推进速度对工作面矿压显现规律的研究

贾彦波

(西山煤电西曲矿运输区运输一队，山西 古交 030200)

引 言

随着煤矿开采强度的不断增大以及煤炭需求量的增加，急需对煤炭资源进行高效开采。如在地质赋存条件允许下增大采高、增加工作面长度、提高工作面推进速度等。但提高工作面推进速度方法可控性更强，可根据开采地质条件实时进行调节。经研究发现，适当提高工作面推进速度，能一定程度上改善大采高综采工作面煤壁片帮和冒顶，减少事故发生。但现阶段，对推进速度和大采高工作面矿压显现规律之间的内在关系还研究不足，适用条件受限，无法正确指导生产[1]。

本文在以往学者研究的基础上，通过理论分析、数值模拟等手段，研究不同工作面推进速度下大采高综采工作面矿压显现规律的影响。全面认识工作面上覆岩关键层的挎落规律和采场支承压力分布规律，对指导大采高综釆工作面安全高效开釆具有指导意义，具有重要的理论意义[2]。

1 工程概况

某矿西二采区18126工作面为西8号煤上采区首采工作面，工作面东部邻近F23断层，西只F27断层，8号煤层煤厚5 m。下伏的18124工作面已经回采完成。18126工作面引进全套的大采高综采机械设备，为了保证18126综采工作面的高效开采，必须对该综采面的矿压规律进行研究。

2 影响机理力学分析

岩体受到采动破坏是一个渐进的过程，岩体的物理特性、损伤破坏以及裂隙发育都具有明显的时效特征。岩体破坏也是由局部破坏到总体失稳。因此，推进速度差异能够引起周期来压步距发生变化，实际上也是岩体破坏时间效应的体现。

2.1 推进速度对周期来压步距的影响

提高工作面的推进速度，煤壁前方的垂直应力峰值会随着增大，并且靠近煤壁，超前应力区范围会减小，而对围岩的加载速率提高。根据岩石加载速率相关理论，提高加载速率，岩石裂隙发育较小，完整性较好，仍然还具有较高的抗压、抗拉强度。若把岩石当作弹粘性体，加快推进速度时，岩石发生蠕变变形时间短，变形小，弹粘性岩体保持较好的抗拉性。这充分说明工作面推进速度较快时，关键层岩体受采动破坏程度较小，关键层的抗拉强度比推进速度慢时更大[3]。关键层岩体断裂步距等于关键层来压步距，根据悬臂梁断裂公式(1)计算，由于关键层抗拉强度增大，来压步距随之增大。

(1)

式中：L为周期来压步距，m；h为老顶岩层厚度，m；σ为老顶的抗拉强度，MPa;q为作用在老顶上的载荷及老顶自重，MPa。

2.2 推进速度对来压持续长度的影响

来压持续长度即来压结束时对应的工作面推进距离与此次来压开始时工作面推进距离的差值，实质上即为老顶从开始断裂回转到触矸稳定的整个过程对应的工作面持续推进距离[4]。

针对不同推进速度下老顶回转对来压持续长度的影响进行研究。图1为不同推进速度下老顶砌体梁结构来压时破断块体的回转示意图。如图1b中，当工作面推进速度较高时，顶板载荷传递不充分，围岩变形程度降低，直接顶垮落不充分，采空区充实程度降低，采空区上部形成的回转空间较大。老顶开始发生破断时，由于推进速度快的老顶下沉量大于推进速度慢的老顶下沉量，老顶需要更大的回转量才可以触矸达到稳定，导致老顶对支架影响距离增加，进而引发来压持续长度增大[5]。

图1 不同推进速度下老顶回转示意图

3 不同推进速度下工作面矿压显现规律数值模拟

3.1 模拟方案

结合某矿具体地质赋存条件，采用FLAC3D建立数值模拟模型，定义应力边界条件和位移边界条件。模拟采取了推进工作面速度为慢速、中速、快速3个方案进行模拟。分别按照5 m/d、10 m/d和15 m/d的工作面推进速度进行数值模拟。

3.2 模拟结果分析(见表1)

表1 模拟结果表

模拟结果如表1所示：从表1可以看出，开挖速度较快时工作面煤体内出现较高的应力集中，应力峰值达到37.8 MPa，随着开挖速度降低至慢速推进工作面时，峰值减低至30.3 m；而塑性区分布方面，慢速推进的工作面煤壁前方的塑性区长度为7.9 m，

中速推进工作面时塑性区为5.4 m，快速推进工作面时塑性区长度约为4 m。说明大采高工作面前方煤岩体受采动破坏较小，裂隙发育较低，很大程度上降低了片帮、冒顶等事故的发生；由关键层下沉量可知：当推进速度为5 m/d、10 m/d、15 m/d时，相同时间内关键层的下沉量分别为4.4 m、4.3 m、4.1 m，可以看出随着工作面推进速度的加快，关键层的相对关键速度(下沉量和时间的比)减小。与推进速度较慢时比较，工作面推进速度增大，顶板载荷传递不充分，围岩损伤破坏较低，有利于工作面的的稳定和支护。

4 结论

1) 工作面推进速度较高时推进，直接顶垮落不充分，采空区充实程度低，老顶砌体梁块体回转需要较大的回转量才能达到触矸，导致来压持续长度增大。

2) 随着工作面推进速度的增大，煤壁前方塑性区长度减小，可以减少煤壁片帮、冒顶等事故，但在煤壁前方容易形成集中应力，发生煤与瓦斯突出灾害。

3) 随着工作面推进速度增大时，关键层下沉速度减小，顶板载荷传递不充分，围岩变形破坏程度较低，有利于工作面稳定。

参考文献：

[1] 朱志洁,张宏伟,陈蓥,等.特厚煤层开采工作面推进速度对矿压显现的影响[J].安全与环境学报,2016,16(3):126-129.

[2] 王世炫.推进速度对大采高工作面矿压显现的影响研究[D].淮南：安徽理工大学,2015.

[3] 苏涛.推进速度对大采高工作面关键层“悬臂梁”垮落形式的影响[J].中州煤炭,2015(5):71-73.

[4] 张小洋.大采高工作面推进速度对关键层垮落型式的影响研究[J].江西煤炭科技,2015(2):143-145.

[5] 张军鹏,张亮,王东攀.大采高工作面推进速度对煤壁片帮影响分析[J].中国煤炭,2014,40(4):49-51.