推進(jìn)速度對回采巷道穩(wěn)定性的影響淺析

岳亮

摘? 要：近年來，隨著采礦工業(yè)的不斷開展，先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)的運(yùn)用不斷增加，礦井作業(yè)也逐漸向集約化發(fā)展，巷道穩(wěn)定與開采效率、質(zhì)量、安全緊密聯(lián)系。文章將通過對計(jì)算推采速度對工作面頂板應(yīng)力、變形下沉的影響分析，進(jìn)行數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測，探究推采速度對巷道穩(wěn)定性的影響，幫助采礦作業(yè)團(tuán)隊(duì)確定最佳推采速度，為行業(yè)作業(yè)提供參考和啟示。

關(guān)鍵詞：市政工程? 管理? 必要性? 存在問題? 對策

中圖分類號：TD322.4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（b）-0055-02

1? 推進(jìn)速度對回采巷道穩(wěn)定性影響分析的必要性

現(xiàn)代采礦業(yè)的發(fā)展下，集約化采礦、現(xiàn)代化采礦、自動(dòng)化生產(chǎn)已成為煤礦開采的重要方式，生產(chǎn)過程中會積極推進(jìn)推采速度，以提高生產(chǎn)效率。然而，具體實(shí)施過程中，提高工作面的推采速度可以使得周期的來壓力步距增加，降低來壓次數(shù)，減輕周期來壓對開采帶帶來的危害，助力巷道穩(wěn)定，同時(shí)，推采速度的加快，需工作面四周的圍巖應(yīng)力更加集中，能量更加集聚，加大了工作面及周圍的沖擊危險(xiǎn)，所以，為了降低危險(xiǎn)，預(yù)防和建設(shè)安全事故的發(fā)生，對推采速度和沖擊危險(xiǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究，將危險(xiǎn)系數(shù)控制在一定范圍內(nèi)，對整個(gè)煤礦生產(chǎn)作業(yè)十分重要。

2? 推采速度對巷道穩(wěn)定性的影響

推采速度對巷道穩(wěn)定性的影響是從多方面分析的。

（1）推采速度對工作面頂板的影響。

推采速度不同，工作面頂板承受的應(yīng)力不用，圍巖四周集聚的能量也不同，應(yīng)對頂板的垂直應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為：

（式（1）中：σ為工作面前方煤比頂板的垂直應(yīng)力;K為頂板支撐壓力的最大值與原巖應(yīng)力的比值;ρ為頂板巖層的平均密度;g為重力加速度;H為工作面煤層的平均埋深;f為巖層間的平均摩擦系數(shù);h為工作面煤層的厚度;λ為工作面測壓系數(shù);x為工作面煤壁與支承壓力峰值之間的距離。）

由公式（1）可知，當(dāng)工作面回采的一般參數(shù)確定了以后，影響工作面前方煤壁頂板垂直應(yīng)力的主要因素就是推采速度，應(yīng)對推采速度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為：

（式（2）中，σ、x、h的涵義與（1）公式相同;L為工作面傾斜長度;v為工作面的推采速度;a、ε0、m1、η、E0、E1都是常數(shù)，需由試驗(yàn)獲得）

由公式（2）可知，當(dāng)煤層厚度、工作面傾斜長度等相關(guān)參數(shù)一定時(shí)，工作面的推采速度v是影響工作面前方煤壁頂板垂直應(yīng)力的主要因素，并且這種相應(yīng)呈正相關(guān)，推采速度越大，垂直應(yīng)力越大。

（2）推采速度對工作面頂板變形下沉的影響。

工作面下沉與推采速度也有關(guān)系，可通過工作面結(jié)構(gòu)參數(shù)限定，確定埋深一定的情況下計(jì)算得出，計(jì)算公式為：

（式（3）中，g、H、v、x代表的涵義與（1）（2）公式里的相同;W為工作面下沉量;Rρ為巖層平均抗拉強(qiáng)度;Pρ為工作面頂板平均密度）

由公式（3）得知，工作面頂板的變形下沉壓力與推采速度v有關(guān)系，推采速度越大，工作面頂板下沉速度越快，變形量越大。

如果將（2）（3）公式表示為函數(shù)圖，那么兩條曲線的交叉點(diǎn)，就是采礦工作面合理的推采速度。

3? 數(shù)值模擬

根據(jù)以上公式的計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬。巷道一次開挖后立即支護(hù)，監(jiān)測回采巷道的頂?shù)装迮c兩邊的變形量。文章選取某次采礦工程的某個(gè)工作面進(jìn)行簡要說明。

3.1 工作面概況

工作面位于3上煤層，平均煤層厚度為5m，西低東高，是近水煤層，煤層是黑色，兩側(cè)為氣肥煤、中部為氣煤，基本頂層巖性為砂質(zhì)巖泥，巖層平均厚度為5m，夾層有灰白細(xì)砂巖，平均厚度12m，直接底巖性為細(xì)粒砂巖，平均厚度為12m，基本底為3下煤層，整體平均煤層厚度為4m。

3.2 建立模型

根據(jù)開采工作面的基本地質(zhì)情況，使用FLAC3D對深部煤層的采動(dòng)影響下頂板的應(yīng)力分布和位移情況進(jìn)行模擬。利用x、y、z這3個(gè)方向建立320m、290m、152m的三維坐標(biāo)，豎向均布荷載為15.00MPa，已知支護(hù)參數(shù)選取已確定，在結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件，假定工作面為50m，設(shè)計(jì)3種推采方案：（1）每天工作面推采5m，10d推采至設(shè)計(jì)的回采位置;（2）每天工作面推采10m，5d推采至設(shè)計(jì)的回采位置;（3）每天工作面推采15m，3d推采至設(shè)計(jì)的回采位置。這3種推采方案，推采的速度是階梯狀遞增的，推進(jìn)過程中，觀察工作面的垂直應(yīng)力變化及巷道圍巖的位移變化。

3.3 結(jié)果

（1）應(yīng)力變化：根據(jù)FLAC3D呈現(xiàn)的垂直應(yīng)力云圖，可分析出以下結(jié)果：當(dāng)工作面的推采速度為5m/d、10m/d、15m/d時(shí)，前方頂板的最大應(yīng)力分別為39.70MPa、42.43MPa、45.03MPa，工作面壁到應(yīng)力最大值的距離分別為11m、8m、6m，應(yīng)力分布的范圍隨推采速度的加大而加大，工作前方的頂板應(yīng)力最大值增大，相應(yīng)的頂板最大值之間的距離會減小，也就是說，應(yīng)力的集中程度增大了。

（2）位移對比：根據(jù)FLAC3D導(dǎo)出的巷道圍巖位移云圖，可看出，在3種方案3種推采速度下，巷道的圍巖位移有以下特點(diǎn)：當(dāng)推采速度為5m/d、10m/d、15m/d時(shí)，工作面前方巷道頂板下沉量分別為63.52mm、60.43mm、56.37mm，巷道出現(xiàn)的變形范圍為12.5范圍內(nèi)、9.7m范圍內(nèi)、7.8m范圍內(nèi)，分析規(guī)律可得出，工作面前方頂板下沉量隨推采速度的降低而增大，頂板下沉分布范圍隨時(shí)間的增加而增加，也就是說，推采速度減小，下沉范圍增大，回采持續(xù)的時(shí)間就比較長，下沉量越大，變形范圍越廣。

4? 現(xiàn)場觀測

通過FLAC3D軟件的數(shù)值模擬以及相關(guān)結(jié)果的分析，可以得出該工程的最佳推采速度是10m/d，為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果，應(yīng)對工作面煤壁的前方巷道的支承應(yīng)力、表位位移情況進(jìn)行現(xiàn)場觀測與分析。

（1）支承應(yīng)力：通過觀察，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)前方巷道超前支承的應(yīng)力最大值為33.7MPa、39.7MPa、45.6MPa時(shí)，超前支承的應(yīng)力最大值與工作面煤壁的距離為17.5m、12.3m、7.0m，當(dāng)推采速度為15m/d時(shí)，前方巷道的支撐應(yīng)力最集中，最大值與煤壁的距離最近，也就是說，現(xiàn)場觀察結(jié)果與FLAC3D數(shù)值模擬的結(jié)果一致。

（2）表面位移：根據(jù)現(xiàn)場觀察，得知該工程工作面的巷道的頂板下沉量為280mm、195mm、98mm。工作面的下沉量與推采速度呈反比，頂板下沉分布范圍隨時(shí)間的增加而增加，換句話說，推采的速度越小，回采時(shí)間越長，下沉量越大，分布范圍越廣。

5? 結(jié)語

現(xiàn)代的煤礦開采，大多使用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行集約化作業(yè)，開采的推進(jìn)速度與工作面的垂直應(yīng)力、頂板下沉量有關(guān)，通過公式計(jì)算確定各類參數(shù)，利用FLAC3D設(shè)計(jì)不同的開采方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，再結(jié)合現(xiàn)場觀察分析驗(yàn)證，可以以有效的確定推采的最佳速度，提高采礦工作面的工作效率，減少巷道變形，保障開采安全，促進(jìn)煤礦開采工作的順利安全高效進(jìn)行。

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