工作面推進(jìn)速度對(duì)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響分析

翟 龍

（同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037001）

我國(guó)是典型的“缺油多煤”國(guó)家，2019年我國(guó)煤炭產(chǎn)量和消費(fèi)量分別為38.46 億噸、41.32 億噸，煤炭在未來(lái)50年內(nèi)依然是最可靠的化石能源。回采工作面推進(jìn)速度對(duì)煤炭產(chǎn)量、生產(chǎn)成本、效率等有著直接影響，因此適當(dāng)提高推進(jìn)速度是提升煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最有效的途徑之一。回采工作面的礦山壓力與推進(jìn)速度相互影響并制約著推進(jìn)速度，為確保回采工作的安全高效，必須分析礦山壓力對(duì)回采工作面推進(jìn)速度的影響因素及影響程度。

1 工作面概況

同忻煤礦1611（3）工作面煤層厚度1.5～4.6 m，平均厚度2.2 m，傾角8°～12°，平均傾角10°，該煤層中間有一層厚0.3 m 夾矸，以泥巖為主，煤層頂?shù)装逯鶢顖D見(jiàn)圖1。該工作面寬度約180 m，巷道布置見(jiàn)圖2，其中軌道和運(yùn)輸大巷尺寸均為：寬×高=4.8 m×3.5 m；支護(hù)方式均為“錨梁網(wǎng)+錨索+U型棚”，工作面液壓支架參數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)測(cè)定：1611（3）工作面瓦斯含量約為2.8 m3/t，無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。

表1 工作面液壓支架技術(shù)參數(shù)

圖1 煤層頂?shù)装逯鶢顖D（部分）

圖2 工作面巷道基本布置

2 不同推進(jìn)速度下工作面瓦斯含量及礦壓觀測(cè)分析

該工作面煤質(zhì)為主焦煤，市場(chǎng)需求量大、價(jià)位高。為保證工作面生產(chǎn)效率，該礦通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定該工作面的最快推進(jìn)速度。在此首先測(cè)定不同推進(jìn)速度下工作面瓦斯含量，然后分別選取40#（上部）支架、75#（中部）支架、100#（下部）支架作為支架工作阻力數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，布置見(jiàn)圖3。

通過(guò)結(jié)合其他工作面經(jīng)驗(yàn)，在此確定1611（3）工作面不同推進(jìn)速度方案有四種：4.3 m/d、7.2 m/d、10.8 m/d、13.2 m/d，以每個(gè)速度分別保持推進(jìn)10天來(lái)分析工作面各參數(shù)情況。

圖3 支架工作阻力數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分布

2.1 不同推進(jìn)速度下工作面瓦斯含量測(cè)定

回采作業(yè)時(shí)，工作面的瓦斯含量對(duì)安全生產(chǎn)有著直接影響。回采工作面及回風(fēng)巷風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛纫笤?%以下，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1.0%，必須立即停止作業(yè)并撤出人員。因此，在確定最適宜推進(jìn)速度時(shí)必須首先滿足瓦斯?jié)舛炔怀蕖，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)1611（3）工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛惹€見(jiàn)圖4。

由圖4 可知：①隨著推進(jìn)速度增加，風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瓤傮w上處于增大趨勢(shì)，不過(guò)均遠(yuǎn)小于警戒線；②不同推進(jìn)速度下，工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛认嗖畈⒉淮螅科湓颍弘m然推進(jìn)速度增加會(huì)加大煤層瓦斯釋放量，但是很多處于采空區(qū)、圍巖中的瓦斯來(lái)不及釋放就被再次壓實(shí)緊密，所以并不會(huì)造成較大危害。因此1611（3）工作面在設(shè)計(jì)的推進(jìn)速度下風(fēng)流中瓦斯?jié)舛染幱诎踩抵拢渲?.3 m/d 時(shí)濃度最小，濃度范圍在0.3%～0.4%。

圖4 不同推進(jìn)速度下工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛惹€

2.2 工作面老頂來(lái)壓顯現(xiàn)分級(jí)

老頂垮落是造成工作面來(lái)壓的主要原因，而根據(jù)頂板性質(zhì)、煤層厚度不同，老頂來(lái)壓顯現(xiàn)度也會(huì)有很大差別。一般老頂來(lái)壓分級(jí)指標(biāo)是以老頂初次來(lái)壓當(dāng)量Pe 為參考標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）[1]，經(jīng)計(jì)算1611（3）工作面Pe=890.66，對(duì)照下表2 的老頂來(lái)壓顯現(xiàn)分級(jí)表屬于不明顯級(jí)別，這對(duì)工作面液壓支架和巷道支護(hù)是有利的。

式中：Pe 為老頂初次來(lái)壓當(dāng)量，kPa；Lf為老頂初次來(lái)壓步距，在此取值30 m；N 為直接頂充填系數(shù)，取值1.5；h 為煤層采高，m，在此取值2.2。

表2 老頂來(lái)壓顯現(xiàn)分級(jí)指標(biāo)

2.3 不同推進(jìn)速度下來(lái)壓步距分析

1611（3）工作面不同推進(jìn)速度方案下的頂板來(lái)壓數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3 和圖5。由相關(guān)數(shù)據(jù)可知：①隨著推進(jìn)速度增加，周期來(lái)壓步距、來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度、來(lái)壓載荷均呈現(xiàn)逐步增大情況；②雖然工作面推進(jìn)速度不同，但礦壓動(dòng)載系數(shù)基本維持在1.65 左右，影響較小[2]。因此得出工作面快速推進(jìn)時(shí)，會(huì)增加支架的受載時(shí)間，不利于支架的使用和維護(hù)，反而會(huì)增加頂板斷裂回轉(zhuǎn)力的影響程度，單從這方面分析，工作面推進(jìn)速度越小越有利。

表3 不同推進(jìn)速度下周期來(lái)壓特征

圖5 推進(jìn)速度和周期來(lái)壓步距關(guān)系曲線

2.4 煤壁片幫和冒頂事故分析

現(xiàn)在煤壁片幫和冒頂雖然不會(huì)造成嚴(yán)重傷亡事故，但是會(huì)損壞采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等機(jī)械設(shè)備，導(dǎo)致無(wú)法正常割煤作業(yè)，而頂板活動(dòng)是產(chǎn)生該類事故的直接原因[3]。在此以工作面不同的推進(jìn)速度為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)煤壁片幫和冒頂?shù)拇螖?shù)、深度、范圍，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

由表4 可知：①隨著推進(jìn)速度增加，煤壁片幫次數(shù)和頻率均處于逐漸減少趨勢(shì)。從現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，速度越快，片幫深度越小，在以4.2 m/d 慢速推進(jìn)時(shí)，發(fā)生了一次厚度達(dá)1 200 mm 的片幫事故，煤壁穩(wěn)定性很差；②在同一推進(jìn)速度時(shí)，隨著片幫深度越大，發(fā)生概率越小；③現(xiàn)場(chǎng)工作面推進(jìn)時(shí)，片幫多發(fā)生在中上部支架位置，分析是受夾矸影響。

表4 工作面煤壁片幫統(tǒng)計(jì)

在此分析上述規(guī)律原因如下：當(dāng)工作面推進(jìn)速度越慢時(shí)，煤層受頂板擠壓時(shí)間越長(zhǎng)，塑性范圍區(qū)越大，因此造成煤壁穩(wěn)定性變差，但如果工作面推進(jìn)速度較快，煤層裂隙發(fā)育程度低，不利于內(nèi)部瓦斯的釋放。綜合考慮，工作面在保證安全的情況下盡量提高推進(jìn)速度是有利的[4]。

3 不同推進(jìn)速度下超前支承壓力及瓦斯含量觀測(cè)分析

超前支承壓力是指在工作面之前的一段距離內(nèi)，煤體內(nèi)存在著壓力顯著增大趨勢(shì)，該類型壓力在一定程度上可提前壓松散煤層，可以使采煤機(jī)更容易割煤作業(yè)，而且有利于煤體內(nèi)瓦斯的提前釋放；但同時(shí)也是造成工作面片幫、巷道變形的重要原因。因此，超前支撐壓力保持在一個(gè)較小值即可[5]。

3.1 觀測(cè)方法和觀測(cè)點(diǎn)布置

本項(xiàng)目對(duì)超前支承壓力的觀測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6，共布置了四個(gè)測(cè)站，測(cè)站間距設(shè)計(jì)為100 m，且第一個(gè)測(cè)站距離外切眼100 m。觀測(cè)方法采用KSE-Ⅱ型鉆孔應(yīng)力計(jì)及配套的數(shù)據(jù)記錄儀，觀測(cè)孔共8個(gè)，深度設(shè)計(jì)為5.0 m，高度設(shè)計(jì)在軌道和運(yùn)輸大巷底板之上1.5 m 位置處[6]。

圖6 超前支承壓力觀測(cè)站布置

3.2 超前支承壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

該工作面超前支承壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。由表5 可知：隨著工作面推進(jìn)速度增加，支承壓力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)在逐漸增大，而壓力峰值距煤壁距離、支承壓力影響范到13.2 m/d 時(shí)，壓力峰值距煤壁距離僅10 m，且壓力達(dá)到了31.5 MPa，容易發(fā)生煤壁片幫、沖擊地壓等事故，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全，因此僅從這一點(diǎn)就要排除該推進(jìn)速度。單從這方面考慮，工作面推進(jìn)速度越小越有利[7]。

表5 1611（3）工作面超前支承壓力數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

如果從煤礦經(jīng)濟(jì)效益為出發(fā)點(diǎn)，在保證回采工作面及回風(fēng)巷瓦斯含量安全的前提下，工作面推進(jìn)速度越快越好。但通過(guò)綜合對(duì)比分析1611（3）工作面不同推進(jìn)速度時(shí)來(lái)壓步距、煤壁片幫和冒頂事故、超前支承壓力等不同因素，發(fā)現(xiàn)回采工作面推進(jìn)速度超過(guò)13.2 m/d 時(shí)會(huì)引發(fā)周期來(lái)壓步距大、來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度長(zhǎng)、壓力峰值高等安全隱患，因此，必須將回采工作面推進(jìn)速度控制在該值以下；而當(dāng)回采工作面推進(jìn)速度在4.3 m/d 時(shí)，煤壁片幫事故會(huì)增加，會(huì)影響正常生產(chǎn)。最終，技術(shù)人員決定將回采工作面推進(jìn)速度控制在10.8 m/d，遇到地質(zhì)條件較差時(shí)則減為7.2 m/d。工作面最佳推進(jìn)速度需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整，以保證安全生產(chǎn)為前提條件。