推進速度對大采高綜采面煤壁穩(wěn)定性的影響

賈 劍

(中天合創(chuàng)能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

隨著煤礦開采技術裝備的革新，大采高綜采工作面在我國應用越來越廣泛，大采高綜采以其回收率高、生產能力大等優(yōu)點成為厚煤層開采技術的發(fā)展方向。大采高條件下綜合機械化采煤過程中，煤壁片幫始終是影響工作面實現高產高效的主要原因之一，尤其在軟煤(f＜1)大采高綜采中，煤壁片幫問題更加突出。

影響煤壁穩(wěn)定性的因素很多，而工作面開采速度是其重要影響因素之一。本文以淮北某礦軟煤大采高工作面為背景，通過數值模擬的方法，分析開采速度對煤壁穩(wěn)定性的影響，從而在客觀因素不變的條件下，確定出合理的工作面推進速度。

1 工程概況

淮北某煤礦816工作面聯合回采81、82兩層煤，工作面走向長度為800 m，傾斜長度為150 m，煤層傾角為3°～8°，平均傾角為5°，煤層總厚(含82、81及夾矸)3．5 ～6．0 m，平均4．8 m;夾矸厚度 0．5 ～0．9 m，平均厚0．8 m，夾矸巖性為泥巖，結構松散。81、82煤層結構簡單，煤層較軟平均硬度f=0．8，一般不含夾矸，屬較穩(wěn)定簡單結構煤層。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

2 煤壁片幫及冒頂程度的判斷標準

衡量煤壁片幫和端面冒頂幾率的大小，主要是煤體破壞的程度嚴重與否。在破壞煤體范圍內，主要是分析拉伸破壞區(qū)域的大小，一般認為，拉伸破壞范圍在總破壞區(qū)占的比例越大，煤壁與端面煤體的穩(wěn)定性越差，極易發(fā)生片幫和端面冒頂。煤體變形程度也是衡量煤壁片幫和端面冒頂幾率大小的一個標準，主要表現在煤體在采動影響下的總位移。位移量越大，煤體越不穩(wěn)定［1］。

3 模擬方案及數值模型

在FLAC3D數值模擬過程中，模擬運算時步與工作面推進速度存在一定的對應關系：模擬運算時步越少，工作面推進速度越快;運算時步越多，工作面推進速度越慢。因此，可以利用FLAC3D數值模擬這一特點來分析綜采工作面在不同推進速度下的煤壁和端面穩(wěn)定性。

根據淮北某礦地質條件，建立FLAC3D數值模型，模擬工作面推進長度為200 m，模型高度138 m，整個模型共劃分單元12 000個，結點24 934個。采用莫爾—庫侖(Mohr－Coulomb)屈服準則判斷巖體破壞;模型四個面只約束其法向自由度，底面約束x、y、z三個方向的自由度，頂面無約束，上覆巖層400 m的重量則在頂面施加10 MPa的載荷。

本次模擬采用模擬時步(step)分別為200步、300步、400步、500步、600步，計算機模擬工作面采高為4．8 m，一次采全高，工作面總推進距離為100 m，每次推進1 m，端面距為0．3 m，工作面支護強度為1 MPa。

計算過程采用的巖石力學參數見表2。

表2 計算采用的巖石力學參數

4 數值模擬結果分析

4．1 煤(巖)體破壞狀態(tài)分析

在不同時步條件下，工作面煤壁及端面頂板呈現出不同的表現形式，主要表現在：煤壁及端面頂板的破壞范圍不盡相同，其破壞區(qū)域的表現形式也有差別。煤壁破壞的形式主要分為剪切破壞和拉伸破壞，拉伸破壞區(qū)域的大小決定了煤壁片幫幾率的大小，端面頂板的破壞范圍決定了端面頂板的穩(wěn)定性。煤(巖)體破壞狀態(tài)見圖1。

當計算時步為200時，頂板以剪切破壞為主，支架上方1 m范圍的頂板均已破壞，端面上方頂板破壞高度有1 m左右。在煤壁前方，頂板的破壞深度達1．0 m左右。工作面煤壁的煤體呈現與推進方向相反方向運動的趨勢，破壞范圍深入煤體大約4 m左右，拉伸破壞的范圍大約1 m，主要在煤壁中部范圍內。

當計算時步為300時，頂板的破壞形式仍以剪切破壞為主，隨著時步的增加，端面頂板的破壞深度達到1．5 m左右，破壞高度也有所增加，煤壁煤體的運動趨勢也有所增加，在工作面采高范圍內，煤壁的破壞范圍深入煤體4．5 m，拉伸區(qū)域也是發(fā)生在煤壁中部，其深度大約1 m左右。

圖1 煤體在不同計算時步條件下的破壞狀態(tài)

當計算時步增加到400、500、600時，頂板的破壞形式仍以剪切破壞為主，前方端面頂板的破壞高度也在不斷增加，煤壁前方范圍的頂板的破壞范圍由2．0 m增加到2．5m，煤壁的破壞范圍由5．0 m 增加到5．5 m，拉伸破壞區(qū)域范圍在總破壞區(qū)域中所占比例也在逐漸增加，拉伸區(qū)域范圍主要發(fā)生在煤壁中下部位置。

由以上分析可知：隨著計算模擬時步的增加(由200步到600步)，端面上方頂板的破壞高度增加，煤壁前方頂板的破壞深度也不斷增加，采高范圍內的煤體向采空區(qū)方向運動的趨勢也逐漸增大，工作面采高范圍內前方煤體破壞深度也在不斷增加，說明工作面推進速度直接影響著端面頂板的破壞高度和煤壁前方煤體的破壞范圍，隨著其不斷增加，煤壁片幫和端面冒頂的幾率也不斷增加。

4．2 煤體變形量分析

煤體的變形量主要分為煤壁的最大水平位移量和端面頂板下沉量，這兩項指標的大小決定了煤壁片幫的程度和端面穩(wěn)定性。生產實踐表明，只要保證煤壁的位移量和頂板下沉量在一定范圍之內，煤壁片幫和端面冒頂的可能性就會減小。因此，在模擬過程中通過監(jiān)測煤壁的最大水平位移量和端面頂板的下沉量來分析工作面推進速度與煤壁片幫及端面冒頂的關系。統計結果見表3，模擬運算時步與煤壁最大水平位移之間的關系曲線見圖2，模擬運算時步與端面頂板下沉量之間的關系曲線見圖3。

表3 時步與煤壁最大水平位移量、端面頂板下沉量關系

由圖2，圖3可知，隨著時步的不斷增加，最大水平位移量與端面頂板下沉量呈現逐漸增加的趨勢，說明如果工作面推進速度不能保持正常的速度，煤壁片幫和端面冒頂的幾率會大大增加。當運算時步從200到300時，煤壁最大水平位移量和端面頂板下沉量緩慢增加，當運算時步由300到400時，位移量和下沉量增加幅度較大，這時可認為時步300為工作面推進速度的突變點(臨界值)，低于此值時，煤壁片幫和端面冒頂程度將更加嚴重。因此，在現場施工組織中應使工作面的推進速度保持在某一數值以上，才能保持煤壁和端面頂板的穩(wěn)定性。

5 結論

工作面推進速度快慢是影響煤壁穩(wěn)定性的重要因素之一，通過對軟煤大采高工作面在不同推進速度下煤壁穩(wěn)定性的數值模擬研究，得出以下結論：

1)工作面推進速度的快慢直接影響著煤壁前方的破壞深度與端面頂板的穩(wěn)定性。加快推進速度，保證煤壁的最大水平位移量和端面頂板下沉量在一定范圍之內，才能減小煤壁片幫和端面冒頂的幾率。

2)工作面推進速度存在一個臨界值，當低于此值時，煤壁片幫和端面冒頂的可能性也會大大增加。

在大采高工作面回采過程中，應加快工作面的推進速度，減少不必要的停產，發(fā)揮大采高綜采高產高效的優(yōu)勢。

［1］ 夏永學．屯留礦大采高綜放工作面礦壓顯現規(guī)律與煤壁穩(wěn)定性研究［D］．北京：煤炭科學研究總院碩士論文，2008：18－92．

［2］ 楊建立．大采高綜放工作面煤巖穩(wěn)定性及其控制［J］．中國煤炭，2004(7)：37－41．

［3］ 弓培林．大采高采場圍巖控制理論及應用研究［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2006：109－112．

［4］ Thomas M B．Design and Operation of Powered Supports for Longwall Mining［J］．Engineer＆ Mining Journal1993，194(6)：28－32．