回采工作面推進(jìn)速率對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響

郭陽勇

（晉煤集團(tuán)晟泰公司，山西 晉城 048006）

回采工作面推進(jìn)速率的加快雖然能增加礦井產(chǎn)量，但會(huì)對(duì)工作面頂板礦壓、超前支承壓力、塑性區(qū)范圍、動(dòng)力災(zāi)害及周期來壓步距等產(chǎn)生較大的影響[1-2]。近年來，眾多學(xué)者針對(duì)推采速率對(duì)礦壓的影響進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的成果。但是，由于各礦間煤層覆存條件、采煤工藝等不同，研究結(jié)果并不適用于每個(gè)礦井。因此，本文以151302工作面為研究對(duì)象，通過理論分析和數(shù)值模擬得到了推進(jìn)速率與頂板應(yīng)力和下沉量間的關(guān)系，對(duì)相似地質(zhì)條件礦井防治頂板災(zāi)害有一定的借鑒意義。

1 工作面概況

晉煤集團(tuán)古書院礦151302工作面為東翼一盤區(qū)首采工作面，走向長(zhǎng)度1428m，傾斜長(zhǎng)度180m。工作面主采15#煤層，上距9號(hào)煤層28m左右，煤厚0.81～3.56m，平均1.98m，平均傾角4°。煤層直接頂板為平均厚度9.00m的K2灰?guī)r，直接底為平均厚度2.75m的泥巖。礦井瓦斯相對(duì)涌出量為4.88m3/t.d，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為24.65m3/min，屬于低瓦斯礦井。

2 推進(jìn)速率對(duì)礦壓影響

2.1 力學(xué)模型建立

根據(jù)工作面頂板巖層性質(zhì)，在初次垮落前將頂板視為兩端固支梁結(jié)構(gòu)[3-4]，假設(shè)頂板為不被破壞的理想狀態(tài)，建立如圖1所示的力學(xué)模型。

圖1 頂板巖層力學(xué)模型

由圖1可知，工作面頂板巖層彎矩M（x）為：

式中：

q-工作面上覆巖層均布載荷，MPa；

L-工作面推進(jìn)距離，m。

根據(jù)公式（1）可知，當(dāng)x=1/2L時(shí)，彎矩最大，其最大值Mmax為：

隨著工作面推進(jìn)，工作面頂板出現(xiàn)斷裂，在x= 1 /2L處，頂板巖層抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力，該處下方任意一點(diǎn)為固支梁準(zhǔn)斷裂點(diǎn)，取其點(diǎn)位置為z=-12h，則該點(diǎn)拉應(yīng)力σmax為：

式中：

W-固支梁抗扭剛度，N/m；

b-固支梁寬度，m；

h-固支梁高度，m。

工作面回采時(shí)，推進(jìn)速率與時(shí)間之間的關(guān)系為：

將公式（4）帶入（3）可得：

2.2 推進(jìn)速率對(duì)拉應(yīng)力影響

由公式（5）可知，頂板巖層最大拉應(yīng)力與工作面推進(jìn)速率和時(shí)間有關(guān)，根據(jù)公式可以得到其關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 最大拉應(yīng)力與推進(jìn)速率和時(shí)間關(guān)系曲線

由圖2可知，巖層最大拉應(yīng)力與推進(jìn)速率和時(shí)間成正比，即推進(jìn)速率加快和推進(jìn)時(shí)間變長(zhǎng)（即推進(jìn)距離遠(yuǎn)）都會(huì)導(dǎo)致頂板巖層拉應(yīng)力增長(zhǎng)速度加快，其所承受的拉應(yīng)力越大。

3 加載速率對(duì)礦壓影響

3.1 影響分析

151302工作面回采后會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，而工作面推采速率的不同會(huì)造成應(yīng)力對(duì)圍巖的加載速率有所不同。根據(jù)試驗(yàn)得到工作面不同加載速率下應(yīng)力與應(yīng)變間關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，在相同加載速率時(shí)，隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力呈先增加后減小趨勢(shì)。隨著工作面速率增加，工作面會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變?cè)龃蠖鴳?yīng)變還處于非常小狀態(tài)下的圍巖強(qiáng)度偽增強(qiáng)現(xiàn)象。

圖3 151302工作面不同加載速率應(yīng)力與應(yīng)變曲線

3.2 推進(jìn)速率與加載速率關(guān)系分析

工作面推采速率影響頂板巖層的加載速率，從而影響頂板垂直應(yīng)力與下沉量。工作面推進(jìn)速率增大，導(dǎo)致頂板巖層抗拉能力越強(qiáng)，頂板的垂直應(yīng)力和下沉量越小，頂板穩(wěn)定性越好。雖然工作面推進(jìn)速率增大，頂板巖層穩(wěn)定性越好，但是在一定范圍內(nèi)，巖體受到的應(yīng)力仍小于其表現(xiàn)的偽強(qiáng)度。

當(dāng)工作面推進(jìn)速率較慢時(shí)，頂板形成懸頂?shù)臅r(shí)間就越長(zhǎng)，巖層的黏性作用會(huì)導(dǎo)致頂板出現(xiàn)斷裂、下沉、垮落等現(xiàn)象，不利于工作面頂板的穩(wěn)定。當(dāng)工作面推進(jìn)速率較快時(shí)，頂板形成懸頂?shù)臅r(shí)間就越短，巖層承受的垂直應(yīng)力沒有完全傳遞充分，頂板垂直應(yīng)力和下沉量相對(duì)較小，頂板巖層穩(wěn)定性好[5-6]。

4 推進(jìn)速率對(duì)礦壓影響數(shù)值模擬

4.1 模擬方案

采用FLAC3D模擬151302工作面不同推進(jìn)速率對(duì)頂板巖層運(yùn)動(dòng)的影響。根據(jù)工作面地質(zhì)條件建立90m×50m×50m模型，模擬方案如表1所示。

表1 模型各巖層力學(xué)參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果分析

4.2.1 垂直應(yīng)力分析

151302工作面回采60m時(shí)，沿著傾向在工作面煤壁處和煤壁前10m位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)工作面垂直應(yīng)力。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 151302工作面煤層傾向頂板垂直應(yīng)力曲線

圖5 151302工作面煤層走向頂板垂直應(yīng)力曲線

由圖4、圖5可知，151302工作面頂板垂直應(yīng)力曲線呈“拱形”分布。當(dāng)推進(jìn)速率不變時(shí)，工作面兩側(cè)向中間位置工作面垂直應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)距離煤壁5～10m處頂板垂直應(yīng)力達(dá)到最大值。隨著工作面推進(jìn)速率的減小，垂直應(yīng)力逐漸增大，工作面推進(jìn)至60m處，當(dāng)推進(jìn)速率分別為3m/d、5m/d、10m/d、15m/d時(shí)，垂直應(yīng)力最大值分別為18.7MPa、19.7MPa、21.38MPa、22.69MPa。 工 作面推進(jìn)速率為3m/d、5m/d、10m/d分別比15m/d時(shí)頂板垂直應(yīng)力增加了21.2%、14.2%、5.2%。由此可知，當(dāng)工作面推進(jìn)速率增加時(shí)，頂板巖層所受的垂直應(yīng)力減小，有利于工作面保持穩(wěn)定。

4.2.2 頂板下沉量分析

151302工作面回采60m時(shí)，不同推進(jìn)速率時(shí)工作面頂板下沉量監(jiān)測(cè)位移云圖如圖6所示。

圖6 151302工作面不同推進(jìn)速率頂板位移云圖

由圖6可知，151302工作面回采60m時(shí)，由兩側(cè)向中部位置工作面頂板下沉量逐漸增大。隨著工作面推進(jìn)速率的減小，頂板下沉量逐漸增大，工作面推進(jìn)至60m處，當(dāng)推進(jìn)速率分別為3m/d、5m/d、10m/d、15m/d時(shí)，頂板下沉量最大值分別為480mm、415mm、340mm、265mm。工作面推進(jìn)速率為3m/d、5m/d、10m/d分別比15m/d時(shí)頂板下沉量增加了81.1%、56.6%、28.3%。由此可知，當(dāng)工作面推進(jìn)速率增加時(shí)，頂板下沉量減小，有利于控制頂板下沉。

5 結(jié)論

（1）以151302工作面為研究對(duì)象，建立頂板固支梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，得到巖層最大拉應(yīng)力與推進(jìn)速率和時(shí)間成正比，即推進(jìn)速率加快和推進(jìn)時(shí)間變長(zhǎng)（即推進(jìn)距離遠(yuǎn)）都會(huì)導(dǎo)致頂板巖層拉應(yīng)力變大。

（2）分析了推進(jìn)速率與加載速率關(guān)系分析，當(dāng)工作面推進(jìn)速率較慢時(shí)，巖層的黏性作用會(huì)導(dǎo)致頂板斷裂、下沉、垮落，不利于工作面頂板的穩(wěn)定；當(dāng)工作面推進(jìn)速率較快時(shí)，巖層承受的垂直應(yīng)力沒有完全傳遞充分，有利于工作面頂板的穩(wěn)定。

（3）采用FLAC3D模擬151302工作面不同推進(jìn)速率對(duì)頂板巖層運(yùn)動(dòng)的影響。根據(jù)模擬結(jié)果可知，隨著工作面推進(jìn)速率的減小，頂板垂直應(yīng)力和下沉量逐漸增大，不利于工作面保持穩(wěn)定。