賈 劍

(中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

隨著煤礦開采技術(shù)裝備的革新，大采高綜采工作面在我國應(yīng)用越來越廣泛，大采高綜采以其回收率高、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)成為厚煤層開采技術(shù)的發(fā)展方向。大采高條件下綜合機(jī)械化采煤過程中，煤壁片幫始終是影響工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)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(shù)值模擬的方法，分析開采速度對(duì)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(jìn)速度。

1 工程概況

淮北某煤礦816工作面聯(lián)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(jié)構(gòu)松散。81、82煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層較軟平均硬度f=0．8，一般不含夾矸，屬較穩(wěn)定簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 煤壁片幫及冒頂程度的判斷標(biāo)準(zhǔn)

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(yán)重與否。在破壞煤體范圍內(nèi)，主要是分析拉伸破壞區(qū)域的大小，一般認(rèn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)，主要表現(xiàn)在煤體在采動(dòng)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(shù)值模型

在FLAC3D數(shù)值模擬過程中，模擬運(yùn)算時(shí)步與工作面推進(jìn)速度存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系：模擬運(yùn)算時(shí)步越少，工作面推進(jìn)速度越快;運(yùn)算時(shí)步越多，工作面推進(jìn)速度越慢。因此，可以利用FLAC3D數(shù)值模擬這一特點(diǎn)來分析綜采工作面在不同推進(jìn)速度下的煤壁和端面穩(wěn)定性。

根據(jù)淮北某礦地質(zhì)條件，建立FLAC3D數(shù)值模型，模擬工作面推進(jìn)長度為200 m，模型高度138 m，整個(gè)模型共劃分單元12 000個(gè)，結(jié)點(diǎn)24 934個(gè)。采用莫爾—庫侖(Mohr－Coulomb)屈服準(zhǔn)則判斷巖體破壞;模型四個(gè)面只約束其法向自由度，底面約束x、y、z三個(gè)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(shí)步(step)分別為200步、300步、400步、500步、600步，計(jì)算機(jī)模擬工作面采高為4．8 m，一次采全高，工作面總推進(jìn)距離為100 m，每次推進(jìn)1 m，端面距為0．3 m，工作面支護(hù)強(qiáng)度為1 MPa。

計(jì)算過程采用的巖石力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算采用的巖石力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4．1 煤(巖)體破壞狀態(tài)分析

在不同時(shí)步條件下，工作面煤壁及端面頂板呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn)形式，主要表現(xiàn)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(xiàn)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(dāng)計(jì)算時(shí)步為200時(shí)，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(dá)1．0 m左右。工作面煤壁的煤體呈現(xiàn)與推進(jìn)方向相反方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，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(nèi)。

當(dāng)計(jì)算時(shí)步為300時(shí)，頂板的破壞形式仍以剪切破壞為主，隨著時(shí)步的增加，端面頂板的破壞深度達(dá)到1．5 m左右，破壞高度也有所增加，煤壁煤體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)也有所增加，在工作面采高范圍內(nèi)，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(jì)算時(shí)步條件下的破壞狀態(tài)

當(dāng)計(jì)算時(shí)步增加到400、500、600時(shí)，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(jì)算模擬時(shí)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(nèi)的煤體向采空區(qū)方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)也逐漸增大，工作面采高范圍內(nèi)前方煤體破壞深度也在不斷增加，說明工作面推進(jìn)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?shù)膸茁室膊粩嘣黾印?/p>

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(xiàng)指標(biāo)的大小決定了煤壁片幫的程度和端面穩(wěn)定性。生產(chǎn)實(shí)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(nèi)，煤壁片幫和端面冒頂?shù)目赡苄跃蜁?huì)減小。因此，在模擬過程中通過監(jiān)測(cè)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(jìn)速度與煤壁片幫及端面冒頂?shù)年P(guān)系。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，模擬運(yùn)算時(shí)步與煤壁最大水平位移之間的關(guān)系曲線見圖2，模擬運(yùn)算時(shí)步與端面頂板下沉量之間的關(guān)系曲線見圖3。

表3 時(shí)步與煤壁最大水平位移量、端面頂板下沉量關(guān)系

由圖2，圖3可知，隨著時(shí)步的不斷增加，最大水平位移量與端面頂板下沉量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，說明如果工作面推進(jìn)速度不能保持正常的速度，煤壁片幫和端面冒頂?shù)膸茁蕰?huì)大大增加。當(dāng)運(yùn)算時(shí)步從200到300時(shí)，煤壁最大水平位移量和端面頂板下沉量緩慢增加，當(dāng)運(yùn)算時(shí)步由300到400時(shí)，位移量和下沉量增加幅度較大，這時(shí)可認(rèn)為時(shí)步300為工作面推進(jìn)速度的突變點(diǎn)(臨界值)，低于此值時(shí)，煤壁片幫和端面冒頂程度將更加嚴(yán)重。因此，在現(xiàn)場(chǎng)施工組織中應(yīng)使工作面的推進(jìn)速度保持在某一數(shù)值以上，才能保持煤壁和端面頂板的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

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

1)工作面推進(jìn)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(jìn)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(nèi)，才能減小煤壁片幫和端面冒頂?shù)膸茁省?/p>

2)工作面推進(jìn)速度存在一個(gè)臨界值，當(dāng)?shù)陀诖酥禃r(shí)，煤壁片幫和端面冒頂?shù)目赡苄砸矔?huì)大大增加。

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

［1］ 夏永學(xué)．屯留礦大采高綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與煤壁穩(wěn)定性研究［D］．北京：煤炭科學(xué)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(chǎng)圍巖控制理論及應(yīng)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．