工作面上覆巖層蠕變活動對支架工作阻力的影響

徐　剛，寧　宇，閆少宏

(1．天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京　100013;2．煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院，北京　100013;3．中國煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京　100013)

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工作面上覆巖層蠕變活動對支架工作阻力的影響

徐剛1，2，寧宇3，閆少宏1

(1．天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013;2．煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院，北京100013;3．中國煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京100013)

摘要:針對工作面推進(jìn)速度對支架工作阻力有較大影響的實際情況，特別是在工作面非生產(chǎn)期間，支架工作阻力并沒有維持不變，而是在緩慢增阻，沒有相關(guān)理論解釋這種現(xiàn)象。對比巖石蠕變曲線和在非生產(chǎn)期間支架工作阻力曲線的相似性，通過巖石蠕變特性和理論模型，分析不同時期(檢修、長時間停產(chǎn))支架工作阻力“蠕變”特性，并以崔木煤礦21305工作面為研究對象，采用西原簡化模型分析了支架阻力與時間的關(guān)系。研究結(jié)果表明:檢修期間和長時間停產(chǎn)期間支架工作阻力與時間關(guān)系符合簡化西原模型蠕變方程，且不同支架間擬合曲線具有較強(qiáng)的一致性，說明工作面非生產(chǎn)期間，頂板蠕變活動是影響支架工作阻力的主要因素之一;擬合曲線相關(guān)度較高，說明通過該理論利用已有數(shù)據(jù)可以較為準(zhǔn)確預(yù)測支架工作阻力(在同一循環(huán)內(nèi))。研究結(jié)果解釋了工作面推進(jìn)速度影響支架工作阻力的原因。

關(guān)鍵詞:支架工作阻力;頂板下沉量;蠕變活動;礦壓顯現(xiàn)

徐剛，寧宇，閆少宏．工作面上覆巖層蠕變活動對支架工作阻力的影響［J］．煤炭學(xué)報，2016，41(6):1354－1359．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1416

Xu Gang，Ning Yu，Yan Shaohong．Effect of overburden strata creep activities on working face support resistance［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1354－1359．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1416

大量的工程實踐表明，在許多情況下，巖石工程的失穩(wěn)和破壞并不是在開挖完成或工程完工后立即發(fā)生的，而是經(jīng)歷了一個長期過程［1－3］。蠕變特性是巖石的一個重要特征，在許多巖石中都發(fā)現(xiàn)了蠕變特征的存在，蠕變被定義為恒定荷載作用下巖石的持續(xù)變形，不同巖石蠕變曲線及特征不同［4］。隨著對工作面礦壓顯現(xiàn)的深入研究，發(fā)現(xiàn)蠕變對其有重要的影響。尹光志教授揭示了平煤集團(tuán)十礦戊9－10煤層頂?shù)装鍘r層的蠕變特性以及由此引起的頂?shù)装迤茐男问剑?］;常西坤分析了上覆巖層蠕變引起的地表下沉，并回歸了地表下沉與時間的關(guān)系式［6］;王金安教授研究了房柱式采空區(qū)頂板因礦柱流變而產(chǎn)生變形，引起頂板內(nèi)拉應(yīng)力的變化，認(rèn)為松弛型伯格斯體較好的反映了支撐礦柱的流變特性，頂板位移是一個關(guān)于時間t的指數(shù)型函數(shù)［7］。

通過現(xiàn)場實測和分析，發(fā)現(xiàn)工作面推進(jìn)速度越快，工作面支架工作阻力越小，礦壓顯現(xiàn)越不強(qiáng)烈［8－12］。以崔木煤礦21305綜放工作面所觀測的20個支架工作阻力統(tǒng)計分析，得出工作面推進(jìn)速度與支架循環(huán)末阻力平均值(20個支架)關(guān)系，如圖1所示，當(dāng)工作面每天推進(jìn)為1～2刀時，工作面支架平均末阻力達(dá)到近15 000 kN，當(dāng)工作面每天推進(jìn)為10刀時，平均末阻力降為12 500 kN。工作面上覆巖層形成的“砌體梁”靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型和關(guān)鍵層等傳統(tǒng)理論無法解釋該現(xiàn)象，本文引入蠕變理論和模型分析工作面支架工作阻力隨時間變化的關(guān)系。

圖1　工作面推進(jìn)速度與工作阻力關(guān)系Fig.1　Relationship between advance velocity of working face and support working resistance

1　上覆巖層活動與支架工作阻力的關(guān)系

工作面開挖后較短時間內(nèi)會引起工作面頂板及上覆巖層相對劇烈活動(包括斷裂、垮落、失穩(wěn)等)，這個階段為頂板劇烈活動階段，該階段引起的支架工作阻力變化，稱為支架工作阻力劇烈變化階段。經(jīng)過劇烈活動后形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)(如砌體梁結(jié)構(gòu)、鉸接結(jié)構(gòu)等)［13－15］由于巖石蠕變特性，在上覆巖層載荷和自重作用下會發(fā)生蠕變變形，致使形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)生緩慢的下沉、旋轉(zhuǎn)、擠壓、壓縮等活動，該階段稱為蠕變活動階段，這類緩慢的活動導(dǎo)致的支架工作阻力發(fā)生相對緩慢增阻稱為支架工作阻力蠕變階段。無論在哪個階段，支架工作阻力增加(安全閥開啟前)惟一原因是頂板下沉，其兩者關(guān)系為

式中，P為支架工作阻力，N;Kz為支架剛度;Pa/m;z為頂板下沉量，m;S為支架控頂面積，m2。

對于正在推進(jìn)的工作面，一般情況下，支架控頂區(qū)和煤壁前方基本頂及上覆巖層不會斷裂，如圖2所示，煤壁前方和工作面上方的基本頂為無限長彈性基礎(chǔ)連續(xù)巖板。工作面前方基本頂以直接頂—煤層(未開采)—底板為彈性基礎(chǔ)半無限長連續(xù)板，工作面支架上方基本頂以直接頂—頂煤—支架—底板為彈性基礎(chǔ)的半無限連續(xù)板。根據(jù)Winkler關(guān)于地基理論分析，建立彈性基礎(chǔ)板力學(xué)關(guān)系，工作面控頂區(qū)頂板下沉量計算公式［16－17］為

式中，E為基本頂彈性模量，Pa;J為頂板慣性矩，m4; pz為作用在頂板上的力，Pa;K為控頂區(qū)系統(tǒng)剛度，Pa/m;km為煤壁前方系統(tǒng)剛度，Pa/m;x為距離煤壁距離，m。

圖2　綜放工作面彈性基礎(chǔ)板力學(xué)系統(tǒng)模型Fig.2　Elastic foundation plate mechanical model

根據(jù)巖石蠕變理論知，巖石蠕變改進(jìn)的西原模型符合公式［18］:式中，E1，E2為巖石彈性模量，Pa;η1為黏性系數(shù);ε為應(yīng)變;σ為應(yīng)力;t為時間。

式(2)為工作面開采后頂板下沉量計算公式，為靜態(tài)值，實際工作面頂板下沉量隨著時間是變化的，因此，現(xiàn)把整個支架上方頂板看成為一個宏觀巖體，認(rèn)為該宏觀巖體符合改進(jìn)的西原模型，把式(3)相應(yīng)單個巖塊力學(xué)參數(shù)替換為宏觀頂板巖體力學(xué)參數(shù)，其宏觀頂板下沉量蠕變方程為

式中，E'1，E'2為宏觀頂板巖體彈性模量;η'1為宏觀頂板巖體黏性系數(shù);z(t)為頂板下沉量，其他參數(shù)同上。

把式(4)代入式(5)中，再令

蠕變階段支架工作阻力公式簡化為

2　P－T曲線與巖石蠕變曲線相似性

在上節(jié)分析中，假設(shè)了西原模型符合支架工作阻力蠕變階段的蠕變特性，并簡化了蠕變模型?，F(xiàn)通過支架工作阻力曲線(P－T曲線)與巖石蠕變對比，分析上述假設(shè)的正確性。

圖3為典型的P－T曲線，該曲線主要反映工作面支架工作阻力隨時間變化規(guī)律及特征。支架增阻主要是由于頂板下沉形成的，且與頂板下沉量成正比，如式(1)所示，支架增阻量實際是反應(yīng)了宏觀頂板巖體下沉量的大小。支架工作阻力總增阻量ΔP(末阻力與初撐力之差)由3個階段構(gòu)成，分別為采煤機(jī)割煤后增大控頂面積以及擾動頂板活動(包括頂板斷裂、失穩(wěn)等)形成的增阻，和由于鄰架移架導(dǎo)致的頂板壓力轉(zhuǎn)移至本架形成的增阻ΔP3，以及沒有生產(chǎn)和移架導(dǎo)致的增阻ΔP2。ΔP2與ΔP1，ΔP3相比，增阻更為緩慢且持續(xù)時間較長，有時在工作面非生產(chǎn)期間(如檢修、停產(chǎn)期間)ΔP2在占總增阻ΔP達(dá)到了70%以上，如圖4所示，崔木煤礦21305工作面停產(chǎn)期間(10 d)支架工作阻力從10 000 kN增至16 000 kN。

圖5為砂巖在不同應(yīng)力下應(yīng)變隨時間的變化曲線，在開始時應(yīng)變變化較快，隨著時間的延長應(yīng)變速度有所緩和，到100 h后應(yīng)變非常緩慢，但變形一直在持續(xù)。通過圖3，4與5對比可知，3者有較好的相似性:①曲線形狀較為類似，符合指數(shù)函數(shù)，圖3和4支架工作阻力曲線縱坐標(biāo)為載荷，圖5為不同應(yīng)力下的蠕變曲線縱坐標(biāo)為應(yīng)變，雖縱坐標(biāo)不同，但代表意義相同，因支架工作阻力變化主要是由于頂板下沉引起的，且成線性關(guān)系;②在初始應(yīng)變(工作阻力)時變化速率較快;③經(jīng)過一段時間后，應(yīng)變(工作阻力)在沒有其它外在條件變化的情況下，還持續(xù)在增大，只是變化速率有所減慢。因此，采用蠕變理論分析由于頂板蠕變活動引起的支架工作阻力蠕變特性可行的。

圖3　典型支架P－T曲線Fig.3　Typical support P－T curve

圖4　停產(chǎn)期間P－T曲線Fig.4　P－T curve during production period

圖5　砂巖在不同應(yīng)力下的蠕變曲線Fig.5　Sandstone creep curves at different stress

3　支架工作阻力蠕變曲線

崔木煤礦21305綜放工作面開采侏羅系中統(tǒng)延安組3號煤層，埋深在400～500 m，煤層厚度6～34.20 m，平均厚度為16.89 m，賦存較為穩(wěn)定，煤層傾角為1°～14°，平均傾角6°。煤層頂板多為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖、細(xì)中粒砂巖，最大厚度12.76 m，局部有0.20～1.00 m的炭質(zhì)泥巖偽頂。工作面長度為200 m，支架工作阻力為15 000 kN?，F(xiàn)以崔木煤礦21305綜放工作面支架工作阻力為例，分析頂板蠕變活動引起的支架工作阻力蠕變特征。

由于正常生產(chǎn)期間，每個循環(huán)時間約為1 h，主要處于支架工作阻力劇烈變化階段，蠕變特性不明顯?，F(xiàn)主要分析在檢修期間和長時間停產(chǎn)期間由于上覆巖層蠕變活動，導(dǎo)致的支架工作阻力蠕變與時間的關(guān)系。

檢修期間選取了21305工作面13號支架4個不同循環(huán)為研究對象，在去除約100 min頂板強(qiáng)烈活動階段影響后，擬合曲線和蠕變模型參數(shù)如圖6和表1所示。長時間停產(chǎn)期間選取了21305工作面春節(jié)停產(chǎn)期間(2015－02－15—2015－02－23)4個支架各1個循環(huán)為研究對象，在去除約1～5 h前期頂板活動影響和安全閥開啟期間(支架工作阻力基本不變化，無法分析)影響，擬合曲線和蠕變模型參數(shù)，如圖7和表2所示。

圖6　檢修期間支架工作阻力蠕變擬合曲線Fig.6　Support working resistance creep fitting curves during maintenance period

表1　檢修期間支架工作阻力蠕變函數(shù)Table 1　Support working resistance creep functions of maintenance classes

表2　停產(chǎn)期間支架工作阻力蠕變函數(shù)Table 2　Support working resistance creep functions during off production period

從以上可以看出，①擬合曲線相關(guān)度較高，相關(guān)性R2最小為0.815，最大為0.949，檢修和停產(chǎn)期間支架工作阻力符合蠕變理論西原簡化模型。②擬合后西原模型中的B，C值比較穩(wěn)定，說明在同一時期覆巖蠕變活動具有一致性。檢修期間B在1 772～2 711，C值有 3個循環(huán)為 0.001，第 4個循環(huán)為0.000 61;長時間停產(chǎn)期間9號和44號支架C值為0.007，25號和75號支架C值為0.009。③ 每個循環(huán)的斜率都為減函數(shù)，表明隨著時間延長增阻速率越來越小，與巖石蠕變模型一致。④ 式(6)中的A意義為初撐力P0，BeCt表示增阻量。

圖7　停產(chǎn)期間支架工作阻力蠕變擬合曲線Fig.7　Support working resistance creep fitting curves during off production period

4結(jié)　　論

(1)支架工作阻力增阻由頂板劇烈活動和蠕變活動引起，在非生產(chǎn)期間支架工作阻力曲線與巖石蠕變曲線具有良好的相似性。

(2)頂板及上覆巖層形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)在上覆巖層載荷和自重作用下會發(fā)生蠕變變形，引起穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)生緩慢的下沉、旋轉(zhuǎn)、擠壓、壓縮等活動。

(3)檢修和停產(chǎn)期間支架工作阻力符合蠕變理論西原簡化模型，擬合曲線相關(guān)度較高，相關(guān)性R2最小為0.815，最大為0.949。

(4)在同一時期或階段頂板覆巖蠕變活動具有一致性，該理論很好的解釋了工作面推進(jìn)速度與支架工作阻力成反比的關(guān)系。

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中圖分類號:TD323

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1354－06

收稿日期:2015－09－25修回日期:2015－11－25責(zé)任編輯:常琛

基金項目:國家自然科學(xué)青年基金資助項目(51304115，51174106)

作者簡介:徐剛(1979—)，男，內(nèi)蒙古商都人，副研究員，博士研究生。E－mail:xugang@tdkcsj．com

Effect of overburden strata creep activities on working face support resistance

XU Gang1，2，NING Yu3，YAN Shao-hong1
(1．Coal Mining＆Design Department，Tiandi Science and Technology Co．，Ltd．，Beijing100013，China;2．Coal Mining＆Design Branch，China Coal Research Institute，Beijing100013，China;3．China Coal Technology and Engineering Co．，Ltd．，Beijing100013，China)

Abstract:According to the influence of advance speed of working face on support working resistance，especially during the non-productive period of working face，support working resistance does not remain unchanged，but slowly increases．Currently there has been no theory to explain this phenomenon．Based on the creep characteristics and theoretical models of rock，and by contrasting the similarity of creep curve of rock and support working resistance curve during the non-productive period，this paper analyzed the support working resistance“creep”characteristics at different stages (production，maintenance，long-time off production)．By studying No．21305 working face in Cuimu Mine，China，the paper also fitted the relationship between support working resistance and time．It indicates that the creep equations and fitting curves of Nishihara simplified model have a strong consistency during the period of maintenance and long-time off production．This indicates that if off production time is longer，the influence of roof creep activities on support working resistance is more obvious．Fitting curve correlation is relatively high．By using existing data，this theory can accurately predict future support working resistance(in the same circle)．The results explained the influence of working face advance velocity on support working resistance．

Key words:support working resistance;roof sinkage value;creep activities;mine strata pressure behavior