0 引言

冲击地压和采空区自然发火是影响强冲击易自燃综放工作面安全回采的两大重要因素[1-2]。大埋深条件下围岩原岩应力高，地下开采使煤岩体中应力重新分布，造成应力集中。高应力集中使煤岩体中积聚大量的弹性应变能，给工作面带来冲击地压风险[3-4]。此外，煤层顶板(特别是基本顶)在上覆岩层载荷作用下发生周期性的垮落破断，形成冲击动载。研究表明，回采速度与顶板破断步距、弹性应变能的集聚量、顶板破断时的能力释放量等直接相关，是影响工作面冲击地压的关键因素之一[5-6]。

受回采工艺限制，综放工作面约有15%左右的煤炭资源以可燃物的形式被遗弃在采空区。同时工作面的持续通风和大埋深条件下的高地热也给采空区遗煤自燃创造了有利的氧气和热源条件[7]。研究表明，采空区遗煤自燃与工作面的推进速度有关[8-9]，工作面推进速度越慢，采空区遗煤氧化时间越长，越易发生自然发火。因此，针对大埋深易自燃综放工作面，需同时关注回采速度对工作面冲击地压和采空区遗煤自燃的影响，以保障工作面的安全生产。

对于冲击地压和采空区遗煤自然发火防控，前期学者进行了大量的研究，并取得了丰富的研究成果。如王雍昌等[10]开展了工作面冲击地压危险防治技术研究；吴宏斌等[11]基于离散元进行了动载冲击地压巷道围岩稳定性分析；张明等[12]基于巷道支承应力转移开展了自发型冲击失稳与防控研究；刘建海等[13]采用建立防火隔离墙、注阻化泡沫等措施对上覆采空区遗煤自然发火进行防治；尚玮炜等[14]开展了采空区自燃“三带”整顿时间的研究。前期研究主要关注冲击地压或采空区遗煤自燃单一灾害防控，但同时考虑两大灾害协同防控研究较少。

笔者在前人研究的基础上，以我国中东部唐口煤矿6304大埋深综放工作面为例，针对其埋藏深度大、冲击倾向强、易自然发火的特点，研究不同回采速度条件下，工作面覆岩应力分布特征、采场能释放规律及采空区氧化升温带演化规律。在此基础上，对工作面回采速度进行优化设计，并通过现场工业性试验检验该回采速度的合理性。

1 工程背景

唐口煤矿6304工作面煤层平均埋深+980 m。煤层平均厚度10.0 m，平均倾角3°，属Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期21 d。工作面采用综放开采，机采高度4.0 m，采出率约85%。工作面布置分为里段和外段。里段工作面长度182 m，走向可采长度610 m；外段工作面长度60 m，可采长度1 065 m。其中，距开切眼345～610 m范围，工作面轨道巷紧邻6305工作面采空区，该范围为强冲击地压危险区域。里外两段工作面之间的煤柱宽度为7 m。6304工作面开采布局如图1所示。

工作面回采进入强冲击地压危险区域后，工作面回采速度为5 m/d时，采空区出现遗煤自然发火征兆，工作面回风隅角中的CO浓度明显上升，多次超过0.005%，最大CO浓度达0.008%；另外，工作面回风隅角也经常出现瓦斯超限预警。工作面不得不多次停止回采，进行采空区防灭火作业，在增加矿井生产成本的同时严重影响了工作面的回采效率。

2 回采速度对冲击地压的影响

2.1 模型建立

为探究回采速度对工作面冲击地压的影响，根据6304工作面煤岩体地质力学参数，建立了采动覆岩FLAC3D数值计算模型，如图2所示。模型四周和底部边界为固定位移约束。模型计算遵循摩尔-库伦准则，并通过煤岩体物理力学参数模拟值与实验值的匹配性进行模型校核。6304工作面煤岩体地质力学参数见表1。

2.2 采场应力分布及能量释放规律

保持每次开挖模型计算时步相同，分析回采速度为3、5(现场实际回采速度)、7、9 m/d时，采场最大主应力分布特征以及弹性应变能释放规律。

2.2.1 应力分布特征

模拟得到的不同回采速度下工作面前方煤岩体中主应力分布特征基本相同，不同点在于其主应力峰值大小不同。以回采速度9 m/d为例，平行于工作面布置方向做垂直剖面，得到工作面采场最大主应力峰值所在平面的覆岩主应力分布特征如图3所示。不同回采速度时各方案采场最大主应力峰值如图4所示。

由图3可知，受相邻采空区侧向支承压力和工作面超前支承压力的共同影响，6304工作面轨道巷煤柱及顶板位置出现明显应力集中。最大主应力峰值位于巷道右上方煤体中，为104.91 MPa。结合工作面埋深与地应力关系，围岩原岩应力约为24.5 MPa，巷道围岩应力集中系数为4.28；在高应力集中条件下，巷道出现明显变形现象。由图4可知，采场覆岩最大主应力峰值与回采速度呈正相关，回采速度越大，最大主应力峰值越高；回采速度为3、5、7、9 m/d时所对应的最大主应力峰值平均值分别为41.80、47.26、67.38、95.86 MPa，应力集中系数平均值分别为1.71、1.93、2.75、3.91。采用指数函数对不同回采速度条件下覆岩最大主应力峰值进行拟合，拟合函数为y=25.423e0.142x，R2=0.927。结果表明，随回采速度的增加，采场覆岩最大主应力峰值呈指数增大。

2.2.2 弹性应变能释放规律

模拟得到不同回采速度条件下，工作面单次开挖采场弹性应变能释放最大值变化曲线如图5所示。

由图5可知，单次开挖过程中，采场弹性应变能释放最大值表现为“增大-急剧降低-逐渐平稳”的变化过程。回采速度越大，最大能量释放峰值越高。以3 m/d回采速度为对照，回采速度为5、7、9 m/d时最大能量释放峰值分别为3 m/d时的1.15、1.44、1.73倍。同时，回采速度越大，能量释放峰值曲线的下降斜率越大，降低的速度越快。

2.3 冲击地压危险等级划分

根据窦林名教授[15]建立的冲击地压危险性等级划分标准，考虑6304工作面超前支承压力和相邻已采工作面(6305工作面)的侧向支承压力影响，将各回采速度条件下采场最大主应力峰值与其自重应力的比值记为相对应力集中系数δi。6304工作面平均埋深980 m，采场自重应力σ0=24.5 MPa，同时实验室测得工作面煤体的饱和单轴抗压强度RC=13 MPa，且矿井无冲击地压发生历史，可计算得到6304工作面冲击地压危险等级划分标准：δi<0.53为无冲击地压危险，0.53≤δi<2.86为弱冲击地压危险，2.86≤δi<3.67为中等冲击地压危险，δi≥3.67为强冲击地压危险。

根据图4所示的不同回采速度下采场最大主应力峰值及工作面冲击地压危险等级划分标准，得到不同回采速度6304工作面冲击地压危险等级，如图6所示。

由图6可知，工作面冲击地压危险等级随回采速度的增大呈指数增加。当回采速度≤7 m/d时，工作面冲击地压危险等级为弱冲击；当回采速度>7 m/d时，工作面冲击地压危险等级急剧上升，为中等或强冲击。基于冲击地压防治角度，6304工作面最大回采速度应不超过7 m/d。

3 回采速度对遗煤自然发火的影响

3.1 模拟方案设计

研究回采速度为3、5(现场实际回采速度)、7、9 m/d时采空区氧化升温带的演化规律。工作面开采实践表明，工作面回采速度与漏风量有着良好的对应关系，因此可以采用工作面进、回风巷不同空气压差来反映工作面回采速度的不同。

3.2 模拟结果

在得到不同回采速度采空区氧气浓度分布云图的基础上，以氧气浓度10%作为综放工作面采空区氧化升温带与窒息带的分界指标[16]，得到不同回采速度采空区最远氧化升温带分布特征。不同回采速度下采空区氧气浓度及氧化升温带分布特征如图7所示。

由图7可知，采空区氧化升温带最大宽度与回采速度呈负相关，回采速度越大，采空区氧化升温带最大宽度越小；回采速度为3、5、7、9 m/d时所对应的最大氧化升温带宽度分别为115.11、103.46、87.89、69.29 m。以回采速度9 m/d为参照，回采速度为3、5、7 m/d时最大氧化升温带宽度分布为9 m/d时的1.66、1.49、1.27倍。

3.3 采空区遗煤自燃危险性分析

对于采空区遗煤自燃危险性的判断则是通过对比煤层自然发火期内工作面实际推进距离L0与采空区氧化升温带最大宽度Smax的大小。当Smax≤L0时，采空区遗煤无自然发火风险。根据6304工作面原开采地质条件，遗煤自然发火期内工作面实际推进距离L0=105 m，进而得到采空区遗煤自燃危险性评价结果见表2。

由表2可知，当工作面回采速度小于5 m/d时，采空区遗煤存在自然发火风险；当工作面回采速度等于5 m/d时，采空区遗煤处于自然发火临界状态，仍有自然发火的可能。当工作面回采速度为7、9 m/d时，采空区遗煤无自然发火风险，能够实现工作面的安全回采。由此可知，从采空区遗煤自然发火防治的角度考虑，6304工作面最小回采速度不能低于5 m/d。

4 工作面回采速度优化及工业性试验

4.1 工作面回采速度优化

根据上述研究，从冲击地压防治角度，6304工作面最大回采速度≤7 m/d；而从采空区遗煤自然发火防治角度，6304工作面最小回采速度>5 m/d。综合考虑工作面冲击地压和采空区遗煤自然发火防治，确定6304工作面的最优回采速度为7 m/d。当工作面回采速度为7 m/d时，采场最大主应力峰值平均为67.38 MPa，相对应力集中系数平均为2.75，工作面冲击地压危险等级为弱冲击危险。同时，采空区氧化升温带最大宽度87.89 m，远小于煤层自然发火期内工作面实际推进距离105 m，采空区遗煤无自然发火风险。

4.2 工业性试验

为了检验上述设计的工作面回采速度的合理性，对回采速度7 m/d条件下6304工作面采场微震事件和工作面回风隅角CH4、CO浓度进行监测，其中微震监测测点布置如图1所示。6304工作面每日微震事件最大能量监测结果如图8所示。由图8可知，当回采速度为7 m/d时，经过连续28 d开采，6304工作面每日微震事件最大能量变化范围内为0.5～8.3 kJ，工作面未出现大能量冲击地压现象。

回采速度为7 m/d时，6304工作面回风隅角CH4、CO浓度变化如图9所示。由图9可知，该回采速度条件下，6304工作面回风隅角CH4浓度变化范围0.28%～0.46%，工作面未出现瓦斯超限现象；CO浓度变化范围为0.000 622%～0.003 978%，远小于采空区遗煤自然发火的警戒值。这表明，6304工作面以7 m/d的回采速度进行煤炭开采时，在确保工作面无冲击地压灾害发生的同时，能够防止采空区遗煤自然发火，有效保障了工作面安全高效生产。

5 结论

(1)唐口煤矿6304综放工作面的回采速度同时影响工作面冲击地压发生概率和采空区遗煤自然发火风险。从冲击地压防治角度，工作面回采速度不能过快，以防止剧烈的顶板活动和冲击动载引发冲击地压；而从防止采空区遗煤自燃角度，工作面回采速度又不能过慢，以防止采空区遗煤长时间暴露于有氧环境而引发遗煤自然发火。

(2)研究结果表明，随回采速度的增大，采场覆岩最大主应力峰值呈指数增加。单次开挖过程中，采场弹性应变能释放最大值表现为“增大-急剧降低-逐渐平稳”的变化过程。另外，回采速度越低采场能量释放越平稳，高回采速度条件下采场能量释放出现明显的波动现象。

(3)采空区氧化升温带最大宽度与回采速度呈负相关，回采速度越大，采空区氧化升温带最大宽度越小。以回采速度9 m/d为参照，回采速度为3、5、7 m/d时最大氧化升温带宽度分布为9 m/d时的1.66、1.49、1.27倍。

(4)从冲击地压防治角度，6304工作面最大回采速度≤7 m/d；而从采空区遗煤自然发火防治角度，6304工作面最小回采速度>5 m/d。综合考虑工作面冲击地压和采空区遗煤自然发火防治，将6304工作面回采速度优化为7 m/d。现场微震监测和工作面回风隅角CH4、CO浓度监测结果检验了该回采速度的合理性。

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Optimization design of mining speed of fully mechanized caving face with strong impact and easy spontaneous combustion

MENG Xiangge, HOU Diantao, LI Dongdong, GAO Yuhang, DONG Jiaqi

(Zhaolou Coal Mine, Yanmei Heze Energy and Chemical Co., Ltd., Heze, Shandong 274705, China)

Abstract Taking the mining conditions of 6304 fully mechanized caving face with large buried depth, strong impact and easy spontaneous combustion in Tangkou Coal Mine as an example, the stress distribution characteristics of overburden, energy release law of stope and evolution law of oxidation heating zone of goaf under different mining speed were analyzed. The results showed that with the increase of mining speed, the peak value of the maximum principal stress of the overburden increased exponentially, and the energy release of the stope fluctuated obviously; the maximum width of oxidation heating zone in goaf was negatively correlated with the mining speed. After optimizing the mining speed and conducting on-site industrial tests, it was found that when the 6304 working face was advancing at a mining speed of 7 m/d, there was no occurrence of rock burst disasters in the working face, and the spontaneous combustion of residual coal in the goaf was controlled, effectively ensuring the safe and efficient production of the working face.

Keywords rock burst; spontaneous combustion of residual coal; mining speed; energy release

中图分类号 TD324；TD752

文献标志码 A

引用格式：孟祥阁,侯典涛,李冬冬,等.强冲击易自燃综放工作面回采速度优化设计[J].中国煤炭,2023,49(6)∶53-59. DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.06.008

MENG Xiangge, HOU Diantao, LI Dongdong, et al. Optimization design of mining speed of fully mechanized caving face with strong impact and easy spontaneous combustion [J]. China Coal,2023,49(6): 53-59. DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.06.008

作者简介：孟祥阁(1986-)，男，山东邹城人，硕士，工程师，主要从事煤矿掘进生产管理工作。E-mail：msgtg@163.com

(责任编辑 张艳华)