坚硬顶板综采工作面推进速度对矿压规律影响研究*

徐燕飞，安士凯，徐 翀，陈永春，易 厚

(1.煤炭开采国家工程技术研究院，安徽 淮南 232001；2.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南 232001；3.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

受区域地质构造发育和煤层赋存特征影响，不同矿井开采条件千差万别，导致不同工作面矿压显现规律存在差异性[1]。传统砌体梁理论认为，上覆岩梁破断后岩块相互咬合所经历的失稳及极限平衡状态为时间函数，由此引起的支承压力压裂煤壁、采空区压实过程也均为时间函数[2]，工作面的矿压显现具有时间效应。

部分学者研究发现，一定条件下加快工作面的推进速度，能显著减弱矿压显现特征，改善工作面围岩体维护状况，对工作面矿压起到正向控制作用。如王金安，谢广祥等[3-4]对谢桥煤矿综放工作面研究发现，围岩破坏区及位移随工作面推进速度增加而减小；刘全明[5]对神东矿区浅埋综采工作面研究发现，工作面推进速度加快，超前支承压力影响范围减小，顶板断裂对液压支架影响减弱；王志强等[6]在察哈素煤矿研究发现，工作面推进速度增加，液压支架的维护状况得以改善。而另一部分学者研究进而发现，一定条件下加快工作面的推进速度，非但不能对工作面矿压起到正向控制，反而加剧了工作面的矿压显现，对围岩维护产生不利影响。如马海峰等[7]研究发现，工作面推进速度加快，围岩应力、破坏范围以及变形量均增大；杨敬虎等[8]研究得出高强度开采工作面推进速度加快，大大增加了压架事故发生的可能性；朱志洁等[9]对特厚煤层开采研究发现，工作面推进速度加快后，矿压显现更加剧烈；闫宪磊等[10]研究发现工作面开采速度的增大会增加矿震的震动次数和能量。

综合已有研究可以得出：在工作面缓慢推进时，加快工作面的推进速度对矿压控制是有利的；但工作面推进速度达到一定程度后，进一步加快工作面推进速度，围岩发生动力灾变概率和危害程度将升高，为保障工作面的安全、高效开采，工作面应选择合理的推进速度[11]。关于合理推进速度的大小，一些学者进行了讨论[12-15]，由于各矿区开采条件的不同，研究得出的工作面合理开采速度大小差异较大，文献[12]-[15]对不同矿区工作面的合理推进速度分别进行了研究，得出各工作面的合理开采速度为3.6～16 m/d。由此可见，不同矿区工作面煤层赋存特征、采煤工艺、开采参数、围岩性质等的不同，决定了不同工作面具有适合其自身的合理推进速度。工作面推进速度的快与慢，是一个相对概念，在分析工作面推进速度对矿压规律的影响时，必须结合特定的开采条件。

1 工作面概况

顾桥煤矿位于潘谢矿区中西部，1213(1)工作面位于顾桥矿11号煤层，煤层平均厚3.03 m，煤层倾角平均3°，工作面煤层赋存较稳定，研究区域工作面煤层顶板为细砂岩，少量裂隙发育，致密坚硬，厚6～18 m。为对比分析坚硬顶板工作面对矿压的影响，选择1213(1)上覆的相邻软弱顶板工作面1212(3)作为对照。1212(3)工作面位于13号煤层，煤层平均厚4.42 m，煤层倾角平均2°，工作面煤层赋存较稳定，直接顶为泥岩、煤线、泥质粉砂岩、砂质泥岩互层的复合顶板，厚4.5～8.7 m。工作面来压特征统计见表1。

表1 工作面来压特征统计Table 1 Statistics on weighting characteristics of working face

统计2个工作面来压特征发现，具有砂岩直覆顶板的1213(1)工作面初次来压、周期来压步距和动载系数均大于上覆软弱顶板的1212(3)工作面。现场矿压观测也发现1213(1)工作面来压时矿压显现明显，出现煤壁片帮，液压支架立柱安全阀多数开启现象。分析得出，发育有坚硬顶板的工作面矿压显现更为显著，开展坚硬顶板工作面矿压显现的推进速度效应研究，对实现工作面的矿山压力控制，更具现实意义。

2 推进速度对顶板运动影响分析

由覆岩运动规律可知，坚硬厚层顶板岩层随着工作面的推进产生周期性破断，破断岩块间相互咬合，形成具有一定承载能力的砌体梁结构，成为矿山压力的主承载结构；控顶区内液压支架以有限的支护能力与围岩形成“支架-煤壁-破断岩块”支护系统，共同承载上覆岩层压力[16]。破断后顶板岩块的运动受岩块长度、液压支架控顶位置、岩块厚度以及顶板岩性等共同影响[17]；由综采工艺可知，落煤后伴随液压支架前移，顶板岩块悬臂长度和液压支架控顶位置改变，引起顶板岩块移动；同时，受岩石固有的流变力学属性影响，作业循环时间引起围岩的蠕变变形及应力调整。工作面推进速度主要由单次落煤截深和作业循环时间2个因素决定[3,18]，因此，可以通过分析落煤和循环时间对顶板运动的影响，来研究工作面推进速度对矿压影响规律。

2.1 落煤对顶板运动的影响分析

将液压支架上方构成砌体梁结构的岩块简化为一端固支一端铰支梁受力模型，任取岩梁1个截面，求得控顶区上方岩梁的挠度表达式为[19]：

(1)

式中:w1为控顶区上方岩梁挠度,mm；q1为上覆岩梁均布线载荷,kN/m；qz1为液压支架对顶板支护力线载荷最大集度,kN/m；lc为控顶区上方岩梁跨度,m；x为岩梁任意截面位置,m;C为基本顶周期来压步距,m；lk为液压支架控顶区长度,m;E1，E2分别为控顶区上方和断裂岩梁弹性模量,GPa；I1为控顶区上方岩梁截面惯性矩,mm4；kg为冒落矸石对岩块支撑刚度,N/mm；A2为岩梁截面的面积,m2；SA为断裂岩块下沉值,mm。

由式(1)可知，受工作面每次落煤、移架影响，控顶区上方岩梁跨度lc不断变化，岩梁挠度w1随之变化，并且岩梁的这种移动在落煤、移架后瞬间完成。随着工作面推进，基本顶将发生周期性断裂，1个周期来压步距内落煤次数基本是一致的，因此，由落煤、移架引起的这种顶板刚性回转下沉量也是一定的，加快工作面推进速度无法减少该部分的顶板下沉量。

图1为现场监测的落煤前后顶板瞬间下沉情况，该部分顶板刚性回转下沉是由顶板岩梁几何参数和物理力学参数所决定的，属于顶板岩梁的给定变形，液压支架对该部分变形的控制作用是有限的。

图1 落煤引起的顶板瞬间下沉Fig.1 Instantaneous subsidence of roof caused by coal drop

2.2 作业循环时间对顶板运动的影响分析

现场矿压观测发现，当工作面停止推进后，随着时间的推移，顶板持续下沉，这是由岩石材料固有的流变力学属性所决定的。采用开尔文流变模型对时间引起的顶板岩梁变形规律进行分析，开尔文流变模型由1个弹性元件和1个粘性元件并联而成[20]，根据其本构方程得出基本顶初次垮落后控顶区上方岩梁的蠕变下沉方程为：

(2)

由式(2)可知由岩梁蠕变引起的顶板变形过程是一个时间函数，随着时间的延长岩梁变形量不断增加，并且岩梁的蠕变变形量与岩梁的刚性回转下沉量w1呈正比。

当工作面停止推进时监测顶板持续蠕变下沉变化如图2所示。

图2 工作面停止推进顶板持续下沉情况Fig.2 Continuous subsidence of roof when working face stopped advancing

由图2可知，围岩体蠕变引起的岩梁下沉量随时间延长不断增大，在工作面开采工程中，加快工作面推进速度，缩短作业循环时间，能有效减少该部分的顶板下沉量。

3 推进速度对矿压影响数值模拟分析

3.1 建模及计算方案设计

按照1213(1)工作面工程地质条件，运用FLAC3D数值模拟软件建立模型，计算过程采用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则。针对工作面推进速度对矿压规律影响的数值模拟，可以通过控制开挖深度及迭代步时语句来实现[3]。认为每1个开挖步骤都是准静力学过程，每次开挖后按设计方案迭代计算。开挖计算方案见表2，岩层参数见表3，方案1～5每次开挖步距不断增加，代表工作面推进速度越来越快。

3.2 数值模拟结果

3.2.1 破坏场分析

为了分析采煤工作面推进速度对围岩塑性破坏区发育的影响，得出各计算方案围岩体内塑性区发育情况，如图3所示。

表2 模拟计算方案Table 2 Schemes of simulation calculation

由图3可知，随着每次开挖步距的增加，工作面顶板覆岩内部塑性区发育高度和范围显著减小，说明工作面开采速度增大减弱了采动压力对围岩的破坏，这对维护顶板的完整性是极其有利的。

表3 顶底板岩石物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of rock at roof and floor

图3 各开挖方案塑性区发育情况Fig.3 Development of plastic zone by each excavation scheme

3.2.2 应力场分析

为了研究工作面推进速度对围岩体内部应力分布的影响，统计各计算方案的应力集中系数和应力集中位置变化情况，如图4所示。

由图4可以得出，随着每次开挖步距的增加工作面煤壁内部应力集中系数逐渐减小，应力集中区域在煤壁内深度同步减小，说明工作面开采速度增大制约了围岩体内部应力的集中和转移。

图4 煤壁应力集中系数及应力集中位置变化Fig.4 Change of stress concentration factor and stress concentration position of coal wall

在FLAC3D计算过程中采用体系最大不平衡力与典型内力的比率R，作为计算收敛标准；体系最大不平衡力指每一计算步时模型所有节点中外力与内力差值中的最大值，典型内力指计算模型中所有网格点力的平均数值。因此可以用R值反映模型中应力转移是否充分[21-22]，得出各计算方案的R值变化如图5所示。

图5 最大不平衡力与典型内力的比率Fig.5 Ratio of maximum unbalanced force and typical internal force

由图5可知，随着每次开挖步距的增加，R值不断增大，说明工作面开采速度越快，上覆岩层中应力转移越不充分。在工作面开采过程中，围岩体的破坏过程和围岩体内应力转移过程是相互对应的，在对矿压管理及围岩控制时，阻止围岩体中应力的过度转移，对保持围岩完整性具有积极的意义。但由于应力无法充分转移、释放，引起岩体内部应变能积蓄，增加了诱发岩爆等动力灾害风险。针对具有岩爆倾向性或突出危险性矿井的开采，提高开采速度前，应对岩石的物理力学特性进行必要的试验研究，并做好现场矿压观测工作。

4 推进速度对矿压影响现场实测分析

4.1 矿压观测方案

1213(1)工作面长220 m，工作面内共布置129台液压支架，其中1～3号及127～129号为ZZG10800/18/38D型过渡支架，4～137号为ZY8800/18/38D型掩护式支架。对工作面进行矿压观测时，工作面内间隔5架液压支架布置1条测线，并在该处液压支架上安装矿用液压支架测力仪(YHY-60型)监测支架载荷，工作面共布置25条测线，沿测线对采煤工作面顶板及煤壁状况进行观测统计。工作面矿压观测测线布置如图6所示。

图6 工作面矿压观测测线布置示意Fig.6 Layout of strata behaviors observation lines in working face

4.2 矿压观测结果分析

在对1213(1)工作面矿压观测过程中发现，受工作面推进速度的影响，工作面矿压显现不同。当工作面缓慢推进时，煤壁片帮、端面顶板破碎、支架压力增大等现象加剧；当工作面推进速度加快时，上述矿压显现特征明显减弱。选择工作面中下部45号液压支架载荷监测数据，分析工作面推进速度对液压支架承载特性的影响。工作面推进速度在6.4 m/d和1.6 m/d时液压支架的承载变化特征曲线如图7所示。

图7 不同推进速度下液压支架承载特征Fig.7 Loading characteristics of hydraulic support under different advancing speeds

由图7可以看出，工作面以较快速度(6.4 m/d)推进时，液压支架的承载过程多表现为“急增阻—微增阻”2次増阻或“急增阻—微增阻—急增阻”3次増阻2种形式，这属于液压支架的一种正常支护状态；而当工作面以缓慢速度(1.6 m/d)推进时，液压支架承载持续增大，并近似呈线性增长，液压支架的承载过程表现为1次急增阻形式，液压支架处于这种非正常的支护状态，将限制其支护性能的发挥。

为了分析工作面推进速度对液压支架工作阻力的影响，统计45号液压支架在不同推进速度下1个来压周期内的平均工作阻力如图8所示。图8中散点为工作面不同推进速度下液压支架的平均工作阻力数据点，拟合曲线为液压支架平均工作阻力与工作面推进速度之间的关系曲线。

图8 推进速度对液压支架平均工作阻力的影响Fig.8 Influence of advancing speed on average working resistance of hydraulic support

由图8可知，随着工作面推进速度的增加，液压支架的平均工作阻力呈不断减小趋势，这有利于液压支架的维护。究其原因：工作面以较快速度推进时，作业循环时间短，落煤、移架、放顶等作业工序转换快，液压支架的“承载—卸压”过程在较短时间内往复循环，液压支架平均工作阻力较小；当工作面以缓慢速度推进时，作业循环时间较长，受顶板持续下沉影响，液压支架承受顶板载荷不断增加，导致液压支架平均工作阻力较大。

5 结论

1)采煤工作面落煤引起顶板岩梁瞬间刚性回转下沉，1个来压周期内顶板这部分下沉量是一定的；工作面的作业循环时间和岩梁刚性回转下沉量共同影响岩梁的蠕变下沉，岩梁蠕变下沉量与岩梁刚性回转下沉量呈正比。加快工作面推进速度仅减少围岩体蠕变引起的岩梁下沉量，而无法减少岩梁的刚性回转下沉量。

2)工作面开采速度的增加，导致上覆岩体中塑性区发育高度和范围减小，工作面煤壁应力集中位置变浅、应力集中系数变小，制约了围岩体中应力的集中和转移，有利于保持围岩的完整性；但会引起岩体内部应变能积蓄，增加了诱发岩爆等动力灾害风险。

3)工作面以较快速度推进时，液压支架承载特性表现为2次増阻或3次増阻形式，液压支架的“承载-卸压”过程在较短时间内往复循环，平均工作阻力较小，有利于液压支架的管理和维护。当工作面以缓慢速度推进时，液压支架承载近似呈线性增长，表现为1次急增阻形式，限制了液压支架支护性能的发挥。