工作面推進(jìn)速度對(duì)礦壓顯現(xiàn)影響規(guī)律研究

趙 凱

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院，山西 介休 032000)

引 言

關(guān)于工作面推進(jìn)速度對(duì)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的影響規(guī)律，常規(guī)情況下認(rèn)為，適當(dāng)加快工作面推進(jìn)速度，有利于減緩工作面的礦山壓力顯現(xiàn)，尤其是對(duì)于減輕工作面來壓期間的壓力強(qiáng)度，有較為明顯的影響，還可以增加工作面的產(chǎn)量，而通過加快推進(jìn)速度來減輕礦壓顯現(xiàn)的方法，俗稱“甩壓力”[1-3]。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)特殊地質(zhì)生產(chǎn)條件，研究工作面推進(jìn)速度對(duì)上覆巖層活動(dòng)規(guī)律及礦山壓力顯現(xiàn)的影響，從而對(duì)工作面的合理推采速度提供指導(dǎo)。

1 推進(jìn)速度對(duì)覆巖活動(dòng)規(guī)律影響

通過大量文獻(xiàn)查閱分析及總結(jié)，工作面推進(jìn)速度對(duì)覆巖活動(dòng)規(guī)律的影響的研究成果主要有[4-6]：根據(jù)覆巖活動(dòng)動(dòng)態(tài)關(guān)系公式，工作面推進(jìn)速度加快，會(huì)導(dǎo)致覆巖擾動(dòng)范圍增大，導(dǎo)致工作面周期來壓持續(xù)性增強(qiáng)，來壓步距增大，但來壓強(qiáng)度有所降低，這是由于快速推進(jìn)使工作面直接頂垮落不充分，從而導(dǎo)致老頂及關(guān)鍵層的活動(dòng)范圍增大，回轉(zhuǎn)變形及穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)，因此，在特定時(shí)間內(nèi)，頂板下沉量觀測(cè)值會(huì)減小，但隨著觀測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)，總的頂板下沉量區(qū)域一致。在開采厚度較小或賦存深度較淺的煤層時(shí)，加快推進(jìn)速度對(duì)控制礦壓及減緩覆巖及表土沉降有利；而對(duì)于開采厚度較大或賦存深度較大的煤層時(shí)，反而是降低工作面推進(jìn)速度較為有利。同時(shí)，加快推進(jìn)速度，有利于減小巷道累計(jì)變形量，有利于巷道穩(wěn)定維護(hù)，但應(yīng)注意防止巖爆或煤爆災(zāi)害。因此，可通過調(diào)整工作面的推進(jìn)速度，來調(diào)整工作面的來壓步距和來壓時(shí)間，可以在工作面過斷層等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)避免同時(shí)來壓，有利于圍巖維護(hù)。

2 基于相似實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)速度模擬分析

在研究過程中，采用了相似模擬工具及數(shù)值模擬工具。相似模擬是基于相似理論，通過比例關(guān)系及模型構(gòu)建的方式進(jìn)行模擬研究，通過模擬結(jié)果再與現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而較為方便地得到相應(yīng)的研究成果。基于某礦工作面所采1#煤層1101工作面的具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，平均煤層埋藏深度118 m，煤層平均厚度5.5 m，煤層傾角約1°～5°，為近水平煤層，直接頂為約4 m的炭質(zhì)泥巖，基本頂為約7 m的細(xì)砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度分別為22.5 MPa及44.5 MPa。按照1∶80的幾何相似比、17∶25的容重相似比、1∶10的時(shí)間相似比、1∶100的應(yīng)力相似比進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，模型制作及實(shí)驗(yàn)過程不再贅述。

根據(jù)相似模擬結(jié)果顯示，工作面基本頂初次垮落即初次來壓的開挖距離在36 m處，初次來壓之后，之后的基本頂周期性垮落即周期來壓。按照5 m/天的推進(jìn)速度，實(shí)驗(yàn)過程中共出現(xiàn)了3次周期來壓，平均步距為8 m；按照10 m/d的推進(jìn)速度，實(shí)驗(yàn)過程中共出現(xiàn)了4次周期來壓，平均步距為14 m。來壓步距的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，加快工作面推進(jìn)速度會(huì)使工作面初次來壓步距增大。

在實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置位移觀測(cè)點(diǎn)對(duì)工作面頂板下沉量進(jìn)行觀測(cè)，按照5 m/d的推進(jìn)速度，位于直接頂內(nèi)測(cè)點(diǎn)的位移量為3.5 m～4.5 m，位于基本頂內(nèi)測(cè)點(diǎn)的位移量為3.1 m～4.0 m；按照10 m/天的推進(jìn)速度，位于直接頂內(nèi)測(cè)點(diǎn)的位移量為2.8 m～4.1 m，位于基本頂內(nèi)測(cè)點(diǎn)的位移量為2.5 m～3.7 m。在特定的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，加快推進(jìn)速度使頂板下沉量有所減少，這是由于基本頂回轉(zhuǎn)變形的時(shí)間延長(zhǎng)，但將觀測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)，則頂板下沉量的差異化會(huì)逐漸減小。

在實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)對(duì)工作面前方支承應(yīng)力進(jìn)行觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并分析，工作面的推進(jìn)快慢影響到了工作面超前支承壓力峰值大小、峰值位置及增大范圍，隨著推進(jìn)速度的增大，支承壓力峰值有所增大，且向工作面遠(yuǎn)側(cè)方向移動(dòng)，且支承壓力影響范圍有增大趨勢(shì)。

3 工程實(shí)踐及礦壓觀測(cè)

在1101工作面展開推進(jìn)速度調(diào)整的工程實(shí)踐及礦壓觀測(cè)。為便于展開礦壓觀測(cè)，在工作面上、中、下部布置6條測(cè)線，其中1#測(cè)線(5#架)、2#測(cè)線(15#架)為上部，3#測(cè)線(45#架)、4#測(cè)線(55#架)為中部，5#測(cè)線(85#架)、6#測(cè)線(95#架)為下部。在每條測(cè)線處的液壓支架處安裝工作載荷監(jiān)測(cè)記錄儀，以對(duì)工作面頂板的實(shí)時(shí)載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，便于統(tǒng)計(jì)分析。

觀測(cè)結(jié)果顯示：在60 d的試驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)期內(nèi)，通過調(diào)整工作面推進(jìn)速度，當(dāng)推進(jìn)速度為每天5 m時(shí)，周期來壓統(tǒng)計(jì)平均值為7.5 m，而推進(jìn)速度增大到每天10 m時(shí)，周期來壓步距統(tǒng)計(jì)平均值增至18.1 m，周期來壓步距值增幅明顯；加快推進(jìn)速度后，周期來壓的持續(xù)距離由3.5 m增至4.6 m，增大了1.3倍，來壓影響時(shí)間有所延長(zhǎng)；而比較測(cè)線處統(tǒng)計(jì)的支架載荷，推進(jìn)速度加快后的34.5 MPa(平均值)要比慢速推進(jìn)時(shí)的40 MPa(平均值)有所減小，說明支架承受載荷有所減弱。

4 結(jié)語

根據(jù)文獻(xiàn)檢索、相似模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)礦壓實(shí)測(cè)可進(jìn)行總結(jié)分析，工作面的推進(jìn)速度對(duì)諸如周期來壓步距、頂板下沉量、支架載荷等礦壓顯現(xiàn)參數(shù)有一定影響。周期來壓步距及來壓影響距離的增大是由于基本頂回轉(zhuǎn)變形的減緩所致，而支架載荷的減弱則是由于超前支承壓力峰值前移所致。在現(xiàn)場(chǎng)礦壓管理工作中，應(yīng)根據(jù)具體地質(zhì)條件、斷層構(gòu)造、生產(chǎn)計(jì)劃、勞動(dòng)組織來合理調(diào)整推進(jìn)速度，使其更好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)生產(chǎn)條件。