強(qiáng)沖擊與易自燃工作面的推進(jìn)速度研究

賈博宇 宣德全

（義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司通風(fēng)處，河南 義馬 472300）

義煤集團(tuán)耿村煤礦為高瓦斯、強(qiáng)沖擊傾向性礦井。2015年，在該礦13230回采工作面下巷發(fā)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(jìn)速度[1]，防止應(yīng)力積聚，而該礦又是容易自然發(fā)火礦井，自然發(fā)火期最短15d，防治自然發(fā)火最有效的方法是加快推進(jìn)速度，減少采空區(qū)氧化帶暴露時(shí)間，如何找到矛盾平衡點(diǎn)，優(yōu)化出合理的推進(jìn)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(gè)采空區(qū)，因此不僅研究了工作面推進(jìn)速度與礦震的關(guān)系，還通過沖擊關(guān)注區(qū)域劃分，提出“見方”區(qū)和“未見方”區(qū)可采用不同推進(jìn)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(fēng)，采高為2.7m。中國礦業(yè)大學(xué)根據(jù)東采區(qū)深部煤樣（取自同一煤層的13190工作面）試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，認(rèn)定為強(qiáng)沖擊傾向性。

2 防自然發(fā)火推進(jìn)速度

2.1 “三帶”測(cè)點(diǎn)指標(biāo)

為了研究防治采空區(qū)自然發(fā)火對(duì)工作面推進(jìn)速度的影響，在井下鋪設(shè)溫度探測(cè)器和氣樣束管及氣象色譜分析，分析采空區(qū)溫度、O2、CO濃度隨工作面回采的變化關(guān)系[2]。隨著各測(cè)點(diǎn)不斷進(jìn)入采空區(qū)深部，O2濃度逐漸下降，上巷測(cè)點(diǎn)（0～29.8m）范圍氧氣濃度變化不大，這是由于該區(qū)域通風(fēng)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(wěn)定。下巷取樣點(diǎn)O2濃度變化趨勢(shì)與上巷基本相同，但由于下巷為進(jìn)風(fēng)巷，氧化帶劃分范圍比上巷小，根據(jù)最大原則，選用上巷測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。同理，上巷采空區(qū)隨著后退，溫度逐步升高，到31.2m時(shí)，溫度達(dá)到41℃，到58.2m時(shí)，達(dá)到峰值46.1℃，到64.5m時(shí)，溫度開始逐步下降。CO被普遍認(rèn)為是最敏感指標(biāo)，隨著采空區(qū)后退，CO濃度逐步升高，到29.1m時(shí)，CO濃度為59ppm，到39.9m時(shí)，CO濃度達(dá)到峰值182ppm，隨后開始逐步降低，后推到63.8m時(shí)，無CO。

2.2 “三帶優(yōu)化”及最低推進(jìn)速度

根據(jù)采空區(qū)各項(xiàng)參數(shù)隨工作面推進(jìn)的變化規(guī)律，對(duì)采空區(qū)“三帶”進(jìn)行劃分，并利用min-max優(yōu)化方法，劃分區(qū)域如表1所示。表明從采空區(qū)后部29.1m開始，遺煤進(jìn)入氧化狀態(tài)，到達(dá)64.5m時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均消失或穩(wěn)定到最小值，說明采空區(qū)可能處于窒息帶。氧化帶寬度為35.4m，自然發(fā)火期最短15d，為了使工作面在自然發(fā)火期內(nèi)退出氧化帶，工作面最佳回采速度V推≥2.36m/d。

表1 采空區(qū)“三帶”區(qū)域

3 合理防沖推進(jìn)速度

3.1 速度初步確定

13230工作面發(fā)生沖擊地壓事故前對(duì)其回采過程中發(fā)生微震事件的研究具有重要參考價(jià)值[3]。工作面上巷716m，下巷823m及東區(qū)避難硐室口，行人下山底部共安裝4個(gè)Aramis低頻拾震器[4]，并上、下巷各安裝6個(gè)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(gè)采掘區(qū)域，工作面回采過程中，要不斷優(yōu)化檢波器布置，確保監(jiān)測(cè)精度。工作面初采時(shí)，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(jí)的微震日均29.1次 ，103J能量級(jí)的微震日均12.2次 ，并且分別發(fā)生1次104J和105J能量級(jí)的礦震事件。礦方緊急修改防沖設(shè)計(jì)并經(jīng)專家論證，加強(qiáng)防沖措施，以3.6～4.8m/d的速度推進(jìn)，經(jīng)監(jiān)測(cè)，1個(gè)月內(nèi)共發(fā)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(jí)別為102J和103J礦震次數(shù)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(fā)生頻率和強(qiáng)度均有明顯降低，102J級(jí)別的礦震減少為日均7.5次，103J級(jí)別的礦震為日均2.3次，但發(fā)生了1次104J能量級(jí)的礦震事件，經(jīng)調(diào)查該天0點(diǎn)由于其他原因加快了推進(jìn)速度，并且防沖措施執(zhí)行不到位，隨后降低了回采速度并加強(qiáng)措施。當(dāng)推進(jìn)速度保持在1.2～2.4m/d時(shí)，當(dāng)月只發(fā)生1次103J能量級(jí)的礦震，102J級(jí)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(jí)的礦震。隨著回采速度的降低，集中應(yīng)力釋放較為充分，工作面礦壓顯現(xiàn)程度也降低，次數(shù)減少，因此初步明確了1.2～2.4m/d的推進(jìn)速度基本能滿足防沖需要，小于1.2m/d則更加安全。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)102J和103J能量級(jí)的礦震均隨V推呈現(xiàn)y=aebx函數(shù)趨勢(shì)，相關(guān)性系數(shù)R2大于0.9，說明震動(dòng)頻率不但隨著推進(jìn)速度的增大而加大，并且呈現(xiàn)加速狀態(tài)。關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 f震與V推關(guān)系圖

3.2 見方與未見方區(qū)速度優(yōu)化

3.2.1 區(qū)域劃分

工作面回采時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)距離與工作面長度大致相等時(shí)，稱工作面采空區(qū)“見方”。此時(shí)采空區(qū)上覆巖層呈正“O-X”破斷，周邊應(yīng)力集中，覆巖運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，是沖擊地壓高發(fā)地區(qū)[5]。由于該工作面北鄰13190、13210兩個(gè)采空區(qū)，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(jù)覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力災(zāi)害關(guān)系評(píng)價(jià)報(bào)告，該工作面“一次見方”影響區(qū)域?yàn)榛夭蛇M(jìn)尺146～246m，“雙見方”影響區(qū)域?yàn)榛夭蛇M(jìn)尺332～432m，“三次見方”影響區(qū)域?yàn)榛夭蛇M(jìn)尺534～634m。

3.2.2 速度優(yōu)化

根據(jù)上述研究，初步明確了1.2～2.4m/d的推進(jìn)速度基本能滿足防沖需要，而這個(gè)推進(jìn)速度并不滿足采空區(qū)自燃帶寬度確定的最佳回采速度V推≥2.36m/d。經(jīng)過相關(guān)專家論證，決定在未“見方”區(qū)域執(zhí)行2.4m/d的推進(jìn)速度，該速度同時(shí)滿足防滅火的需要；在“見方”區(qū)域執(zhí)行1.2～1.8m/d的推進(jìn)速度，而在工作面上巷受初次來壓（工作面復(fù)產(chǎn)后推采至80m范圍）、工作面末采300m范圍至巷道穿層區(qū)（末采影響區(qū)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(qū)域、回采進(jìn)尺490m至巷道穿層區(qū)域（末采影響區(qū)域）等高應(yīng)力集中區(qū)域，執(zhí)行不超過1.2m/d的推進(jìn)速度。執(zhí)行該速度后，礦震頻率和強(qiáng)度明顯降低，1個(gè)月內(nèi)共發(fā)生微震事件53次（102J級(jí)別及以下），平均日頻次約1.8次，最高日頻次7.2次，未發(fā)生103J及以上級(jí)別的礦震。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)采空區(qū)各項(xiàng)參數(shù)（溫度、O2、CO）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用min-max法優(yōu)化了采空區(qū)氧化帶寬度，確定當(dāng)工作面V推≥2.36m/d時(shí)，有利于采空區(qū)的防滅火工作。

（2）通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了1.2～2.4m/d的推進(jìn)速度基本能滿足防沖需要，102J級(jí)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(jí)的礦震，小于1.2m/d則更加安全。通過數(shù)據(jù)擬合分析，發(fā)現(xiàn)102J和103J能量級(jí)的礦震均隨V推呈現(xiàn)y=aebx函數(shù)趨勢(shì)，相關(guān)性系數(shù)R2＞0.9，說明震動(dòng)頻率不但隨著推進(jìn)速度的增大而加大，并且呈現(xiàn)加速狀態(tài)。

（3）結(jié)合防滅火最佳回采速度，在未“見方”區(qū)域執(zhí)行2.4m/d的推進(jìn)速度，在“見方”區(qū)域執(zhí)行1.2～1.8m/d的推進(jìn)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(yīng)力集中區(qū)域，執(zhí)行不超過1.2m/d的推進(jìn)速度。實(shí)踐證明，通過速度分級(jí)，礦震頻率和強(qiáng)度明顯降低，并未發(fā)生103J及以上級(jí)別的礦震，確保工作面安全生產(chǎn)。