綜采面推進(jìn)速度與前方支承壓力關(guān)系研究

金成龍，諶計(jì)強(qiáng)，左鵬鵬，張壽朋，朱先博

(1、國投新集能源股份有限公司；2、神華寧夏煤業(yè)集團(tuán))

1 工作面概況

1782(3)工作面為東四采區(qū)13-1煤層綜采工作面，該工作面南部的1772(3)工作面已回采結(jié)束；其上部的1782(1)工作面已回采結(jié)束；西至1551(3)采空區(qū)；東部的1782(3)工作面已回采結(jié)束。工作面標(biāo)高-630～-680 m，走向長度為1 120 m，傾向長度為161 m，煤層厚度為2.18～4.7 m，平均厚度為4 m，煤層平均傾角7°。工作面預(yù)計(jì)收作線為距離西二回風(fēng)煤下山70 m。預(yù)計(jì)可采儲量為100.8萬 t。煤層頂板為2.1 m厚的泥巖，局部發(fā)育13～2煤層。底板為平均厚度為2.3 m的泥巖。工作面內(nèi)總體層理較穩(wěn)定，局部有泥巖夾矸。煤層以塊狀為主，粉末狀次之。軟分層厚度一般為0.5 m左右。該面煤層呈單斜狀，工作面內(nèi)13-1煤層以塊狀暗煤為主，夾亮鏡煤條帶。屬半暗～半亮型煤。根據(jù)三維地震勘探資料及鄰近采掘資料分析，塊段內(nèi)西段地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，東段地質(zhì)構(gòu)造較簡單。1772(3)運(yùn)輸巷施工中揭露的7條斷層落差均在0.5～2.5 m。1782(3)運(yùn)輸巷揭露的Fa5和F18斷層對施工影響較大。

2 現(xiàn)場測試

為了獲得回采期間工作面前方支承壓力分布情況，在機(jī)巷上幫和風(fēng)巷下幫煤體內(nèi)布置3個(gè)測站應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)長度為10 m，測站的間距為100 m(工作面回采時(shí)，下一測站應(yīng)力計(jì)基本不受工作面不同推進(jìn)速度的影響)，第一測站應(yīng)力計(jì)距工作面120 m，試驗(yàn)工作面鉆孔應(yīng)力計(jì)布置平面圖見圖1，在回采期間對工作面前方支承壓力進(jìn)行了觀測。

圖1 工作面鉆孔應(yīng)力計(jì)布置平面示意圖

3 工作面前方支承壓力觀測與分析

為較好測定工作面前方支承壓力并使3個(gè)測站應(yīng)力計(jì)所測的數(shù)據(jù)形成對比，特使工作面推過3個(gè)測站應(yīng)力計(jì)的過程中推進(jìn)速度不同。工作面從距第一測站100 m處開始以3 m/d左右的推進(jìn)度勻速推進(jìn)，直至推掉第一測站應(yīng)力計(jì)(應(yīng)力計(jì)A、B)；從距第二測站100 m處開始以5 m/d左右的推進(jìn)度勻速推進(jìn)，直至推掉第二測站應(yīng)力計(jì)(應(yīng)力計(jì)C、D)；從距第三測站100 m處開始以8 m/d左右的推進(jìn)度勻速推進(jìn)，直至推掉第3測站應(yīng)力計(jì)(應(yīng)力計(jì)E、F)。

應(yīng)力計(jì)應(yīng)力的計(jì)算公式：

σi=c︱(fi2-f02)︱

式中:

σi—第i次觀測數(shù)據(jù)對應(yīng)的支承壓力， MPa；

c—每個(gè)應(yīng)力計(jì)出廠時(shí)的系數(shù)，MPa/Hz2；

fi—第i次觀測的數(shù)據(jù)，Hz；

f0—初始值，Hz。

文獻(xiàn)[2]、[3]對工作面回采時(shí)巷道深部圍巖位移規(guī)律、圍巖表面位移規(guī)律及綜放采場支承壓力分布規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

在回采期間對試驗(yàn)工作面前方支承壓力進(jìn)行觀測，將現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理(除去異常數(shù)據(jù)，出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)可能的原因：打應(yīng)力計(jì)孔時(shí)，由于施工原因使孔底偏向工作面，采煤機(jī)割煤時(shí)割到應(yīng)力計(jì)端部，使應(yīng)力突然增大，從而使數(shù)據(jù)異常不可用)，經(jīng)整理分析可得工作面前方支承壓力沿走向的分布規(guī)律和變化規(guī)律，結(jié)果見圖2，圖3。

圖2 工作面前方支承壓力變化曲線(運(yùn)輸巷)示意圖

圖3 工作面前方支承壓力變化曲線(回風(fēng)巷)示意圖

分析圖2和圖3可得：

1) 工作面推進(jìn)速度不同時(shí)，工作面前方支承壓力峰值大小、峰值位置有所不同。隨著推進(jìn)速度的增加，支承壓力峰值逐漸增大，峰值位置逐漸向工作面靠近。

隨著工作面距測站應(yīng)力計(jì)的不斷靠近，工作面前方支承壓力逐漸增加，直至峰值，隨后支承壓力急劇下降。推進(jìn)速度為3 m/d時(shí)，距工作面約25 m處達(dá)到峰值；推進(jìn)速度為5 m/d時(shí)，距工作面約17～18 m處達(dá)到峰值；推進(jìn)速度為8 m/d時(shí)，距工作面約10 m處達(dá)到峰值。

2) 分析應(yīng)力計(jì)A、C、E與應(yīng)力計(jì)B、D、F的峰值可知，當(dāng)工作面推進(jìn)速度相同時(shí)，風(fēng)巷下幫工作面前方支承壓力比機(jī)巷上幫工作面前方支承壓力大，峰值處前者比后者大2～3 MPa，這主要是因?yàn)樵撁嫔喜抗ぷ髅嬉鸦夭山Y(jié)束，該處煤體除了受本工作面回采的影響，還受上部工作面回采后殘余支承壓力的影響。

3) 在距工作面前方95 m處，工作面前方支承壓力就開始受工作面回采的影響。推進(jìn)速度不同時(shí)，支承壓力快速升高和降低的范圍不同。隨推進(jìn)速度的增加，支承壓力快速升高和降低的范圍逐漸靠近工作面。

由上述分析可以看出：推進(jìn)速度不同時(shí)，工作面前方支承壓力峰值和位置亦不同；推進(jìn)速度相同時(shí)，工作面前方支承壓力峰值位置基本相同，但峰值大小不同，風(fēng)巷下幫工作面前方支承壓力高于機(jī)巷上幫工作面前方支承壓力。隨著工作面推進(jìn)速度的增加，工作面前方支承壓力峰值位置向工作面煤壁靠近，峰值應(yīng)力增大。

工作面推進(jìn)速度較慢時(shí)，在同一位置停滯的時(shí)間較長，將增大巷道的變形量，使巷道斷面減小，降低巷道的穩(wěn)定性，從而不能滿足通風(fēng)、生產(chǎn)的要求；工作面推進(jìn)速度較快時(shí)，在同一位置停滯的時(shí)間則較短，但會使工作面前方支承壓力峰值位置向工作面煤壁靠近，峰值應(yīng)力增大，將不利于工作面液壓支架對頂板的支護(hù)，嚴(yán)重時(shí)會壓死支架，同時(shí)也不利于巷道的支護(hù)，對安全生產(chǎn)帶來威脅。現(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)根據(jù)工作面前方支承壓力的分布規(guī)律和變化規(guī)律，適當(dāng)加快工作面推進(jìn)速度，減少工作面在同一位置的滯留時(shí)間，有利于保持巷道的穩(wěn)定性和改善巷道維護(hù)狀態(tài)，對保證安全生產(chǎn)具有一定的意義。

根據(jù)以上分析，結(jié)合該工作面的地質(zhì)情況，該面以5 m/d左右的推進(jìn)速度是比較合理的。該工作面的研究對生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義，值得條件類似的工作面參考，從而確定合理的推進(jìn)速度，使工作面達(dá)到高產(chǎn)高效。

4 數(shù)值模擬

根據(jù)1782(3)工作面的具體條件，應(yīng)用Flac 3D建模原則，采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則對不同推進(jìn)速度下煤體的塑性區(qū)破壞區(qū)、支承壓力分布規(guī)律、變化規(guī)律進(jìn)行了模擬。不同推進(jìn)速度下的煤體破壞區(qū)分布見圖4，不同推進(jìn)速度下的煤體前方支承壓力(SZZ)分布見圖5。

圖4 不同推進(jìn)速度的SZZ示意圖

分析圖4可知，煤層的開采導(dǎo)致了工作面前方煤體內(nèi)產(chǎn)生塑性破壞區(qū)，推進(jìn)速度不同，煤體內(nèi)的破壞區(qū)分布不同。隨著推進(jìn)速度的增加，工作面煤壁前方的破壞區(qū)不斷擴(kuò)大，推進(jìn)速度為8 m/d時(shí)工作面煤壁前方的破壞區(qū)尤為明顯。

分析圖5可知，煤層的開采導(dǎo)致了工作面前方煤體內(nèi)產(chǎn)生支承壓力(SZZ)并出現(xiàn)應(yīng)力集中，推進(jìn)速度不同，煤體內(nèi)的支承壓力分布范圍不同，應(yīng)力集中程度也不同。隨著推進(jìn)速度的增加，工作面前方煤體內(nèi)支承壓力的范圍不斷擴(kuò)大，峰值不斷增大且峰值位置逐漸向工作面靠近，應(yīng)力集中程度也相應(yīng)增大，推進(jìn)速度為8 m/d時(shí)的應(yīng)力集中程度尤為明顯。

由上述分析可知，模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測分析結(jié)果基本一致?，F(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)根據(jù)工作面前方煤體內(nèi)的塑性破壞區(qū)、支承壓力的分布范圍及應(yīng)力集中程度，確定合理的推進(jìn)速度，使工作面達(dá)到安全高產(chǎn)高效。

圖5 工作面前方支承壓力變化曲線(回風(fēng)巷)示意圖

5 結(jié) 論

1) 工作面前方支承壓力在走向上存在應(yīng)力峰值，隨著工作面推進(jìn)速度的增加，工作面前方支承壓力峰值位置向工作面煤壁靠近，峰值應(yīng)力增大。推進(jìn)速度相同時(shí)，工作面前方支承壓力峰值位置基本相同，但峰值大小不同，在風(fēng)巷下幫工作面前方支承壓力高于機(jī)巷上幫工作面前方支承壓力。

2) 采用Flac 3D對現(xiàn)場條件進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測分析結(jié)果基本一致。

3) 現(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)根據(jù)工作面前方煤體內(nèi)的塑性破壞區(qū)范圍、支承壓力的分布規(guī)律和變化規(guī)律及應(yīng)力集中程度，確定合理的推進(jìn)速度，從而使工作面達(dá)到安全高產(chǎn)高效。

[1] 石平五,許少東.綜放沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J]. 礦山壓力與頂板管理, 2004 (1):31-33.

[2] 謝廣祥,楊科,劉全明.綜放回采巷道圍巖變形規(guī)律的現(xiàn)場實(shí)測研究[J]. 煤炭工程, 2004 (8):50-52.

[3] 謝廣祥,楊科,常聚才.綜放回采巷道圍巖力學(xué)特征實(shí)測研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006(1):94-98.

[4] 王永秀,齊慶新,陳兵,等.煤柱應(yīng)力分布規(guī)律的數(shù)值模擬分析[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2004 (10):71-72.

收稿日期 2010-06-16