工作面推进速度对矿压显现规律的影响分析

翟 龙

（同煤国电同忻煤矿有限公司，山西 大同 037001）

我国是典型的“缺油多煤”国家，2019年我国煤炭产量和消费量分别为38.46 亿吨、41.32 亿吨，煤炭在未来50年内依然是最可靠的化石能源。回采工作面推进速度对煤炭产量、生产成本、效率等有着直接影响，因此适当提高推进速度是提升煤炭企业经济效益最有效的途径之一。回采工作面的矿山压力与推进速度相互影响并制约着推进速度，为确保回采工作的安全高效，必须分析矿山压力对回采工作面推进速度的影响因素及影响程度。

1 工作面概况

同忻煤矿1611（3）工作面煤层厚度1.5～4.6 m，平均厚度2.2 m，倾角8°～12°，平均倾角10°，该煤层中间有一层厚0.3 m 夹矸，以泥岩为主，煤层顶底板柱状图见图1。该工作面宽度约180 m，巷道布置见图2，其中轨道和运输大巷尺寸均为：宽×高=4.8 m×3.5 m；支护方式均为“锚梁网+锚索+U型棚”，工作面液压支架参数见表1。通过测定：1611（3）工作面瓦斯含量约为2.8 m3/t，无煤与瓦斯突出危险。

表1 工作面液压支架技术参数

图1 煤层顶底板柱状图（部分）

图2 工作面巷道基本布置

2 不同推进速度下工作面瓦斯含量及矿压观测分析

该工作面煤质为主焦煤，市场需求量大、价位高。为保证工作面生产效率，该矿通过现场试验来确定该工作面的最快推进速度。在此首先测定不同推进速度下工作面瓦斯含量，然后分别选取40#（上部）支架、75#（中部）支架、100#（下部）支架作为支架工作阻力数据采集点，布置见图3。

通过结合其他工作面经验，在此确定1611（3）工作面不同推进速度方案有四种：4.3 m/d、7.2 m/d、10.8 m/d、13.2 m/d，以每个速度分别保持推进10天来分析工作面各参数情况。

图3 支架工作阻力数据采集点分布

2.1 不同推进速度下工作面瓦斯含量测定

回采作业时，工作面的瓦斯含量对安全生产有着直接影响。回采工作面及回风巷风流中的瓦斯浓度要求在1%以下，当瓦斯浓度超过1.0%，必须立即停止作业并撤出人员。因此，在确定最适宜推进速度时必须首先满足瓦斯浓度不超限。现场实测1611（3）工作面风流中瓦斯浓度曲线见图4。

由图4 可知：①随着推进速度增加，风流中瓦斯浓度总体上处于增大趋势，不过均远小于警戒线；②不同推进速度下，工作面风流中瓦斯浓度相差并不大，究其原因：虽然推进速度增加会加大煤层瓦斯释放量，但是很多处于采空区、围岩中的瓦斯来不及释放就被再次压实紧密，所以并不会造成较大危害。因此1611（3）工作面在设计的推进速度下风流中瓦斯浓度均处于安全值之下，其中4.3 m/d 时浓度最小，浓度范围在0.3%～0.4%。

图4 不同推进速度下工作面风流中瓦斯浓度曲线

2.2 工作面老顶来压显现分级

老顶垮落是造成工作面来压的主要原因，而根据顶板性质、煤层厚度不同，老顶来压显现度也会有很大差别。一般老顶来压分级指标是以老顶初次来压当量Pe 为参考标准，计算公式见式（1）[1]，经计算1611（3）工作面Pe=890.66，对照下表2 的老顶来压显现分级表属于不明显级别，这对工作面液压支架和巷道支护是有利的。

式中：Pe 为老顶初次来压当量，kPa；Lf为老顶初次来压步距，在此取值30 m；N 为直接顶充填系数，取值1.5；h 为煤层采高，m，在此取值2.2。

表2 老顶来压显现分级指标

2.3 不同推进速度下来压步距分析

1611（3）工作面不同推进速度方案下的顶板来压数据，见表3 和图5。由相关数据可知：①随着推进速度增加，周期来压步距、来压持续长度、来压载荷均呈现逐步增大情况；②虽然工作面推进速度不同，但矿压动载系数基本维持在1.65 左右，影响较小[2]。因此得出工作面快速推进时，会增加支架的受载时间，不利于支架的使用和维护，反而会增加顶板断裂回转力的影响程度，单从这方面分析，工作面推进速度越小越有利。

表3 不同推进速度下周期来压特征

图5 推进速度和周期来压步距关系曲线

2.4 煤壁片帮和冒顶事故分析

现在煤壁片帮和冒顶虽然不会造成严重伤亡事故，但是会损坏采煤机、刮板输送机等机械设备，导致无法正常割煤作业，而顶板活动是产生该类事故的直接原因[3]。在此以工作面不同的推进速度为基础，统计煤壁片帮和冒顶的次数、深度、范围，具体数据见表4。

由表4 可知：①随着推进速度增加，煤壁片帮次数和频率均处于逐渐减少趋势。从现场经验来看，速度越快，片帮深度越小，在以4.2 m/d 慢速推进时，发生了一次厚度达1 200 mm 的片帮事故，煤壁稳定性很差；②在同一推进速度时，随着片帮深度越大，发生概率越小；③现场工作面推进时，片帮多发生在中上部支架位置，分析是受夹矸影响。

表4 工作面煤壁片帮统计

在此分析上述规律原因如下：当工作面推进速度越慢时，煤层受顶板挤压时间越长，塑性范围区越大，因此造成煤壁稳定性变差，但如果工作面推进速度较快，煤层裂隙发育程度低，不利于内部瓦斯的释放。综合考虑，工作面在保证安全的情况下尽量提高推进速度是有利的[4]。

3 不同推进速度下超前支承压力及瓦斯含量观测分析

超前支承压力是指在工作面之前的一段距离内，煤体内存在着压力显著增大趋势，该类型压力在一定程度上可提前压松散煤层，可以使采煤机更容易割煤作业，而且有利于煤体内瓦斯的提前释放；但同时也是造成工作面片帮、巷道变形的重要原因。因此，超前支撑压力保持在一个较小值即可[5]。

3.1 观测方法和观测点布置

本项目对超前支承压力的观测点布置见图6，共布置了四个测站，测站间距设计为100 m，且第一个测站距离外切眼100 m。观测方法采用KSE-Ⅱ型钻孔应力计及配套的数据记录仪，观测孔共8个，深度设计为5.0 m，高度设计在轨道和运输大巷底板之上1.5 m 位置处[6]。

图6 超前支承压力观测站布置

3.2 超前支承压力观测数据分析

该工作面超前支承压力观测数据见表5。由表5 可知：随着工作面推进速度增加，支承压力峰值、应力集中系数在逐渐增大，而压力峰值距煤壁距离、支承压力影响范到13.2 m/d 时，压力峰值距煤壁距离仅10 m，且压力达到了31.5 MPa，容易发生煤壁片帮、冲击地压等事故，严重影响生产安全，因此仅从这一点就要排除该推进速度。单从这方面考虑，工作面推进速度越小越有利[7]。

表5 1611（3）工作面超前支承压力数据

4 结语

如果从煤矿经济效益为出发点，在保证回采工作面及回风巷瓦斯含量安全的前提下，工作面推进速度越快越好。但通过综合对比分析1611（3）工作面不同推进速度时来压步距、煤壁片帮和冒顶事故、超前支承压力等不同因素，发现回采工作面推进速度超过13.2 m/d 时会引发周期来压步距大、来压持续长度长、压力峰值高等安全隐患，因此，必须将回采工作面推进速度控制在该值以下；而当回采工作面推进速度在4.3 m/d 时，煤壁片帮事故会增加，会影响正常生产。最终，技术人员决定将回采工作面推进速度控制在10.8 m/d，遇到地质条件较差时则减为7.2 m/d。工作面最佳推进速度需要根据实际情况进行灵活调整，以保证安全生产为前提条件。