大采高工作面推進速度對煤壁片幫影響分析＊

張軍鵬 張 亮 王東攀

（1.山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西省長治市，046103；2.天地科技股份有限公司，北京市朝陽區，100013）

霍爾辛赫礦3207大采高工作面煤層厚度5.0～5.6 m，采用一次采全厚采煤法。工作面長度220 m，布置ZY12000／28／60D型二柱掩護式液壓支架129架，二級護幫，最大護幫高度為2.8 m。本文通過現場觀測數據得知，當推進速度不同時，煤壁片幫情況也不同，結合頂板周期來壓步距、來壓強度，并借助FLAC3D數值模擬研究大采高工作面推進速度對煤壁片幫的影響。

1 礦壓觀測

3207工作面5月13日－5月25日平均推進速度為4.4 m／d，5月26日－6月14日平均推進速度為2.4 m／d。在這兩個時間段，每天檢修班通過激光測距儀測量煤壁片幫情況，并采集了工作面8＃、30＃、53＃、77＃、100＃、122＃液壓支架壓力記錄儀數據，對該段時間內工作面周期來壓步距、動載系數進行分析，結果見表1和表2。

表1 工作面周期來壓步距 m

表2 周期來壓時動載系數

從表1中可以看出基本頂周期來壓步距隨日推進速度增大而減小，當推進速度為4.4 m時，基本頂周期來壓步距平均值為19.8 m；推進速度為2.4 m時，基本頂周期來壓步距平均值為14.7 m。工作面上部、中部、下部周期來壓步距差距不大，但由表2可以看出工作面中部平均動載系數較高為1.60，來壓強度大。

2 煤壁片幫觀測

期間觀測到的片幫起數為67起，片幫波及范圍262架支架，多出現在40＃～100＃支架間。片幫形式分3種：煤壁上部片幫占53%、煤壁中上部片幫占44%、整煤壁片幫占3%，片幫具體情況見表3和表4。

表3 煤壁片幫深度及高度統計表

表4 煤壁日片幫范圍大于10架的片幫情況統計表

從表3可以看出，工作面上部片幫情況明顯好于工作面中部和下部，41＃～60＃支架范圍內，煤壁片幫情況最嚴重，平均片幫深度為960 mm，這是因為工作面中部頂板壓力大，煤壁塑性區大更容易片幫；從表4可以看出，在5月25日－6月12日工作面平均推進速度變為2.4 m／d后，煤壁日平均片幫深度和片幫架數明顯增大，這是因為推進速度變小后，工作面周期來壓步距變短，周期來壓次數增多，造成煤壁片幫次數及深度變大。結合周期來壓步距分析可知，工作面于5月15日、5月25日、6月8日、6月12日經歷周期來壓期間煤壁片幫范圍都大于10架，日平均片幫深度也都大于0.6 m，明顯大于非周期來壓時期，因此可看出周期來壓對煤壁穩定性影響較大。

3 數值模擬

整個煤巖層模型煤層和直接頂的物理力學參數均按礦方提供數據給定，不詳數據參考了相關同巖性試驗結果。模型四周邊界均固定水平位移，底端邊界固定垂直位移，頂端邊界施加均勻載荷，模型高度為75 m，上覆380 m巖層載荷按巖體垂直應力施加到模型頂部，模型初始位移和速度均按零計算。原始主應力方向分別與模型3個坐標軸一致，大小均相等。模型采用莫爾－庫論（Mohr－Coulomb）破壞準則，煤巖層層理使用Interface單元進行模擬。

由于運算時步的大小可以間接反映工作面推進速度的快慢，因此為研究工作面推進速度對煤壁片幫的影響，采用調節運算時步來間接反映工作面推進速度對煤壁片幫的影響。模擬運算時步分別為800步、1000步、1200步、1400步、1600步、2400步6種情況。模擬時支護強度和護幫水平推力均設置為零，采高為5.69 m，推進距離為60m。

3.1 煤壁附近煤體的水平位移

圖1為不同運算時步下距離煤壁不同位置處煤體的水平位移，橫坐標是煤體與煤壁的距離，縱坐標為水平位移。可以看出，隨著模擬時運算時步的加大，煤體的水平位移也相繼增大。當運算時步為800步時，煤壁處水平位移為－125 mm；當運算時步為1000步時，水平位移增大到為－187 mm；當運算時步為1200步時，水平位移增大到為－200 mm；當運算時步為2400步時，水平位移增大到為－406 mm。從圖1還可以看出，距煤壁0～6 m范圍內的煤體水平位移較大。當煤體水平位移增大，煤壁穩定性下降，發生片幫的概率也逐漸增大。

圖1 不同運算時步下煤體最大水平位移圖

3.2 煤壁附近煤體的破壞狀態

根據模型單元體的應力云情況可以得知，當模擬運算時步為800步時，煤壁附近的煤體發生了剪切破壞和拉伸破壞，剪切破壞區延伸到煤壁前方6 m，拉伸破壞和剪切破壞疊加區延伸到煤壁前方1 m；當運算時步增大到1000步時，拉伸破壞區無變化，剪切破壞區擴大，延伸到煤壁前7 m；當算時步繼續增加到1200步時，拉伸破壞區延伸到煤壁前方2 m，剪切破壞區繼續擴大，延伸到工作面前方8 m。

綜合現場觀測數據和數值模擬分析可知，隨著模擬運算時步的加大，煤壁附近煤體的水平位移、剪切破壞區、拉伸破壞區均會增加，導致煤體的破壞程度加大、煤體的穩定性降低。運算時步減少間接反映為工作面推進速度的增大，所以增大推進速度能有效增加煤壁的穩定性，降低煤壁片幫現象的發生。

4 結論

對于大采高工作面，推進速度過慢會直接導致周期來壓步距變短、來壓次數變多、煤壁暴露時間長，而基本頂頻繁周期來壓使煤體受到沖擊次數增多，造成煤體塑性區、煤體剪切破壞區、拉伸破壞區增大，造成煤壁處煤體的穩定性下降，致使煤壁片幫深度和片幫范圍增大，建議大采高工作面適當提高推進速度。

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