賈彥波

(西山煤電西曲礦運(yùn)輸區(qū)運(yùn)輸一隊(duì)，山西 古交 030200)

引 言

隨著煤礦開采強(qiáng)度的不斷增大以及煤炭需求量的增加，急需對煤炭資源進(jìn)行高效開采。如在地質(zhì)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(jìn)速度等。但提高工作面推進(jìn)速度方法可控性更強(qiáng)，可根據(jù)開采地質(zhì)條件實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高工作面推進(jìn)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(fā)生。但現(xiàn)階段，對推進(jìn)速度和大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律之間的內(nèi)在關(guān)系還研究不足，適用條件受限，無法正確指導(dǎo)生產(chǎn)[1]。

本文在以往學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，通過理論分析、數(shù)值模擬等手段，研究不同工作面推進(jìn)速度下大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響。全面認(rèn)識工作面上覆巖關(guān)鍵層的挎落規(guī)律和采場支承壓力分布規(guī)律，對指導(dǎo)大采高綜釆工作面安全高效開釆具有指導(dǎo)意義，具有重要的理論意義[2]。

1 工程概況

某礦西二采區(qū)18126工作面為西8號煤上采區(qū)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(jīng)回采完成。18126工作面引進(jìn)全套的大采高綜采機(jī)械設(shè)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(guī)律進(jìn)行研究。

2 影響機(jī)理力學(xué)分析

巖體受到采動破壞是一個(gè)漸進(jìn)的過程，巖體的物理特性、損傷破壞以及裂隙發(fā)育都具有明顯的時(shí)效特征。巖體破壞也是由局部破壞到總體失穩(wěn)。因此，推進(jìn)速度差異能夠引起周期來壓步距發(fā)生變化，實(shí)際上也是巖體破壞時(shí)間效應(yīng)的體現(xiàn)。

2.1 推進(jìn)速度對周期來壓步距的影響

提高工作面的推進(jìn)速度，煤壁前方的垂直應(yīng)力峰值會隨著增大，并且靠近煤壁，超前應(yīng)力區(qū)范圍會減小，而對圍巖的加載速率提高。根據(jù)巖石加載速率相關(guān)理論，提高加載速率，巖石裂隙發(fā)育較小，完整性較好，仍然還具有較高的抗壓、抗拉強(qiáng)度。若把巖石當(dāng)作彈粘性體，加快推進(jìn)速度時(shí)，巖石發(fā)生蠕變變形時(shí)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(jìn)速度較快時(shí)，關(guān)鍵層巖體受采動破壞程度較小，關(guān)鍵層的抗拉強(qiáng)度比推進(jìn)速度慢時(shí)更大[3]。關(guān)鍵層巖體斷裂步距等于關(guān)鍵層來壓步距，根據(jù)懸臂梁斷裂公式(1)計(jì)算，由于關(guān)鍵層抗拉強(qiáng)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?shù)目估瓘?qiáng)度，MPa;q為作用在老頂上的載荷及老頂自重，MPa。

2.2 推進(jìn)速度對來壓持續(xù)長度的影響

來壓持續(xù)長度即來壓結(jié)束時(shí)對應(yīng)的工作面推進(jìn)距離與此次來壓開始時(shí)工作面推進(jìn)距離的差值，實(shí)質(zhì)上即為老頂從開始斷裂回轉(zhuǎn)到觸矸穩(wěn)定的整個(gè)過程對應(yīng)的工作面持續(xù)推進(jìn)距離[4]。

針對不同推進(jìn)速度下老頂回轉(zhuǎn)對來壓持續(xù)長度的影響進(jìn)行研究。圖1為不同推進(jìn)速度下老頂砌體梁結(jié)構(gòu)來壓時(shí)破斷塊體的回轉(zhuǎn)示意圖。如圖1b中，當(dāng)工作面推進(jìn)速度較高時(shí)，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(qū)充實(shí)程度降低，采空區(qū)上部形成的回轉(zhuǎn)空間較大。老頂開始發(fā)生破斷時(shí)，由于推進(jìn)速度快的老頂下沉量大于推進(jìn)速度慢的老頂下沉量，老頂需要更大的回轉(zhuǎn)量才可以觸矸達(dá)到穩(wěn)定，導(dǎo)致老頂對支架影響距離增加，進(jìn)而引發(fā)來壓持續(xù)長度增大[5]。

圖1 不同推進(jìn)速度下老頂回轉(zhuǎn)示意圖

3 不同推進(jìn)速度下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

結(jié)合某礦具體地質(zhì)賦存條件，采用FLAC3D建立數(shù)值模擬模型，定義應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件。模擬采取了推進(jìn)工作面速度為慢速、中速、快速3個(gè)方案進(jìn)行模擬。分別按照5 m/d、10 m/d和15 m/d的工作面推進(jìn)速度進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.2 模擬結(jié)果分析(見表1)

表1 模擬結(jié)果表

模擬結(jié)果如表1所示：從表1可以看出，開挖速度較快時(shí)工作面煤體內(nèi)出現(xiàn)較高的應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值達(dá)到37.8 MPa，隨著開挖速度降低至慢速推進(jìn)工作面時(shí)，峰值減低至30.3 m；而塑性區(qū)分布方面，慢速推進(jìn)的工作面煤壁前方的塑性區(qū)長度為7.9 m，

中速推進(jìn)工作面時(shí)塑性區(qū)為5.4 m，快速推進(jìn)工作面時(shí)塑性區(qū)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(fā)育較低，很大程度上降低了片幫、冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生；由關(guān)鍵層下沉量可知：當(dāng)推進(jìn)速度為5 m/d、10 m/d、15 m/d時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)關(guān)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(jìn)速度的加快，關(guān)鍵層的相對關(guān)鍵速度(下沉量和時(shí)間的比)減小。與推進(jìn)速度較慢時(shí)比較，工作面推進(jìn)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(wěn)定和支護(hù)。

4 結(jié)論

1) 工作面推進(jìn)速度較高時(shí)推進(jìn)，直接頂垮落不充分，采空區(qū)充實(shí)程度低，老頂砌體梁塊體回轉(zhuǎn)需要較大的回轉(zhuǎn)量才能達(dá)到觸矸，導(dǎo)致來壓持續(xù)長度增大。

2) 隨著工作面推進(jìn)速度的增大，煤壁前方塑性區(qū)長度減小，可以減少煤壁片幫、冒頂?shù)仁鹿?，但在煤壁前方容易形成集中?yīng)力，發(fā)生煤與瓦斯突出災(zāi)害。

3) 隨著工作面推進(jìn)速度增大時(shí)，關(guān)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(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

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

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

[3] 蘇濤.推進(jìn)速度對大采高工作面關(guān)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(jìn)速度對關(guān)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(jìn)速度對煤壁片幫影響分析[J].中國煤炭,2014,40(4):49-51.