推进速度对薄基岩工作面提高回采上限的影响

2014-09-15刘宜平

采矿与岩层控制工程学报 2014年5期

关键词：机尾基岩顶板

刘宜平

(皖北煤电集团有限责任公司任楼煤矿，安徽淮北 235123)

推进速度对薄基岩工作面提高回采上限的影响

刘宜平

(皖北煤电集团有限责任公司任楼煤矿，安徽淮北 235123)

通过实测、理论分析等手段，就任楼煤矿首个提高回采上限工作面的推进速度对该面矿压显现、涌水量变化及地表长观孔水位变化的影响进行了研究。结果表明，推进速度较快时，工作面来压步距明显增大，动载系数、支架载荷、来压持续长度等变化不大。推进速度越均衡，回采对顶板的破坏程度越小，出现冒顶、漏矸等显现减少，工作面涌水量和出水范围减小，而对应的地表长观孔水位变化相对平稳。针对提高回采上限的薄基岩工作面，提出均衡推进的措施，同时加强顶板支护管理，避免漏冒，以实现提高开采上限薄基岩工作面的安全回采。

推进速度；薄基岩；提高回采上限；关键层

InfluenceofMiningSpeedonMiningFaceunderThinBasementRock

煤矿回采工作面推进速度的变化对采场矿压及围岩应力变化的影响已经开展了大量的研究：王晓振[1]等就浅埋条件高速推进对矿压显现的影响进行了研究，得出了神东矿区高速开采模式下的特有规律；王金安[2]定性提出了适当提高综放开采推进速度有利于工作面管理和安全生产；谢广祥[3]认为适当提高推进速度，有利于巷道维护与保持巷道稳定性；张学会[4]等通过现场实测，认为随着推进速度的增加，工作面来压步距和支架工作阻力会变大，煤壁片帮率会突增；刘全明[5]利用数值模拟手段对浅埋条件下工作面矿压显现的推进速度效应进行了分析，发现工作面超前支承压力、应力峰值、应力大小及支架工作阻力随着工作面推进速度的增加而呈减小趋势；马海峰[6]分析了工作面在慢速和快速推进情况下工作面前方煤体应力分布和变化规律，认为适当加快工作面推进速度，有利于保持巷道的稳定性和改善巷道维护状态；陈通[7]等通过实测得出，推进速度加快后周期来压步距加大，认为推进加快可以减少来压次数，对生产有利。那么在含水层下提高回采上限开采区域内，基岩较薄且受含水层影响，工作面推进速度的差异会对薄基岩工作面的回采产生怎样的影响，是尚未研究的问题。针对松散承压含水层下提高回采上限的工作面推进度差异对矿压、工作面涌水及含水层水位的变化进行研究，为后期同类条件工作面在顶板控制、防治水等方面提供参考和借鉴。

1 工作面基本开采情况

7240(上)工作面为任楼煤矿提高回采上限的首个防砂工作面，回采原来留设防水煤柱。该工作面分为南北两段，7240(上)南工作面面长75m，走向长约570m，煤层倾角16°，采高平均2.6m。工作面共53架型号为ZY6000/18.5/38的掩护式支架。回风巷基岩厚度20.2～24.5m，运输巷基岩厚度39.6～51.2m。

7240(上)南工作面自2012年5月10日试采以来，至7月18日，运输巷累计推进132.6m，回风巷累计推进130.9m。在初采阶段，因工作面来压、顶板出水、机尾歪架等问题，推进度差异较大，结果见图1，主要包括3个阶段：

图1 工作面平面图(部分)

第Ⅰ阶段 2012年5月10日至2012年6月8日，共计30d，机巷累计推进长度66.4m，平均日推进2.21m。

第Ⅱ阶段 2012年6月9日至2012年6月21日，共计13d，机巷累计推进长度13.1m，平均日推进1m。因机尾50～53号支架向回风巷倾斜，工作面上部支架下沉严重，导致机尾无法正常推进，整个工作面推进度减慢。

第Ⅲ阶段 2012年6月22日至2012年7月18日，共计27d，机巷累计推进长度55.7m，平均日推进2.06m。工作面机尾支架歪斜问题处理完毕，开始正常均衡平推，日进4刀，合2.4m。

虽然第Ⅰ阶段和第Ⅲ阶段工作面平均日推进速度差别不大，但是从图2所示的单日推进情况来看，这两个阶段均匀推进的程度不同。

图2 7240(上)南工作面日推进度情况

第Ⅰ阶段工作面出现过2次较大的出水现象，导致推进速度减慢，甚至停采。总计30d的回采期间，工作面推进度受顶板压力、出水、机电事故的影响，正常回采只有17d。该阶段工作面机头、机尾推进度差异较大，不均衡推进情况显著。初次来压之前至5月14日，机头推进很快，机尾较慢。5月15日至5月28日，工作面机尾出现过较大出水现象，为尽快推过出水区域，连续甩采机尾，机尾推进度明显大于机头推进度。5月29日至6月8日，为了下调运输机，又集中甩采机头，加之机尾50，51架出水影响，机头推进度较大。

为了反映上述3个阶段的不同开采情况，以机头的单日推进度为主，运用均方差和不均衡系数两个概念对推进速度是否均匀的差异进行评价，其中不均衡系数为单日最大推进度与平均推进度的比值，以反映不均衡性，当该比值大于2时，认为在此工作面条件下属于不均衡的推进。不同阶段的统计结果如表1所示，可以看出第Ⅰ阶段、第Ⅱ阶段的开采不均衡性明显大于第Ⅲ阶段。

表1 7240(上)南工作面推进不均衡性分析

2 不同推进度下的工作面来压、涌水特征

工作面3个阶段的推进度主要差异在于：第I阶段推进速度不均衡，忽快忽慢，甚至停采；第II阶段整体较慢，中途有停采；第III阶段平均日推进与第I阶段接近，但整体推进均衡，日推进长度差异不大。不同的推进度，对工作面周期来压及涌水特征产生一定的影响。

2.1 工作面矿压显现特征

在工作面不均衡推进的情况下，工作面来压规律性不强，虽然也存在周期来压现象，但是从5月15日至6月20日的周期来压中，支架阻力有时较大，接近6000kN，有时较小，刚超过5000kN，且来压步距差异较大，较小时为8～9m，较大时约为20m，步距变化差异较大。说明受不均衡推进的影响，顶板破断规律性减弱。

在工作面以均衡速度推进，在周期来压时，支架阻力基本上都接近6000kN，来压步距虽然也存在差异，但是较第I段来说差异明显减小，且来压步距整体上有增大趋势。说明在均衡推进的情况下，顶板受局部应力集中式破坏现象减小，破断规律明显。表2对3个阶段的来压特征进行了统计。

表2 来压特征的对比

2.2 工作面涌水特征

对不同阶段工作面涌水量变化进行了统计，见图3。

在第I阶段，由于种种原因，频繁甩采机头或机尾，导致工作面两端经常处于一种不规则的折线状态，影响整体推进且造成机头、机尾局部的应力集中，同时可能导致顶板破碎严重，支护、管理难度加大，且顶板条件极易恶化。在顶板受不均衡采动影响下，机尾顶板漏冒现象频繁，一旦工作面来压，极易造成顶板大量出水。根据现场实测情况，该阶段工作面涌水现象还存在2个明显特点：一旦工作面出水，淋水范围均较大，基本上整个工作面均存在淋、滴水现象，尤其以中上部明显；每次出水持续时间均较长，工作面基本上一直都有或多或少的淋水现象，并一直持续至下一次工作面出水，稳定后的水量也在10m3/h左右。上述2个特点说明在不均衡推进情况下，顶板破碎、不稳定程度严重，尤其是出水明显的机尾段。

在第II阶段，支架发生歪斜阶段，工作面推进缓慢，机尾顶板破碎程度严重，且存在漏顶现象。工作面处理歪架期间，发生过明显的出水现象，水量25m3/h。

在第III阶段，歪架问题处理完毕后，工作面恢复正常推进，以均衡平推为主。在此期间，工作面发生过2次出水现象，出水点主要集中在工作面下部，出水量较第I阶段来说明显减小，淋水范围也不大，均在20架范围内，没有出现整个工作面均淋水的情况。出水持续时间短，淋水现象最后会随工作面推进完全消失。

上述工作面不同阶段的出水规律也说明，在均衡推进情况下，对工作面顶板控制有利，避免不均衡推进而导致的顶板应力集中问题，减小顶板不必要的损伤和破坏。

图3 7240(上)南工作面涌水量变化曲线

3 不同推进速度下含水层水位变化特征

为开展薄基岩面的防治水工作，任楼煤矿布置了多个四含水位观测孔，其中距离含水层7240(上)南工作面最近的为水9长观孔，该孔工作面切眼直线距离为337m。工作面开采过程中，对该水位孔的水位变化进行了监测分析。图4为不同阶段水9长观孔水位变化情况。从水9长观孔水位变化曲线可以发现，水位的变化随推进情况的不同也呈现出不同的特点：

图4 不同阶段水9长观孔水位变化情况

第Ⅰ阶段自5月10日至6月8日，水位变化幅度较大，每次来压时对应的降幅较为明显，周期来压期间水位降幅在5m左右。不均衡的推进造成顶板破断的规律性减弱，对顶板的破坏程度也增加，而顶板的异常运动必然导致对含水层的扰动、破坏的异常。因此，在工作面机头、机尾不均甩采的时候，水位变化也呈现出明显的升降变化，尤其是在来压期间。

第Ⅱ阶段自6月9日至6月21日，水位较第Ⅰ阶段变化幅度减小，而且整体出现上升现象。该段主要由于工作面机尾支架歪斜后推进速度明显降低，顶板运动剧烈程度减缓，机头、机尾推进虽然缓慢，但是基本上是同步向前推进的，每天的推进在1～2刀。此时，含水层受采动影响较第Ⅰ阶段减小，水位补给速度大于顶板下沉运动带来的下降速度，整体上表现为上升现象。

第Ⅲ阶段自6月22日至7月18日，在工作面均衡、缓慢的推进情况下，水位持续上升并呈现轻微波动。在工作面均衡、缓慢推进的情况下，直接顶垮落充分，采空区无悬顶空间，顶板在破断、回转过程中，对含水层的扰动较前2个阶段都要小。在顶板稳定运动情况下，水位变化也将以相对稳定的形式出现。

从推进度不同对水位变化的影响来看，工作面均衡平推对实现顶板缓慢运动、水位平稳的升降是有利的。

从损伤力学角度[8]分析，认为岩体受采动破坏是一个渐进过程，岩体的力学性能、损伤演化及断裂发展等特性都具有显著的时效特征。岩体的破坏是由局部单元破坏到总体失稳的过程。因此可以说，岩体的渐进破坏实质上是时效变形过程中损伤不断累积、裂纹逐渐发展的结果。推进速度差异会引起周期来压特征发生变化，实质上是采动影响下围岩应力演化及其变形破坏特征时间效应的体现[1]。因此，推进速度不均衡，将加剧顶板的破坏程度，促使裂隙充分发育，对提高回采上限工作面防治水是不利的。