浅埋薄基岩煤层快速推进工作面矿压显现规律研究

高云瑞 刘长武 康亚明 黄长玲 卢邦稳

(1.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都610065;2.四川大学水利水电学院，四川 成都610065;3.北方民族大学化学与化学工程学院，宁夏 银川750021)

我国西北地区赋存大量埋深150 m 以内的浅埋煤层，地质储量占全国已探明总储量的1/3 左右，大部分浅埋煤层地表为厚松散砂土层或第四系黄土，煤层基岩较薄［1］。开采实践表明，厚松散覆盖层条件下浅埋深薄基岩煤层矿压显现规律与普通工作面明显不同［2］。由于基岩较薄，开采后难以形成承载结构，加之上覆厚松散层也难以形成有效的承载结构，因此浅埋煤层的矿山压力并不一定就小，反而开采过程中矿压显现更加剧烈［3-4］，易对工作面支架形成动载明显的荷载冲击，导致上覆厚松散层与顶板岩层同步台阶下沉，造成支架的损坏、溃沙溃水等事故隐患。

为了保证浅埋薄基岩煤层安全开采，需对此种条件下的工作面矿压显现规律进行系统研究。影响回采工作面矿压显现的因素很多，除采高、控顶距、煤层倾角等影响一般采面矿压显现的因素外，松散层厚度、基岩厚度、直接顶厚度等也是浅埋条件下影响采场矿压显现的主要因素。此外，在埋深、基岩厚度等地质条件相同的情况下，推进速度对矿压显现的影响至关重要。近年来神东矿区几次典型的支架压垮事件，均发生在综采面推进速度较慢或未推进期间，一定程度上也表明工作面推进速度对矿压显现有很大影响。合理地增大推进速度可以减小工作面矿压显现程度和矿压对支架的影响［5-7］。研究工作面推进速度对矿压显现规律的影响具有重要工程应用价值。

1 典型煤层赋存条件和开采技术条件

结合神东矿区1 －2#煤层的赋存条件，即1 －2#煤层倾角较小，埋深103 m，煤层厚2 m，直接顶为厚度1 m 左右的泥岩，基岩是厚度20 m 左右的细粒砂岩、中粒砂岩和粗砂岩互层。基岩之上为厚度达80 m 的风积沙和黏土。属典型的浅埋深薄基岩煤层，地层结构及其主要物理力学参数如表1 所示。以表1所展示的典型地层结构和物理力学参数为基础，采用数值模拟方法对不同推进速度情况下浅埋薄基岩煤层工作面的矿压显现规律进行研究。

表1 1 －2#煤地层赋存特征Table 1 Occurrence characteristics of 1 －2# seam strata

2 模型的建立

FLAC3D数值计算软件通过将连续介质的动态演化过程转化为离散节点的运动方程和离散单元的本构方程求解，采用显式拉格朗日算法和混合－离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动，相比其他有限元软件在研究围岩应力场和位移场方面具有明显的优势［8］。

长壁工作面条件下，采用如图1 所示的平面模型能够满足计算精度要求。模型长为100 m，煤层厚2 m。为方便观察地表变化，模型垂直方向直达地表。采用摩尔－库伦本构模型，将各层模型在工作面推进方向划分为2 m，垂直方向网格尺寸底板划分为1 m，煤层划分为2 m，基岩层划分为4 m，上覆松散层为15 m。定义应力边界条件和底部、前后以及左右位移边界条件，按5、10 和15 m/d 的工作面推进速度(分别代表慢、较快和快3 种典型速度)进行模拟。回采过程中自动计算节点力即最大不平衡力，当其误差接近于10－5，认为计算达到收敛，同时为便于结果分析，回采过程中自动记录位移曲线和应力曲线。当计算达到收敛时，自动输出计算结果。

图1 力学模型Fig.1 Mechanical model figure

3 模拟结果讨论分析

3.1 浅埋工作面与正常工作面初次来压分析

浅埋煤层工作面的开采实践表明，大多数情况下，浅埋采场来压最猛烈、最难控制的是老顶初次来压［9］。因此，这里重点分析不同推进速度情况下老顶初次来压时矿压显现的变化规律。首先以5 m/d的推进速度模拟浅埋工作面开采过程中的岩层移动变形，计算结果如图2(a)所示，当工作面推进到30 m 时，煤层顶板出现大面积剪切破坏和拉破坏，可以认为达到初次来压。

图2 不同埋深煤层初次来压计算结果Fig.2 First weighting results figure of coal seam at different buried depth

在其他条件不变情况下，同样以5 m/d 的推进速度模拟埋深250 m 的正常埋深工作面开采过程中的岩层移动变形，计算结果如图2(b)所示，当工作面推进到75 m 时，煤层顶板出现大面积拉破坏，可以认为达到初次来压。对比分析两者可知，浅埋煤层上覆荷载层难以形成承载结构，上覆荷载较大，矿压显现规律与正常埋深有所不同。在其他条件不变，埋深不同时初次来压步距也不同，浅埋煤层在推进30 m 时出现初次来压;正常埋深煤层在推进75 m 时出现初次来压，由此可见在浅埋条件下，推进速度对矿压显现的影响程度更加明显。

3.2 垂直位移结果分析

计算达到收敛时，不同推进速度情况下的典型地表下沉曲线如图3 所示。

图3 不同推进速度时地表位移曲线Fig.3 Surface displacement curve in different mining speed

(1)浅埋煤层条件下，当推进速度为5、10、15 m/d 时地表相同时间内的下沉量分别为1.16、1.08、0.806 m;可见随着推进速度的加快，地表和岩层的相对下沉速度(下沉量和时间的比)增大。与推进速度较慢时相比，推进速度增大，相同时间内顶板载荷传递不充分，围岩受损伤变形程度较低，有利于工作面的稳定和支护。

(2)虽然随着推进速度的增加，地表下沉速度稍有增加，但地表最终下沉量依然比较大，比正常埋深煤层最终下沉量要大的多，说明推进速度加快并不能减少地表的最终下沉量。基岩和上覆厚松散层破断移动过程中没有形成有效的承载结构，推进速度的增大不能促使上覆厚松散层在移动破断过程中形成稳定的承载结构，因此在浅埋薄基岩厚松散层煤层矿压计算过程中不能采用传统的压力拱理论，荷载估算应计算至地表。

3.3 垂直应力场结果分析

图4 是不同推进速度时垂直方向应力场的对比图。垂直应力场最显著特征是工作面前方出现应力集中现象，并出现峰值应力。从图4 可看出，随着推进速度的增加，工作面及冒落带附近的低应力区面积减小，应力集中区域影响范围有所减小，峰值应力距工作面的距离减小。说明推进速度的增加，工作面周围煤岩体破坏区域的面积减小，但在未破坏煤岩体内可能聚集大量的弹性变形能，更易诱发岩爆、冲击地压等矿山动力灾害，对于高瓦斯矿井还可能发生煤与瓦斯突出等事故，因此工作面推进速度并非越快越好，与采面地质条件相匹配的推进速度才是合理的推进速度。

图4 不同推进速度时垂直方向应力场对比Fig.4 Stress field contrast figure in vertical direction under different mining speed

计算过程中还随时自动监测记录煤壁处的顶板压力，计算收敛时顶板压力计算结果如图5 所示。当推进速度为5 m/d 时，顶板压力为3.7 MPa;推进速度为10 m/d 时，顶板压力为3.3 MPa;推进速度为15 m/d 时，顶板压力为3.1 MPa。可见顶板压力随着推进速度的增大而减小。说明推进速度增大时，开采过程中在同一个位置滞留的时间缩短，有利于减小围岩的变形量。

图5 不同推进速度时煤壁处顶板压力监测Fig.5 Roof pressure monitoring figure in the coal wall under Different mining speed

综合上面的分析结果可以看出:随着推进速度的增加，工作面及冒落带附近的低应力区面积减小，应力集中区域影响范围有所减小，峰值应力距工作面的距离减小，顶板压力呈降低趋势。加快推进速度，减小工作面在同一个位置处的滞留时间，有利于巷道稳定和安全生产，但推进速度并非越快越好，与采面地质条件相匹配的推进速度才是合理的推进速度。

4 现场实测数据对比分析

根据文献［10］，在某浅埋工作面正常生产期间，采用CDW－60 型支架压力记录仪进行了支架(支架型号为ZY10660/11/22)循环末阻力F 的观测，对比分析数值计算结果。具体观测数据统计结果如图6所示［10］。

由图6 可以看出，随着工作面推进速度的不断增大，工作面支架循环末阻力出现明显的下降趋势，当工作面推进速度小于8 m/d 时，工作面支架平均日循环末阻力都大于8 500 kN，最大达到安全阀开启值10 660 kN;当工作面推进速度大于8 m/d 时，工作面支架平均日循环末阻力基本在8 000 ～8 500 kN，相对较小;同时，在工作面停产检修期间，出现支架压垮现象。

图6 支架阻力与工作面推进速度的关系［10］Fig.6 Relationship between support resistance and working face advance speed

由此不难看出，现场实测结果与数值计算结果相吻合。说明合理的加快推进速度，减小工作面在同一个位置处的滞留时间，有利于巷道稳定和安全生产。

5 结 论

(1)除一般采面矿压显现影响因素外，松散层厚度、基岩厚度、直接顶厚度和支架阻力等也是浅埋条件下影响采场矿压显现的主要因素。其他条件不变的情况下，浅埋煤层工作面的初次来压步距远小于正常埋深煤层工作面的初次来压步距。埋深越浅推进速度对工作面矿压显现的影响程度越大。

(2)随着推进速度增大，地表相同时间内下沉量呈明显减小趋势，但最终下沉量依然较大。浅埋采场上覆厚松散层破断后难以形成有效承载结构，在计算上覆荷载时不能采用传统的压力拱理论。

(3)随着推进速度的增加，工作面及冒落带附近的低应力区面积减小，高应力区域范围有所增大，并更加靠近工作面，峰值应力距工作面的距离减小，应力集中区域影响范围减小。

(4)推进速度的增大，减少了工作面在同一个位置处的滞留时间，减小了顶板压力。但推进速度过快，工作面附近未破坏煤岩体内可能聚集大量的弹性变形能，易诱发岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害，因此工作面推进速度并非越快越好，与采面地质条件相匹配的推进速度才是合理的推进速度。

［1］ 黄庆享.浅埋煤层采动厚砂土层破坏规律模拟［J］.长安大学学报:自然科学版，2003，23(4):26-27.

Huang Qingxiang.Simulating on damage law of disturbed thick sandy soil layer and transference of load in shallow seam［J］. Journal of Chang'an University:Natural Science Edition，2003，23(4):26-27.

［2］ 宣以琼.薄基岩浅埋煤层覆岩破坏移动演化规律研究［J］.岩土力学，2008，29(2):512-516.

Xuan Yiqiong.Research on movement and evolution law of breaking of overlying strata in shallow coal seam with a thin bedrock［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29(2):512-516.

［3］ 黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义［J］.岩石力学与工程学报，2002，21(8):1174-1177.

Huang Qingxiang.Ground pressure behavior and definition of shallow seams［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(8):1174-1177.

［4］ 黄庆享，张 沛，董爱菊.浅埋煤层地表厚砂土层“拱梁”结构模型研究［J］.岩土力学，2009，30(9):2722-2726.

Huang Qingxiang，Zhang Pei，Dong Aiju. Mathematical model of“arch beam”of thick sandy soil layer movement in shallow seam［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(9):2722-2726.

［5］ 王 磊，谢广祥. 综采面推进速度对煤岩动力灾害的影响研究［J］.中国矿业大学学报，2010，39(1):70-74.

Wang Lei，Xie Guangxiang.Influence of mining velocity on dynamic disasters in the coal and rock mass at a fully mechanized mining face［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2010，39(1):70-74.

［6］ 谢广祥，常聚才，华心祝.开采速度对综放面围岩力学特征影响研究［J］.岩土工程学报，2007，29(7):963-967.

Xie Guangxiang，Chang Jucai，Hua Xinzhu. Influence of mining velocity on mechanical characteristics of surrounding rock in fully mechanized top-coal caving face［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29(7):963-967.

［7］ 陈国祥，窦林名，乔中栋，等. 褶皱区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响［J］.中国矿业大学学报，2008，37(6):751-755.

Chen Guoxiang，Dou Linming，Qiao Zhongdong，et al.The stress field distribution in folding structure areas and its impaction on rock burst［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2008，37(6):751-755.

［8］ 李 围.隧道及地下工程FLAC 解析方法［M］. 北京:中国水利水电出版社，2009.

Li Wei.Tunnel and Underground Engineering FLAC Analysis Method［M］.Beijing:China Water Power Press，2009.

［9］ Rajendra，Singly T N Singh，Bharaf B Dhar. Coal pillar loading in shallow conditions［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1996，53(8):113-120.

［10］ 刘全明.浅埋综采工作面矿压显现的推进速度效应分析［J］.煤炭科学技术，2010，38(7):24-26.

Liu Quanming.Analysis on mining velocity effect of mine pressure behavior of fully mechanized long wall coal mining face with shallow mining depth［J］.Coal Science and Technology，2010，38(7):24-26.