强冲击与易自燃工作面的推进速度研究

贾博宇 宣德全

（义马煤业集团股份有限公司通风处，河南 义马 472300）

义煤集团耿村煤矿为高瓦斯、强冲击倾向性矿井。2015年，在该矿13230回采工作面下巷发生一次破坏性的冲击地压事故。防治冲击地压最有效的方法是放慢工作面推进速度[1]，防止应力积聚，而该矿又是容易自然发火矿井，自然发火期最短15d，防治自然发火最有效的方法是加快推进速度，减少采空区氧化带暴露时间，如何找到矛盾平衡点，优化出合理的推进速度，是确保工作面安全回采的重要因素。由于该工作面北邻13190和13210两个采空区，因此不仅研究了工作面推进速度与矿震的关系，还通过冲击关注区域划分，提出“见方”区和“未见方”区可采用不同推进速度。

1 工作面概况

13230工作面采用走向长壁式布置，上巷1088m，下巷1090m，走向可采长度971m，倾斜长196m。采用综采放顶煤采煤工艺，U型通风，采高为2.7m。中国矿业大学根据东采区深部煤样（取自同一煤层的13190工作面）试验测定结果，认定为强冲击倾向性。

2 防自然发火推进速度

2.1 “三带”测点指标

为了研究防治采空区自然发火对工作面推进速度的影响，在井下铺设温度探测器和气样束管及气象色谱分析，分析采空区温度、O2、CO浓度随工作面回采的变化关系[2]。随着各测点不断进入采空区深部，O2浓度逐渐下降，上巷测点（0～29.8m）范围氧气浓度变化不大，这是由于该区域通风良好；随后（29.8～57.3m）范围O2浓度快速下降，降到9.34%后基本趋于稳定。下巷取样点O2浓度变化趋势与上巷基本相同，但由于下巷为进风巷，氧化带划分范围比上巷小，根据最大原则，选用上巷测点数据。同理，上巷采空区随着后退，温度逐步升高，到31.2m时，温度达到41℃，到58.2m时，达到峰值46.1℃，到64.5m时，温度开始逐步下降。CO被普遍认为是最敏感指标，随着采空区后退，CO浓度逐步升高，到29.1m时，CO浓度为59ppm，到39.9m时，CO浓度达到峰值182ppm，随后开始逐步降低，后推到63.8m时，无CO。

2.2 “三带优化”及最低推进速度

根据采空区各项参数随工作面推进的变化规律，对采空区“三带”进行划分，并利用min-max优化方法，划分区域如表1所示。表明从采空区后部29.1m开始，遗煤进入氧化状态，到达64.5m时，各项指标均消失或稳定到最小值，说明采空区可能处于窒息带。氧化带宽度为35.4m，自然发火期最短15d，为了使工作面在自然发火期内退出氧化带，工作面最佳回采速度V推≥2.36m/d。

表1 采空区“三带”区域

3 合理防冲推进速度

3.1 速度初步确定

13230工作面发生冲击地压事故前对其回采过程中发生微震事件的研究具有重要参考价值[3]。工作面上巷716m，下巷823m及东区避难硐室口，行人下山底部共安装4个Aramis低频拾震器[4]，并上、下巷各安装6个ESG高频检波器，呈“品”字型布置，安装间距150～200m，覆盖13230工作面整个采掘区域，工作面回采过程中，要不断优化检波器布置，确保监测精度。工作面初采时，使用4.8m/d以上的回采速度回采一周左右，期间微震事件极其频繁，102J能量级的微震日均29.1次 ，103J能量级的微震日均12.2次 ，并且分别发生1次104J和105J能量级的矿震事件。矿方紧急修改防冲设计并经专家论证，加强防冲措施，以3.6～4.8m/d的速度推进，经监测，1个月内共发生微震事件683 次，平均日频次约 22.8次，最高日频次59次，其中能量级别为102J和103J矿震次数分别为12.9次/d和5.5次/d。工作面回采速度保持在2.4～3.6m/d的情况下，矿震发生频率和强度均有明显降低，102J级别的矿震减少为日均7.5次，103J级别的矿震为日均2.3次，但发生了1次104J能量级的矿震事件，经调查该天0点由于其他原因加快了推进速度，并且防冲措施执行不到位，随后降低了回采速度并加强措施。当推进速度保持在1.2～2.4m/d时，当月只发生1次103J能量级的矿震，102J级别的矿震平均日频次降低到约3.4次，基本杜绝了103J及以上能量级的矿震。随着回采速度的降低，集中应力释放较为充分，工作面矿压显现程度也降低，次数减少，因此初步明确了1.2～2.4m/d的推进速度基本能满足防冲需要，小于1.2m/d则更加安全。对数据进行拟合，发现102J和103J能量级的矿震均随V推呈现y=aebx函数趋势，相关性系数R2大于0.9，说明震动频率不但随着推进速度的增大而加大，并且呈现加速状态。关系图如图1所示。

图1 f震与V推关系图

3.2 见方与未见方区速度优化

3.2.1 区域划分

工作面回采时，当工作面推进距离与工作面长度大致相等时，称工作面采空区“见方”。此时采空区上覆岩层呈正“O-X”破断，周边应力集中，覆岩运动强烈，是冲击地压高发地区[5]。由于该工作面北邻13190、13210两个采空区，因此需要考虑单工作面 “见方”、双工作面“见方”和三工作面“见方”。依据覆岩空间结构运动与动力灾害关系评价报告，该工作面“一次见方”影响区域为回采进尺146～246m，“双见方”影响区域为回采进尺332～432m，“三次见方”影响区域为回采进尺534～634m。

3.2.2 速度优化

根据上述研究，初步明确了1.2～2.4m/d的推进速度基本能满足防冲需要，而这个推进速度并不满足采空区自燃带宽度确定的最佳回采速度V推≥2.36m/d。经过相关专家论证，决定在未“见方”区域执行2.4m/d的推进速度，该速度同时满足防灭火的需要；在“见方”区域执行1.2～1.8m/d的推进速度，而在工作面上巷受初次来压（工作面复产后推采至80m范围）、工作面末采300m范围至巷道穿层区（末采影响区域），以及工作面下巷受初次来压、厚底煤（120～260m）与“一次见方”（146～246m）叠加影响区域、回采进尺490m至巷道穿层区域（末采影响区域）等高应力集中区域，执行不超过1.2m/d的推进速度。执行该速度后，矿震频率和强度明显降低，1个月内共发生微震事件53次（102J级别及以下），平均日频次约1.8次，最高日频次7.2次，未发生103J及以上级别的矿震。

4 结论

（1）根据采空区各项参数（温度、O2、CO）的实测数据，采用min-max法优化了采空区氧化带宽度，确定当工作面V推≥2.36m/d时，有利于采空区的防灭火工作。

（2）通过现场试验验证了1.2～2.4m/d的推进速度基本能满足防冲需要，102J级别的矿震平均日频次降低到约3.4次，基本杜绝了103J及以上能量级的矿震，小于1.2m/d则更加安全。通过数据拟合分析，发现102J和103J能量级的矿震均随V推呈现y=aebx函数趋势，相关性系数R2＞0.9，说明震动频率不但随着推进速度的增大而加大，并且呈现加速状态。

（3）结合防灭火最佳回采速度，在未“见方”区域执行2.4m/d的推进速度，在“见方”区域执行1.2～1.8m/d的推进速度，而在工作面受初次来压、厚底煤与“见方”叠加影响以及末采影响等高应力集中区域，执行不超过1.2m/d的推进速度。实践证明，通过速度分级，矿震频率和强度明显降低，并未发生103J及以上级别的矿震，确保工作面安全生产。