強沖擊與易自燃工作面的推進速度研究

賈博宇 宣德全

（義馬煤業集團股份有限公司通風處，河南 義馬 472300）

義煤集團耿村煤礦為高瓦斯、強沖擊傾向性礦井。2015年，在該礦13230回采工作面下巷發生一次破壞性的沖擊地壓事故。防治沖擊地壓最有效的方法是放慢工作面推進速度[1]，防止應力積聚，而該礦又是容易自然發火礦井，自然發火期最短15d，防治自然發火最有效的方法是加快推進速度，減少采空區氧化帶暴露時間，如何找到矛盾平衡點，優化出合理的推進速度，是確保工作面安全回采的重要因素。由于該工作面北鄰13190和13210兩個采空區，因此不僅研究了工作面推進速度與礦震的關系，還通過沖擊關注區域劃分，提出“見方”區和“未見方”區可采用不同推進速度。

1 工作面概況

13230工作面采用走向長壁式布置，上巷1088m，下巷1090m，走向可采長度971m，傾斜長196m。采用綜采放頂煤采煤工藝，U型通風，采高為2.7m。中國礦業大學根據東采區深部煤樣（取自同一煤層的13190工作面）試驗測定結果，認定為強沖擊傾向性。

2 防自然發火推進速度

2.1 “三帶”測點指標

為了研究防治采空區自然發火對工作面推進速度的影響，在井下鋪設溫度探測器和氣樣束管及氣象色譜分析，分析采空區溫度、O2、CO濃度隨工作面回采的變化關系[2]。隨著各測點不斷進入采空區深部，O2濃度逐漸下降，上巷測點（0～29.8m）范圍氧氣濃度變化不大，這是由于該區域通風良好；隨后（29.8～57.3m）范圍O2濃度快速下降，降到9.34%后基本趨于穩定。下巷取樣點O2濃度變化趨勢與上巷基本相同，但由于下巷為進風巷，氧化帶劃分范圍比上巷小，根據最大原則，選用上巷測點數據。同理，上巷采空區隨著后退，溫度逐步升高，到31.2m時，溫度達到41℃，到58.2m時，達到峰值46.1℃，到64.5m時，溫度開始逐步下降。CO被普遍認為是最敏感指標，隨著采空區后退，CO濃度逐步升高，到29.1m時，CO濃度為59ppm，到39.9m時，CO濃度達到峰值182ppm，隨后開始逐步降低，后推到63.8m時，無CO。

2.2 “三帶優化”及最低推進速度

根據采空區各項參數隨工作面推進的變化規律，對采空區“三帶”進行劃分，并利用min-max優化方法，劃分區域如表1所示。表明從采空區后部29.1m開始，遺煤進入氧化狀態，到達64.5m時，各項指標均消失或穩定到最小值，說明采空區可能處于窒息帶。氧化帶寬度為35.4m，自然發火期最短15d，為了使工作面在自然發火期內退出氧化帶，工作面最佳回采速度V推≥2.36m/d。

表1 采空區“三帶”區域

3 合理防沖推進速度

3.1 速度初步確定

13230工作面發生沖擊地壓事故前對其回采過程中發生微震事件的研究具有重要參考價值[3]。工作面上巷716m，下巷823m及東區避難硐室口，行人下山底部共安裝4個Aramis低頻拾震器[4]，并上、下巷各安裝6個ESG高頻檢波器，呈“品”字型布置，安裝間距150～200m，覆蓋13230工作面整個采掘區域，工作面回采過程中，要不斷優化檢波器布置，確保監測精度。工作面初采時，使用4.8m/d以上的回采速度回采一周左右，期間微震事件極其頻繁，102J能量級的微震日均29.1次 ，103J能量級的微震日均12.2次 ，并且分別發生1次104J和105J能量級的礦震事件。礦方緊急修改防沖設計并經專家論證，加強防沖措施，以3.6～4.8m/d的速度推進，經監測，1個月內共發生微震事件683 次，平均日頻次約 22.8次，最高日頻次59次，其中能量級別為102J和103J礦震次數分別為12.9次/d和5.5次/d。工作面回采速度保持在2.4～3.6m/d的情況下，礦震發生頻率和強度均有明顯降低，102J級別的礦震減少為日均7.5次，103J級別的礦震為日均2.3次，但發生了1次104J能量級的礦震事件，經調查該天0點由于其他原因加快了推進速度，并且防沖措施執行不到位，隨后降低了回采速度并加強措施。當推進速度保持在1.2～2.4m/d時，當月只發生1次103J能量級的礦震，102J級別的礦震平均日頻次降低到約3.4次，基本杜絕了103J及以上能量級的礦震。隨著回采速度的降低，集中應力釋放較為充分，工作面礦壓顯現程度也降低，次數減少，因此初步明確了1.2～2.4m/d的推進速度基本能滿足防沖需要，小于1.2m/d則更加安全。對數據進行擬合，發現102J和103J能量級的礦震均隨V推呈現y=aebx函數趨勢，相關性系數R2大于0.9，說明震動頻率不但隨著推進速度的增大而加大，并且呈現加速狀態。關系圖如圖1所示。

圖1 f震與V推關系圖

3.2 見方與未見方區速度優化

3.2.1 區域劃分

工作面回采時，當工作面推進距離與工作面長度大致相等時，稱工作面采空區“見方”。此時采空區上覆巖層呈正“O-X”破斷，周邊應力集中，覆巖運動強烈，是沖擊地壓高發地區[5]。由于該工作面北鄰13190、13210兩個采空區，因此需要考慮單工作面 “見方”、雙工作面“見方”和三工作面“見方”。依據覆巖空間結構運動與動力災害關系評價報告，該工作面“一次見方”影響區域為回采進尺146～246m，“雙見方”影響區域為回采進尺332～432m，“三次見方”影響區域為回采進尺534～634m。

3.2.2 速度優化

根據上述研究，初步明確了1.2～2.4m/d的推進速度基本能滿足防沖需要，而這個推進速度并不滿足采空區自燃帶寬度確定的最佳回采速度V推≥2.36m/d。經過相關專家論證，決定在未“見方”區域執行2.4m/d的推進速度，該速度同時滿足防滅火的需要；在“見方”區域執行1.2～1.8m/d的推進速度，而在工作面上巷受初次來壓（工作面復產后推采至80m范圍）、工作面末采300m范圍至巷道穿層區（末采影響區域），以及工作面下巷受初次來壓、厚底煤（120～260m）與“一次見方”（146～246m）疊加影響區域、回采進尺490m至巷道穿層區域（末采影響區域）等高應力集中區域，執行不超過1.2m/d的推進速度。執行該速度后，礦震頻率和強度明顯降低，1個月內共發生微震事件53次（102J級別及以下），平均日頻次約1.8次，最高日頻次7.2次，未發生103J及以上級別的礦震。

4 結論

（1）根據采空區各項參數（溫度、O2、CO）的實測數據，采用min-max法優化了采空區氧化帶寬度，確定當工作面V推≥2.36m/d時，有利于采空區的防滅火工作。

（2）通過現場試驗驗證了1.2～2.4m/d的推進速度基本能滿足防沖需要，102J級別的礦震平均日頻次降低到約3.4次，基本杜絕了103J及以上能量級的礦震，小于1.2m/d則更加安全。通過數據擬合分析，發現102J和103J能量級的礦震均隨V推呈現y=aebx函數趨勢，相關性系數R2＞0.9，說明震動頻率不但隨著推進速度的增大而加大，并且呈現加速狀態。

（3）結合防滅火最佳回采速度，在未“見方”區域執行2.4m/d的推進速度，在“見方”區域執行1.2～1.8m/d的推進速度，而在工作面受初次來壓、厚底煤與“見方”疊加影響以及末采影響等高應力集中區域，執行不超過1.2m/d的推進速度。實踐證明，通過速度分級，礦震頻率和強度明顯降低，并未發生103J及以上級別的礦震，確保工作面安全生產。