回采工作面推進速率對礦壓顯現(xiàn)的影響

郭陽勇

（晉煤集團晟泰公司，山西 晉城 048006）

回采工作面推進速率的加快雖然能增加礦井產量，但會對工作面頂板礦壓、超前支承壓力、塑性區(qū)范圍、動力災害及周期來壓步距等產生較大的影響[1-2]。近年來，眾多學者針對推采速率對礦壓的影響進行了大量的研究，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，研究結果并不適用于每個礦井。因此，本文以151302工作面為研究對象，通過理論分析和數(shù)值模擬得到了推進速率與頂板應力和下沉量間的關系，對相似地質條件礦井防治頂板災害有一定的借鑒意義。

1 工作面概況

晉煤集團古書院礦151302工作面為東翼一盤區(qū)首采工作面，走向長度1428m，傾斜長度180m。工作面主采15#煤層，上距9號煤層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。礦井瓦斯相對涌出量為4.88m3/t.d，礦井絕對瓦斯涌出量為24.65m3/min，屬于低瓦斯礦井。

2 推進速率對礦壓影響

2.1 力學模型建立

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

圖1 頂板巖層力學模型

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-工作面推進距離，m。

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

隨著工作面推進，工作面頂板出現(xiàn)斷裂，在x= 1 /2L處，頂板巖層抗壓能力遠大于抗拉能力，該處下方任意一點為固支梁準斷裂點，取其點位置為z=-12h，則該點拉應力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，推進速率與時間之間的關系為：

將公式（4）帶入（3）可得：

2.2 推進速率對拉應力影響

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

圖2 最大拉應力與推進速率和時間關系曲線

由圖2可知，巖層最大拉應力與推進速率和時間成正比，即推進速率加快和推進時間變長（即推進距離遠）都會導致頂板巖層拉應力增長速度加快，其所承受的拉應力越大。

3 加載速率對礦壓影響

3.1 影響分析

151302工作面回采后會導致應力重新分布，而工作面推采速率的不同會造成應力對圍巖的加載速率有所不同。根據(jù)試驗得到工作面不同加載速率下應力與應變間關系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，在相同加載速率時，隨著應變的增加應力呈先增加后減小趨勢。隨著工作面速率增加，工作面會出現(xiàn)應變增大而應變還處于非常小狀態(tài)下的圍巖強度偽增強現(xiàn)象。

圖3 151302工作面不同加載速率應力與應變曲線

3.2 推進速率與加載速率關系分析

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力與下沉量。工作面推進速率增大，導致頂板巖層抗拉能力越強，頂板的垂直應力和下沉量越小，頂板穩(wěn)定性越好。雖然工作面推進速率增大，頂板巖層穩(wěn)定性越好，但是在一定范圍內，巖體受到的應力仍小于其表現(xiàn)的偽強度。

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

4 推進速率對礦壓影響數(shù)值模擬

4.1 模擬方案

采用FLAC3D模擬151302工作面不同推進速率對頂板巖層運動的影響。根據(jù)工作面地質條件建立90m×50m×50m模型，模擬方案如表1所示。

表1 模型各巖層力學參數(shù)

4.2 模擬結果分析

4.2.1 垂直應力分析

151302工作面回采60m時，沿著傾向在工作面煤壁處和煤壁前10m位置設置監(jiān)測點，監(jiān)測工作面垂直應力。監(jiān)測結果如圖4、圖5所示。

圖4 151302工作面煤層傾向頂板垂直應力曲線

圖5 151302工作面煤層走向頂板垂直應力曲線

由圖4、圖5可知，151302工作面頂板垂直應力曲線呈“拱形”分布。當推進速率不變時，工作面兩側向中間位置工作面垂直應力逐漸增大，當距離煤壁5～10m處頂板垂直應力達到最大值。隨著工作面推進速率的減小，垂直應力逐漸增大，工作面推進至60m處，當推進速率分別為3m/d、5m/d、10m/d、15m/d時，垂直應力最大值分別為18.7MPa、19.7MPa、21.38MPa、22.69MPa。 工 作面推進速率為3m/d、5m/d、10m/d分別比15m/d時頂板垂直應力增加了21.2%、14.2%、5.2%。由此可知，當工作面推進速率增加時，頂板巖層所受的垂直應力減小，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，不同推進速率時工作面頂板下沉量監(jiān)測位移云圖如圖6所示。

圖6 151302工作面不同推進速率頂板位移云圖

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

5 結論

（1）以151302工作面為研究對象，建立頂板固支梁結構力學模型，得到巖層最大拉應力與推進速率和時間成正比，即推進速率加快和推進時間變長（即推進距離遠）都會導致頂板巖層拉應力變大。

（2）分析了推進速率與加載速率關系分析，當工作面推進速率較慢時，巖層的黏性作用會導致頂板斷裂、下沉、垮落，不利于工作面頂板的穩(wěn)定；當工作面推進速率較快時，巖層承受的垂直應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工作面不同推進速率對頂板巖層運動的影響。根據(jù)模擬結果可知，隨著工作面推進速率的減小，頂板垂直應力和下沉量逐漸增大，不利于工作面保持穩(wěn)定。