推進速度對工作面礦壓顯現規律的研究

賈彥波

(西山煤電西曲礦運輸區運輸一隊，山西 古交 030200)

引 言

隨著煤礦開采強度的不斷增大以及煤炭需求量的增加，急需對煤炭資源進行高效開采。如在地質賦存條件允許下增大采高、增加工作面長度、提高工作面推進速度等。但提高工作面推進速度方法可控性更強，可根據開采地質條件實時進行調節。經研究發現，適當提高工作面推進速度，能一定程度上改善大采高綜采工作面煤壁片幫和冒頂，減少事故發生。但現階段，對推進速度和大采高工作面礦壓顯現規律之間的內在關系還研究不足，適用條件受限，無法正確指導生產[1]。

本文在以往學者研究的基礎上，通過理論分析、數值模擬等手段，研究不同工作面推進速度下大采高綜采工作面礦壓顯現規律的影響。全面認識工作面上覆巖關鍵層的挎落規律和采場支承壓力分布規律，對指導大采高綜釆工作面安全高效開釆具有指導意義，具有重要的理論意義[2]。

1 工程概況

某礦西二采區18126工作面為西8號煤上采區首采工作面，工作面東部鄰近F23斷層，西只F27斷層，8號煤層煤厚5 m。下伏的18124工作面已經回采完成。18126工作面引進全套的大采高綜采機械設備，為了保證18126綜采工作面的高效開采，必須對該綜采面的礦壓規律進行研究。

2 影響機理力學分析

巖體受到采動破壞是一個漸進的過程，巖體的物理特性、損傷破壞以及裂隙發育都具有明顯的時效特征。巖體破壞也是由局部破壞到總體失穩。因此，推進速度差異能夠引起周期來壓步距發生變化，實際上也是巖體破壞時間效應的體現。

2.1 推進速度對周期來壓步距的影響

提高工作面的推進速度，煤壁前方的垂直應力峰值會隨著增大，并且靠近煤壁，超前應力區范圍會減小，而對圍巖的加載速率提高。根據巖石加載速率相關理論，提高加載速率，巖石裂隙發育較小，完整性較好，仍然還具有較高的抗壓、抗拉強度。若把巖石當作彈粘性體，加快推進速度時，巖石發生蠕變變形時間短，變形小，彈粘性巖體保持較好的抗拉性。這充分說明工作面推進速度較快時，關鍵層巖體受采動破壞程度較小，關鍵層的抗拉強度比推進速度慢時更大[3]。關鍵層巖體斷裂步距等于關鍵層來壓步距，根據懸臂梁斷裂公式(1)計算，由于關鍵層抗拉強度增大，來壓步距隨之增大。

(1)

式中：L為周期來壓步距，m；h為老頂巖層厚度，m；σ為老頂的抗拉強度，MPa;q為作用在老頂上的載荷及老頂自重，MPa。

2.2 推進速度對來壓持續長度的影響

來壓持續長度即來壓結束時對應的工作面推進距離與此次來壓開始時工作面推進距離的差值，實質上即為老頂從開始斷裂回轉到觸矸穩定的整個過程對應的工作面持續推進距離[4]。

針對不同推進速度下老頂回轉對來壓持續長度的影響進行研究。圖1為不同推進速度下老頂砌體梁結構來壓時破斷塊體的回轉示意圖。如圖1b中，當工作面推進速度較高時，頂板載荷傳遞不充分，圍巖變形程度降低，直接頂垮落不充分，采空區充實程度降低，采空區上部形成的回轉空間較大。老頂開始發生破斷時，由于推進速度快的老頂下沉量大于推進速度慢的老頂下沉量，老頂需要更大的回轉量才可以觸矸達到穩定，導致老頂對支架影響距離增加，進而引發來壓持續長度增大[5]。

圖1 不同推進速度下老頂回轉示意圖

3 不同推進速度下工作面礦壓顯現規律數值模擬

3.1 模擬方案

結合某礦具體地質賦存條件，采用FLAC3D建立數值模擬模型，定義應力邊界條件和位移邊界條件。模擬采取了推進工作面速度為慢速、中速、快速3個方案進行模擬。分別按照5 m/d、10 m/d和15 m/d的工作面推進速度進行數值模擬。

3.2 模擬結果分析(見表1)

表1 模擬結果表

模擬結果如表1所示：從表1可以看出，開挖速度較快時工作面煤體內出現較高的應力集中，應力峰值達到37.8 MPa，隨著開挖速度降低至慢速推進工作面時，峰值減低至30.3 m；而塑性區分布方面，慢速推進的工作面煤壁前方的塑性區長度為7.9 m，

中速推進工作面時塑性區為5.4 m，快速推進工作面時塑性區長度約為4 m。說明大采高工作面前方煤巖體受采動破壞較小，裂隙發育較低，很大程度上降低了片幫、冒頂等事故的發生；由關鍵層下沉量可知：當推進速度為5 m/d、10 m/d、15 m/d時，相同時間內關鍵層的下沉量分別為4.4 m、4.3 m、4.1 m，可以看出隨著工作面推進速度的加快，關鍵層的相對關鍵速度(下沉量和時間的比)減小。與推進速度較慢時比較，工作面推進速度增大，頂板載荷傳遞不充分，圍巖損傷破壞較低，有利于工作面的的穩定和支護。

4 結論

1) 工作面推進速度較高時推進，直接頂垮落不充分，采空區充實程度低，老頂砌體梁塊體回轉需要較大的回轉量才能達到觸矸，導致來壓持續長度增大。

2) 隨著工作面推進速度的增大，煤壁前方塑性區長度減小，可以減少煤壁片幫、冒頂等事故，但在煤壁前方容易形成集中應力，發生煤與瓦斯突出災害。

3) 隨著工作面推進速度增大時，關鍵層下沉速度減小，頂板載荷傳遞不充分，圍巖變形破壞程度較低，有利于工作面穩定。

參考文獻：

[1] 朱志潔,張宏偉,陳鎣,等.特厚煤層開采工作面推進速度對礦壓顯現的影響[J].安全與環境學報,2016,16(3):126-129.

[2] 王世炫.推進速度對大采高工作面礦壓顯現的影響研究[D].淮南：安徽理工大學,2015.

[3] 蘇濤.推進速度對大采高工作面關鍵層“懸臂梁”垮落形式的影響[J].中州煤炭,2015(5):71-73.

[4] 張小洋.大采高工作面推進速度對關鍵層垮落型式的影響研究[J].江西煤炭科技,2015(2):143-145.

[5] 張軍鵬,張亮,王東攀.大采高工作面推進速度對煤壁片幫影響分析[J].中國煤炭,2014,40(4):49-51.