厚煤層采煤工作面推進(jìn)速度與礦壓顯現(xiàn)關(guān)系研究

馮 偉

(汾西礦業(yè)集團(tuán)公司，山西 介休 032000)

提高回采工作面推進(jìn)速度可以在一定程度提升礦井煤炭產(chǎn)生及經(jīng)濟(jì)效益，然而在一定條件下隨著回采速度的增加，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度會(huì)更為明顯，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)礦壓災(zāi)害[1～2]。因此，有必要對(duì)回采工作面推進(jìn)速度與礦壓顯現(xiàn)特征間關(guān)系進(jìn)行研究，合理確定采面回采速度。部分學(xué)者已經(jīng)對(duì)回采工作面推進(jìn)速度對(duì)礦壓顯現(xiàn)造成的影響進(jìn)行研究[3～6]，其中金成龍等用現(xiàn)場實(shí)測(cè)方法對(duì)回采工作面不同推進(jìn)速度下的超前支承壓力分布、變化情況進(jìn)行實(shí)測(cè)分析；陳通對(duì)回采工作面礦壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并給出采面推進(jìn)速度與采面頂板周期來壓間的本構(gòu)模型；部分學(xué)者用UDEC軟件對(duì)采面回采速度與覆巖頂板破壞深度間關(guān)系進(jìn)行研究。但是對(duì)于厚煤層開采時(shí)的采面推進(jìn)速度與礦壓顯現(xiàn)的關(guān)系研究方面內(nèi)容較少。本文就對(duì)厚煤層開采時(shí)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

山西某礦8306采面開采的3號(hào)煤層埋深450m，厚度平均13.6m，傾角在2～5°，接頂為砂質(zhì)泥巖、老頂為粗砂巖。8306采面設(shè)計(jì)回采距離1756.5m，斜長195m，采用綜放開采方式，采高為3.9m，采放比為1∶2.49，推進(jìn)速度為4.8m/d。8606采面與8306采面位于同一地單元內(nèi)，煤層賦存以及開采工藝一致，為了提升礦井煤炭產(chǎn)量，采面推進(jìn)速度為6.4m/d。

由于回采工作面開采過程中礦壓顯現(xiàn)明顯，在8306采面礦壓顯現(xiàn)主要表現(xiàn)為采面液壓支架工作阻力增加明顯、立柱損壞、安全閥頻繁開啟、頂板下沉量較大、回采巷道底鼓及煤壁片幫嚴(yán)重。

2 采面推進(jìn)速度與礦壓顯現(xiàn)模擬分析

根據(jù)8306采面地質(zhì)資料，采用FLAC3D軟件構(gòu)面模擬模型(長×寬×高=400m×200m×130m)，對(duì)采面開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行分析。

2.1 走向應(yīng)力分布

隨著回采工作面推進(jìn)速度的增加，3號(hào)煤層上覆巖層應(yīng)力減低區(qū)范圍及高度不斷增加，采面前方超前支承壓力影響范圍以及應(yīng)力集中程度更為明顯。隨著采面推進(jìn)速度的增加，采面覆巖受擾動(dòng)范圍加大，覆巖移動(dòng)造成的礦壓顯現(xiàn)也更為明顯。

圖1 走向方向采面推進(jìn)速度與支承壓力峰值變化關(guān)系

從圖1可以看出，隨8306采面開采推進(jìn)速度增加，采面開采引起的超前支承壓力呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，同時(shí)回采工作面推進(jìn)至200m位置時(shí)，超前支承壓力最大。從圖4可以看出，隨著采面推進(jìn)速度的增加，開采引起的超前支承壓力峰值有所增加且峰值位置與采面距離縮短。當(dāng)回采工作面推進(jìn)至200m位置且采面保持8m/d推進(jìn)速度時(shí)，超前支承壓力峰值為23.5MPa，距煤壁距離為8.2m；當(dāng)采面推進(jìn)速度為6.4m/d時(shí)，支承壓力峰值在23.2MPa,與煤壁距離在11.8m；采面推進(jìn)速度降低至4.8m/d時(shí)，支承壓力峰值在22.6MPa,與煤壁聚聚增加至14m。礦井8606采面現(xiàn)推進(jìn)速度為6.4m/d，在滿足礦井生產(chǎn)需要前提下，適當(dāng)?shù)慕档屯七M(jìn)速度可以在一定程度上減少采面前方支承壓力強(qiáng)度，降低礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。

2.2 傾向應(yīng)力分布

從圖2可以看出，在相同的推進(jìn)距離，隨著采面推進(jìn)速度加大，采面兩側(cè)位置處的壓力峰值更大，應(yīng)力集中更為明顯。當(dāng)采面推進(jìn)至200m位置時(shí)，回采速度為4.8m/d、6.4m/d、8.0m/d時(shí)采面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ逯捣謩e為14.3MPa、17.2MPa及18.3MP。沿著采面傾斜方向上，支承壓力分布呈拱形分布，具體的壓力拱分布高度隨著回采工作面推進(jìn)速度增加而加大，在壓力拱拱腳處壓力值也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

圖2 傾向方向采面推進(jìn)速度與支承壓力峰值變化關(guān)系

從數(shù)值模擬結(jié)果看出，隨著采面推進(jìn)速度增加，開采引起的超前支承壓力峰值也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，應(yīng)力峰值位置與采面間距縮小，采面礦壓顯現(xiàn)更為明顯；采面推進(jìn)速度越快，在傾斜方向上形成的壓力拱范圍越大，回采工作面液壓支架受到的壓力越大。因此，當(dāng)回采工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較大時(shí)，適當(dāng)?shù)慕档突夭晒ぷ髅嫱七M(jìn)速度，可以在一定程度上降低液壓支架受力及采面來壓強(qiáng)度，降低回采巷道超前支護(hù)壓力。

3 采面不同推進(jìn)速度周期來壓分析

8306采面與8606采面位于同一地質(zhì)單元內(nèi)，采用的采煤工藝一致，前者推進(jìn)速度為4.8m/d，后者推進(jìn)速度為6.4m/d。通過監(jiān)測(cè)采面液壓支架工作阻力，來分析回采工作面不同推進(jìn)速度對(duì)采面周期來壓影響。具體8306采面與8606采面開采時(shí)液壓支架支承阻力變化情況見圖3。

圖3 采面周期來壓情況

從圖看出，由于8306采面推進(jìn)速度相對(duì)較慢，采面周期來壓步距及來壓強(qiáng)度均較低，8606采面推進(jìn)速度相對(duì)較快，采面周期來壓步距及來壓強(qiáng)度均有所增加，兩個(gè)回采工作面周期來壓顯現(xiàn)特征有顯著的差異。

對(duì)兩個(gè)回采工作面周期來壓情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，8306采面在6.4m/d推進(jìn)時(shí)，周期來壓步距平均為18.1m，來壓持續(xù)長度平均1.64m，動(dòng)載系數(shù)平均1.53。從統(tǒng)計(jì)的17次周期來壓發(fā)現(xiàn)，其中的4次周期來壓強(qiáng)度較大，其余的13次周期來壓強(qiáng)度中等，強(qiáng)來壓占到總來壓次數(shù)比率為30.7%。8606采面在6.4m/d推進(jìn)時(shí)，周期來壓步距平均為21.39m，來壓持續(xù)長度平均2.93m，動(dòng)載系數(shù)平均1.85。從統(tǒng)計(jì)的12次周期來壓發(fā)現(xiàn)，其中的8次周期來壓強(qiáng)度較大，其余的13次周期來壓強(qiáng)度中等，強(qiáng)來壓占到總來壓次數(shù)比率為66.67%。

從現(xiàn)場實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著回采工作推進(jìn)速度增加，采面周期來壓步距、來壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，來壓持續(xù)范圍以及動(dòng)載系數(shù)也隨之加大，采面開采時(shí)礦壓顯示更為顯著。提升采面推進(jìn)速度不僅不能實(shí)現(xiàn)甩壓，反而會(huì)增加采面礦壓來壓強(qiáng)度，加劇礦壓顯現(xiàn)對(duì)回采工作面影響?；夭晒ぷ髅嬖谡ｉ_采期間(未周期來壓時(shí))，由于頂煤未能與回采支架充分作用，導(dǎo)致支架工作阻力偏低，采面周期來壓時(shí)由于支架受到頂板壓力增加，導(dǎo)致支架受到的動(dòng)載系數(shù)加大。

4 總結(jié)

(1)厚煤層綜放開采時(shí)，隨著回采工作面推進(jìn)速度增加，采面前方超前支承壓力峰值以及影響范圍均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，支承壓力峰值與煤壁間距縮小，支架受力增加，采面礦壓顯現(xiàn)加劇。

(2)提升采面推進(jìn)速度不僅不能實(shí)現(xiàn)甩壓，反而會(huì)增加采面礦壓來壓強(qiáng)度，加劇礦壓顯現(xiàn)對(duì)回采工作面影響。

(3)礦井在開采3號(hào)煤層時(shí)，采面圍巖應(yīng)力較大，礦壓顯現(xiàn)明顯，采動(dòng)覆巖移動(dòng)活躍與回采工作面推進(jìn)速度較快密切相關(guān)。適當(dāng)降低回采工作面推進(jìn)速度可以改善采面開采時(shí)的圍巖受力環(huán)境，降低礦壓顯現(xiàn)對(duì)采面開采影響。