤层冲击危险性取决于储存于煤层的弹性应变能大小及其释放模式，而煤层弹性应变能增量ΔU主要取决于待转化的顶板势能EP和其转化为煤层弹性应变能的转化率η，即ΔU=EPη。下面证明ΔU与推采速度v的关系。
图14所示为EP的计算模型。该模型为平面应变模型，设煤岩层倾角为0，煤层埋深为H，覆岩平均密度为ρ，推进距离为l，则EP的计算公式为
(1)
式中,g为重力加速度。
图14 EP的计算模型
Fig.14 Calculating model of EP
经求解，EP=ρglH2/2。代入l=v·1，得到EP=ρgvH2/2。可见，每天待转化顶板势能EP与推采速度v呈正比。另外，采场顶板运动与来压特征和推采速度相关，高速推采时采场顶板运动与来压不明显，说明此时更多的顶板势能转化为煤层弹性应变能，即转化率η与采场推采速度v呈正相关关系。由ΔU=ηρgvH2/2可知，煤层弹性应变能增量ΔU与推采速度v呈正相关关系。
煤层弹性应变能释放模式与推采模式有关，匀速推采时，煤层弹性应变能均衡释放，推采速度越大，每天释放的应变能越多;非匀速推采时，煤层弹性应变能累积集中释放，将出现连续几天累积后集中释放的现象。因此，高速推采条件下煤层弹性应变能增量ΔU增大，多应变能均衡释放，冲击危险性增大;非匀速推采条件下，虽然煤层弹性应变能增量ΔU相对较小，但易累积后集中释放，冲击危险性增大。可见，高速推采和非匀速推采时都易发生冲击地压。
4 采场推采速度效应的动态调控
为有效防止回采工作面推采模式及推采速度诱发冲击地压，需要对采场推采速度效应进行动态调控。而动态调控采场推采速度效应的关键是获得判据。从能量转化的角度认识冲击地压发生机制相对容易，但想通过实时获得煤层弹性应变能预测煤层冲击危险性存在一定难度。然而，可通过分析微震能量变化规律实时了解顶板势能的演化，并可根据微震响应特征判断异常。因此，可将DME作为采场推采速度效应动态调控的依据。目前，关于微震数据处理主要有3种方式[13]:一是分析震源位置和微震事件频次;二是分析微震能量变化规律;三是通过分析微震波形确定岩体破坏形式。下面通过统计分析1300工作面2014-11-14—2015-12-08微震能量变化规律，进而确定微震能量阈值，从而为类似采场推采速度效应的动态调控提供判据。
4.1 DME区间统计分析
按间隔为2 kJ/d设置12个微震能量区间，对DME区间出现频次及所占百分比进行统计，结果如图15所示。取区间增幅2 kJ/d对DME进行统计，结果如图16所示。从图16中可以看出，18 kJ/d是DME的一临界点，若将对应区间(0，18)kJ/d作为置信区间，对应的置信水平和显著水平分别为98%和2%;20 kJ/d也是DME的一临界点，若将对应区间(0，20)kJ/d作为置信区间，对应的置信水平和显著水平分别为98.9%和1.1%。
图15 DME区间统计
Fig.15 Interval statistics of DME
图16 DME累计区间统计
Fig.16 Cumulative interval statistics of DME
4.2 单位推进度微震能量区间统计分析
为更为细观的统计分析微震能量，定义AME，即DME与AS的比值。按间隔为0.6 kJ/m设置12个微震能量区间，对AME区间出现频次及所占百分比进行统计，结果如图17所示。取区间增幅0.6 kJ/m对AME进行统计，结果如图18所示。从图18中可以看出，6.0 kJ/m是AME的一临界点，若将对应区间(0，6.0)kJ/m作为置信区间，对应的置信水平和显著水平分别为99.1%和0.09%;7.8 kJ/m也是AME的一临界点，若将对应区间(0，7.8)kJ/m作为置信区间，对应的置信水平和显著水平分别为99.7%和0.03%。
图17 AME区间统计
Fig.17 Interval statistics of AME
图18 AME累计区间统计
Fig.18 Cumulative interval statistics of AME
4.3 调控阈值确定及对策
(1)调控阈值确定。根据DME区间出现频次和DME累计区间百分比，确定基于DME的限产和停产调控阈值为18，20 kJ/d;根据AME区间出现频次和AME累计区间百分比，确定基于AME的限产和停产调控阈值为6，7.8 kJ/m。另外，采用与顶板周期来压判据确定相似的方法对确定的调控阈值进行了验证，即将DME或AME的平均值与其1倍均方差之和作为限产调控阈值，将DME或AME的平均值与其2倍均方差之和作为停产调控阈值，结果基本一致。
(2)调控对策。当DME或AME达到或超过限产阈值时，对采场实施限产，单班推进距离减少0.8 m，每天推进距离不超过3.2 m;当DME或AME达到或超过停产阈值时，对采场实施停产，单班停产时间不少于2 h，每天推进距离不超过2.4 m，当现场微震响应恢复至平稳状态时，将推采速度逐步恢复至合理范围。
上述调控指标及对策在该矿1302工作面进行了应用，有效防止了冲击地压的发生。另外，提出的采场推采速度效应动态调控方法在山东新巨龙能源有限责任公司进行了应用，有效指导了冲击地压防治。
5 结 论
(1)回采工作面冲击地压危险性与采场推采模式、推采速度具有相关性，其中采场高速推采和非匀速推采易诱发冲击地压。
(2)采场高速推采诱发冲击地压的实质在于:煤层弹性应变能增量与推采速度正相关，高速推采条件下多应变能均衡释放。非匀速推采诱发冲击地压的实质在于，煤层应变能累积集中释放。
(3)采场正常生产期间和复产期间都存在合理的推采速度范围，超出该范围，推采速度越大，微震响应越明显，发生冲击地压的可能性越大。
(4)微震能量变化是顶板势能演化的表征，以DME，AME为指标构建的基于微震监测的采场推采速度效应动态调控方法具有良好的实用性。
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