堅(jiān)硬頂板綜采工作面推進(jìn)速度對礦壓規(guī)律影響研究*

徐燕飛，安士凱，徐 翀，陳永春，易 厚

(1.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232001；2.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育和煤層賦存特征影響，不同礦井開采條件千差萬別，導(dǎo)致不同工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律存在差異性[1]。傳統(tǒng)砌體梁理論認(rèn)為，上覆巖梁破斷后巖塊相互咬合所經(jīng)歷的失穩(wěn)及極限平衡狀態(tài)為時間函數(shù)，由此引起的支承壓力壓裂煤壁、采空區(qū)壓實(shí)過程也均為時間函數(shù)[2]，工作面的礦壓顯現(xiàn)具有時間效應(yīng)。

部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，一定條件下加快工作面的推進(jìn)速度，能顯著減弱礦壓顯現(xiàn)特征，改善工作面圍巖體維護(hù)狀況，對工作面礦壓起到正向控制作用。如王金安，謝廣祥等[3-4]對謝橋煤礦綜放工作面研究發(fā)現(xiàn)，圍巖破壞區(qū)及位移隨工作面推進(jìn)速度增加而減小；劉全明[5]對神東礦區(qū)淺埋綜采工作面研究發(fā)現(xiàn)，工作面推進(jìn)速度加快，超前支承壓力影響范圍減小，頂板斷裂對液壓支架影響減弱；王志強(qiáng)等[6]在察哈素煤礦研究發(fā)現(xiàn)，工作面推進(jìn)速度增加，液壓支架的維護(hù)狀況得以改善。而另一部分學(xué)者研究進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，一定條件下加快工作面的推進(jìn)速度，非但不能對工作面礦壓起到正向控制，反而加劇了工作面的礦壓顯現(xiàn)，對圍巖維護(hù)產(chǎn)生不利影響。如馬海峰等[7]研究發(fā)現(xiàn)，工作面推進(jìn)速度加快，圍巖應(yīng)力、破壞范圍以及變形量均增大；楊敬虎等[8]研究得出高強(qiáng)度開采工作面推進(jìn)速度加快，大大增加了壓架事故發(fā)生的可能性；朱志潔等[9]對特厚煤層開采研究發(fā)現(xiàn)，工作面推進(jìn)速度加快后，礦壓顯現(xiàn)更加劇烈；閆憲磊等[10]研究發(fā)現(xiàn)工作面開采速度的增大會增加礦震的震動次數(shù)和能量。

綜合已有研究可以得出：在工作面緩慢推進(jìn)時，加快工作面的推進(jìn)速度對礦壓控制是有利的；但工作面推進(jìn)速度達(dá)到一定程度后，進(jìn)一步加快工作面推進(jìn)速度，圍巖發(fā)生動力災(zāi)變概率和危害程度將升高，為保障工作面的安全、高效開采，工作面應(yīng)選擇合理的推進(jìn)速度[11]。關(guān)于合理推進(jìn)速度的大小，一些學(xué)者進(jìn)行了討論[12-15]，由于各礦區(qū)開采條件的不同，研究得出的工作面合理開采速度大小差異較大，文獻(xiàn)[12]-[15]對不同礦區(qū)工作面的合理推進(jìn)速度分別進(jìn)行了研究，得出各工作面的合理開采速度為3.6～16 m/d。由此可見，不同礦區(qū)工作面煤層賦存特征、采煤工藝、開采參數(shù)、圍巖性質(zhì)等的不同，決定了不同工作面具有適合其自身的合理推進(jìn)速度。工作面推進(jìn)速度的快與慢，是一個相對概念，在分析工作面推進(jìn)速度對礦壓規(guī)律的影響時，必須結(jié)合特定的開采條件。

1 工作面概況

顧橋煤礦位于潘謝礦區(qū)中西部，1213(1)工作面位于顧橋礦11號煤層，煤層平均厚3.03 m，煤層傾角平均3°，工作面煤層賦存較穩(wěn)定，研究區(qū)域工作面煤層頂板為細(xì)砂巖，少量裂隙發(fā)育，致密堅(jiān)硬，厚6～18 m。為對比分析堅(jiān)硬頂板工作面對礦壓的影響，選擇1213(1)上覆的相鄰軟弱頂板工作面1212(3)作為對照。1212(3)工作面位于13號煤層，煤層平均厚4.42 m，煤層傾角平均2°，工作面煤層賦存較穩(wěn)定，直接頂為泥巖、煤線、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖互層的復(fù)合頂板，厚4.5～8.7 m。工作面來壓特征統(tǒng)計見表1。

表1 工作面來壓特征統(tǒng)計Table 1 Statistics on weighting characteristics of working face

統(tǒng)計2個工作面來壓特征發(fā)現(xiàn)，具有砂巖直覆頂板的1213(1)工作面初次來壓、周期來壓步距和動載系數(shù)均大于上覆軟弱頂板的1212(3)工作面。現(xiàn)場礦壓觀測也發(fā)現(xiàn)1213(1)工作面來壓時礦壓顯現(xiàn)明顯，出現(xiàn)煤壁片幫，液壓支架立柱安全閥多數(shù)開啟現(xiàn)象。分析得出，發(fā)育有堅(jiān)硬頂板的工作面礦壓顯現(xiàn)更為顯著，開展堅(jiān)硬頂板工作面礦壓顯現(xiàn)的推進(jìn)速度效應(yīng)研究，對實(shí)現(xiàn)工作面的礦山壓力控制，更具現(xiàn)實(shí)意義。

2 推進(jìn)速度對頂板運(yùn)動影響分析

由覆巖運(yùn)動規(guī)律可知，堅(jiān)硬厚層頂板巖層隨著工作面的推進(jìn)產(chǎn)生周期性破斷，破斷巖塊間相互咬合，形成具有一定承載能力的砌體梁結(jié)構(gòu)，成為礦山壓力的主承載結(jié)構(gòu)；控頂區(qū)內(nèi)液壓支架以有限的支護(hù)能力與圍巖形成“支架-煤壁-破斷巖塊”支護(hù)系統(tǒng)，共同承載上覆巖層壓力[16]。破斷后頂板巖塊的運(yùn)動受巖塊長度、液壓支架控頂位置、巖塊厚度以及頂板巖性等共同影響[17]；由綜采工藝可知，落煤后伴隨液壓支架前移，頂板巖塊懸臂長度和液壓支架控頂位置改變，引起頂板巖塊移動；同時，受巖石固有的流變力學(xué)屬性影響，作業(yè)循環(huán)時間引起圍巖的蠕變變形及應(yīng)力調(diào)整。工作面推進(jìn)速度主要由單次落煤截深和作業(yè)循環(huán)時間2個因素決定[3,18]，因此，可以通過分析落煤和循環(huán)時間對頂板運(yùn)動的影響，來研究工作面推進(jìn)速度對礦壓影響規(guī)律。

2.1 落煤對頂板運(yùn)動的影響分析

將液壓支架上方構(gòu)成砌體梁結(jié)構(gòu)的巖塊簡化為一端固支一端鉸支梁受力模型，任取巖梁1個截面，求得控頂區(qū)上方巖梁的撓度表達(dá)式為[19]：

(1)

式中:w1為控頂區(qū)上方巖梁撓度,mm；q1為上覆巖梁均布線載荷,kN/m；qz1為液壓支架對頂板支護(hù)力線載荷最大集度,kN/m；lc為控頂區(qū)上方巖梁跨度,m；x為巖梁任意截面位置,m;C為基本頂周期來壓步距,m；lk為液壓支架控頂區(qū)長度,m;E1，E2分別為控頂區(qū)上方和斷裂巖梁彈性模量,GPa；I1為控頂區(qū)上方巖梁截面慣性矩,mm4；kg為冒落矸石對巖塊支撐剛度,N/mm；A2為巖梁截面的面積,m2；SA為斷裂巖塊下沉值,mm。

由式(1)可知，受工作面每次落煤、移架影響，控頂區(qū)上方巖梁跨度lc不斷變化，巖梁撓度w1隨之變化，并且?guī)r梁的這種移動在落煤、移架后瞬間完成。隨著工作面推進(jìn)，基本頂將發(fā)生周期性斷裂，1個周期來壓步距內(nèi)落煤次數(shù)基本是一致的，因此，由落煤、移架引起的這種頂板剛性回轉(zhuǎn)下沉量也是一定的，加快工作面推進(jìn)速度無法減少該部分的頂板下沉量。

圖1為現(xiàn)場監(jiān)測的落煤前后頂板瞬間下沉情況，該部分頂板剛性回轉(zhuǎn)下沉是由頂板巖梁幾何參數(shù)和物理力學(xué)參數(shù)所決定的，屬于頂板巖梁的給定變形，液壓支架對該部分變形的控制作用是有限的。

圖1 落煤引起的頂板瞬間下沉Fig.1 Instantaneous subsidence of roof caused by coal drop

2.2 作業(yè)循環(huán)時間對頂板運(yùn)動的影響分析

現(xiàn)場礦壓觀測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面停止推進(jìn)后，隨著時間的推移，頂板持續(xù)下沉，這是由巖石材料固有的流變力學(xué)屬性所決定的。采用開爾文流變模型對時間引起的頂板巖梁變形規(guī)律進(jìn)行分析，開爾文流變模型由1個彈性元件和1個粘性元件并聯(lián)而成[20]，根據(jù)其本構(gòu)方程得出基本頂初次垮落后控頂區(qū)上方巖梁的蠕變下沉方程為：

(2)

由式(2)可知由巖梁蠕變引起的頂板變形過程是一個時間函數(shù)，隨著時間的延長巖梁變形量不斷增加，并且?guī)r梁的蠕變變形量與巖梁的剛性回轉(zhuǎn)下沉量w1呈正比。

當(dāng)工作面停止推進(jìn)時監(jiān)測頂板持續(xù)蠕變下沉變化如圖2所示。

圖2 工作面停止推進(jìn)頂板持續(xù)下沉情況Fig.2 Continuous subsidence of roof when working face stopped advancing

由圖2可知，圍巖體蠕變引起的巖梁下沉量隨時間延長不斷增大，在工作面開采工程中，加快工作面推進(jìn)速度，縮短作業(yè)循環(huán)時間，能有效減少該部分的頂板下沉量。

3 推進(jìn)速度對礦壓影響數(shù)值模擬分析

3.1 建模及計算方案設(shè)計

按照1213(1)工作面工程地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，計算過程采用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則。針對工作面推進(jìn)速度對礦壓規(guī)律影響的數(shù)值模擬，可以通過控制開挖深度及迭代步時語句來實(shí)現(xiàn)[3]。認(rèn)為每1個開挖步驟都是準(zhǔn)靜力學(xué)過程，每次開挖后按設(shè)計方案迭代計算。開挖計算方案見表2，巖層參數(shù)見表3，方案1～5每次開挖步距不斷增加，代表工作面推進(jìn)速度越來越快。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.1 破壞場分析

為了分析采煤工作面推進(jìn)速度對圍巖塑性破壞區(qū)發(fā)育的影響，得出各計算方案圍巖體內(nèi)塑性區(qū)發(fā)育情況，如圖3所示。

表2 模擬計算方案Table 2 Schemes of simulation calculation

由圖3可知，隨著每次開挖步距的增加，工作面頂板覆巖內(nèi)部塑性區(qū)發(fā)育高度和范圍顯著減小，說明工作面開采速度增大減弱了采動壓力對圍巖的破壞，這對維護(hù)頂板的完整性是極其有利的。

表3 頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of rock at roof and floor

圖3 各開挖方案塑性區(qū)發(fā)育情況Fig.3 Development of plastic zone by each excavation scheme

3.2.2 應(yīng)力場分析

為了研究工作面推進(jìn)速度對圍巖體內(nèi)部應(yīng)力分布的影響，統(tǒng)計各計算方案的應(yīng)力集中系數(shù)和應(yīng)力集中位置變化情況，如圖4所示。

由圖4可以得出，隨著每次開挖步距的增加工作面煤壁內(nèi)部應(yīng)力集中系數(shù)逐漸減小，應(yīng)力集中區(qū)域在煤壁內(nèi)深度同步減小，說明工作面開采速度增大制約了圍巖體內(nèi)部應(yīng)力的集中和轉(zhuǎn)移。

圖4 煤壁應(yīng)力集中系數(shù)及應(yīng)力集中位置變化Fig.4 Change of stress concentration factor and stress concentration position of coal wall

在FLAC3D計算過程中采用體系最大不平衡力與典型內(nèi)力的比率R，作為計算收斂標(biāo)準(zhǔn)；體系最大不平衡力指每一計算步時模型所有節(jié)點(diǎn)中外力與內(nèi)力差值中的最大值，典型內(nèi)力指計算模型中所有網(wǎng)格點(diǎn)力的平均數(shù)值。因此可以用R值反映模型中應(yīng)力轉(zhuǎn)移是否充分[21-22]，得出各計算方案的R值變化如圖5所示。

圖5 最大不平衡力與典型內(nèi)力的比率Fig.5 Ratio of maximum unbalanced force and typical internal force

由圖5可知，隨著每次開挖步距的增加，R值不斷增大，說明工作面開采速度越快，上覆巖層中應(yīng)力轉(zhuǎn)移越不充分。在工作面開采過程中，圍巖體的破壞過程和圍巖體內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程是相互對應(yīng)的，在對礦壓管理及圍巖控制時，阻止圍巖體中應(yīng)力的過度轉(zhuǎn)移，對保持圍巖完整性具有積極的意義。但由于應(yīng)力無法充分轉(zhuǎn)移、釋放，引起巖體內(nèi)部應(yīng)變能積蓄，增加了誘發(fā)巖爆等動力災(zāi)害風(fēng)險。針對具有巖爆傾向性或突出危險性礦井的開采，提高開采速度前，應(yīng)對巖石的物理力學(xué)特性進(jìn)行必要的試驗(yàn)研究，并做好現(xiàn)場礦壓觀測工作。

4 推進(jìn)速度對礦壓影響現(xiàn)場實(shí)測分析

4.1 礦壓觀測方案

1213(1)工作面長220 m，工作面內(nèi)共布置129臺液壓支架，其中1～3號及127～129號為ZZG10800/18/38D型過渡支架，4～137號為ZY8800/18/38D型掩護(hù)式支架。對工作面進(jìn)行礦壓觀測時，工作面內(nèi)間隔5架液壓支架布置1條測線，并在該處液壓支架上安裝礦用液壓支架測力儀(YHY-60型)監(jiān)測支架載荷，工作面共布置25條測線，沿測線對采煤工作面頂板及煤壁狀況進(jìn)行觀測統(tǒng)計。工作面礦壓觀測測線布置如圖6所示。

圖6 工作面礦壓觀測測線布置示意Fig.6 Layout of strata behaviors observation lines in working face

4.2 礦壓觀測結(jié)果分析

在對1213(1)工作面礦壓觀測過程中發(fā)現(xiàn)，受工作面推進(jìn)速度的影響，工作面礦壓顯現(xiàn)不同。當(dāng)工作面緩慢推進(jìn)時，煤壁片幫、端面頂板破碎、支架壓力增大等現(xiàn)象加?。划?dāng)工作面推進(jìn)速度加快時，上述礦壓顯現(xiàn)特征明顯減弱。選擇工作面中下部45號液壓支架載荷監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析工作面推進(jìn)速度對液壓支架承載特性的影響。工作面推進(jìn)速度在6.4 m/d和1.6 m/d時液壓支架的承載變化特征曲線如圖7所示。

圖7 不同推進(jìn)速度下液壓支架承載特征Fig.7 Loading characteristics of hydraulic support under different advancing speeds

由圖7可以看出，工作面以較快速度(6.4 m/d)推進(jìn)時，液壓支架的承載過程多表現(xiàn)為“急增阻—微增阻”2次増阻或“急增阻—微增阻—急增阻”3次増阻2種形式，這屬于液壓支架的一種正常支護(hù)狀態(tài)；而當(dāng)工作面以緩慢速度(1.6 m/d)推進(jìn)時，液壓支架承載持續(xù)增大，并近似呈線性增長，液壓支架的承載過程表現(xiàn)為1次急增阻形式，液壓支架處于這種非正常的支護(hù)狀態(tài)，將限制其支護(hù)性能的發(fā)揮。

為了分析工作面推進(jìn)速度對液壓支架工作阻力的影響，統(tǒng)計45號液壓支架在不同推進(jìn)速度下1個來壓周期內(nèi)的平均工作阻力如圖8所示。圖8中散點(diǎn)為工作面不同推進(jìn)速度下液壓支架的平均工作阻力數(shù)據(jù)點(diǎn)，擬合曲線為液壓支架平均工作阻力與工作面推進(jìn)速度之間的關(guān)系曲線。

圖8 推進(jìn)速度對液壓支架平均工作阻力的影響Fig.8 Influence of advancing speed on average working resistance of hydraulic support

由圖8可知，隨著工作面推進(jìn)速度的增加，液壓支架的平均工作阻力呈不斷減小趨勢，這有利于液壓支架的維護(hù)。究其原因：工作面以較快速度推進(jìn)時，作業(yè)循環(huán)時間短，落煤、移架、放頂?shù)茸鳂I(yè)工序轉(zhuǎn)換快，液壓支架的“承載—卸壓”過程在較短時間內(nèi)往復(fù)循環(huán)，液壓支架平均工作阻力較?。划?dāng)工作面以緩慢速度推進(jìn)時，作業(yè)循環(huán)時間較長，受頂板持續(xù)下沉影響，液壓支架承受頂板載荷不斷增加，導(dǎo)致液壓支架平均工作阻力較大。

5 結(jié)論

1)采煤工作面落煤引起頂板巖梁瞬間剛性回轉(zhuǎn)下沉，1個來壓周期內(nèi)頂板這部分下沉量是一定的；工作面的作業(yè)循環(huán)時間和巖梁剛性回轉(zhuǎn)下沉量共同影響巖梁的蠕變下沉，巖梁蠕變下沉量與巖梁剛性回轉(zhuǎn)下沉量呈正比。加快工作面推進(jìn)速度僅減少圍巖體蠕變引起的巖梁下沉量，而無法減少巖梁的剛性回轉(zhuǎn)下沉量。

2)工作面開采速度的增加，導(dǎo)致上覆巖體中塑性區(qū)發(fā)育高度和范圍減小，工作面煤壁應(yīng)力集中位置變淺、應(yīng)力集中系數(shù)變小，制約了圍巖體中應(yīng)力的集中和轉(zhuǎn)移，有利于保持圍巖的完整性；但會引起巖體內(nèi)部應(yīng)變能積蓄，增加了誘發(fā)巖爆等動力災(zāi)害風(fēng)險。

3)工作面以較快速度推進(jìn)時，液壓支架承載特性表現(xiàn)為2次増阻或3次増阻形式，液壓支架的“承載-卸壓”過程在較短時間內(nèi)往復(fù)循環(huán)，平均工作阻力較小，有利于液壓支架的管理和維護(hù)。當(dāng)工作面以緩慢速度推進(jìn)時，液壓支架承載近似呈線性增長，表現(xiàn)為1次急增阻形式，限制了液壓支架支護(hù)性能的發(fā)揮。