回采工作面推进速率对矿压显现的影响

郭阳勇

（晋煤集团晟泰公司，山西 晋城 048006）

回采工作面推进速率的加快虽然能增加矿井产量，但会对工作面顶板矿压、超前支承压力、塑性区范围、动力灾害及周期来压步距等产生较大的影响[1-2]。近年来，众多学者针对推采速率对矿压的影响进行了大量的研究，取得了一定的成果。但是，由于各矿间煤层覆存条件、采煤工艺等不同，研究结果并不适用于每个矿井。因此，本文以151302工作面为研究对象，通过理论分析和数值模拟得到了推进速率与顶板应力和下沉量间的关系，对相似地质条件矿井防治顶板灾害有一定的借鉴意义。

1 工作面概况

晋煤集团古书院矿151302工作面为东翼一盘区首采工作面，走向长度1428m，倾斜长度180m。工作面主采15#煤层，上距9号煤层28m左右，煤厚0.81～3.56m，平均1.98m，平均倾角4°。煤层直接顶板为平均厚度9.00m的K2灰岩，直接底为平均厚度2.75m的泥岩。矿井瓦斯相对涌出量为4.88m3/t.d，矿井绝对瓦斯涌出量为24.65m3/min，属于低瓦斯矿井。

2 推进速率对矿压影响

2.1 力学模型建立

根据工作面顶板岩层性质，在初次垮落前将顶板视为两端固支梁结构[3-4]，假设顶板为不被破坏的理想状态，建立如图1所示的力学模型。

图1 顶板岩层力学模型

由图1可知，工作面顶板岩层弯矩M（x）为：

式中：

q-工作面上覆岩层均布载荷，MPa；

L-工作面推进距离，m。

根据公式（1）可知，当x=1/2L时，弯矩最大，其最大值Mmax为：

随着工作面推进，工作面顶板出现断裂，在x= 1 /2L处，顶板岩层抗压能力远大于抗拉能力，该处下方任意一点为固支梁准断裂点，取其点位置为z=-12h，则该点拉应力σmax为：

式中：

W-固支梁抗扭刚度，N/m；

b-固支梁宽度，m；

h-固支梁高度，m。

工作面回采时，推进速率与时间之间的关系为：

将公式（4）带入（3）可得：

2.2 推进速率对拉应力影响

由公式（5）可知，顶板岩层最大拉应力与工作面推进速率和时间有关，根据公式可以得到其关系曲线，如图2所示。

图2 最大拉应力与推进速率和时间关系曲线

由图2可知，岩层最大拉应力与推进速率和时间成正比，即推进速率加快和推进时间变长（即推进距离远）都会导致顶板岩层拉应力增长速度加快，其所承受的拉应力越大。

3 加载速率对矿压影响

3.1 影响分析

151302工作面回采后会导致应力重新分布，而工作面推采速率的不同会造成应力对围岩的加载速率有所不同。根据试验得到工作面不同加载速率下应力与应变间关系曲线，如图3所示。

由图3可知，在相同加载速率时，随着应变的增加应力呈先增加后减小趋势。随着工作面速率增加，工作面会出现应变增大而应变还处于非常小状态下的围岩强度伪增强现象。

图3 151302工作面不同加载速率应力与应变曲线

3.2 推进速率与加载速率关系分析

工作面推采速率影响顶板岩层的加载速率，从而影响顶板垂直应力与下沉量。工作面推进速率增大，导致顶板岩层抗拉能力越强，顶板的垂直应力和下沉量越小，顶板稳定性越好。虽然工作面推进速率增大，顶板岩层稳定性越好，但是在一定范围内，岩体受到的应力仍小于其表现的伪强度。

当工作面推进速率较慢时，顶板形成悬顶的时间就越长，岩层的黏性作用会导致顶板出现断裂、下沉、垮落等现象，不利于工作面顶板的稳定。当工作面推进速率较快时，顶板形成悬顶的时间就越短，岩层承受的垂直应力没有完全传递充分，顶板垂直应力和下沉量相对较小，顶板岩层稳定性好[5-6]。

4 推进速率对矿压影响数值模拟

4.1 模拟方案

采用FLAC3D模拟151302工作面不同推进速率对顶板岩层运动的影响。根据工作面地质条件建立90m×50m×50m模型，模拟方案如表1所示。

表1 模型各岩层力学参数

4.2 模拟结果分析

4.2.1 垂直应力分析

151302工作面回采60m时，沿着倾向在工作面煤壁处和煤壁前10m位置设置监测点，监测工作面垂直应力。监测结果如图4、图5所示。

图4 151302工作面煤层倾向顶板垂直应力曲线

图5 151302工作面煤层走向顶板垂直应力曲线

由图4、图5可知，151302工作面顶板垂直应力曲线呈“拱形”分布。当推进速率不变时，工作面两侧向中间位置工作面垂直应力逐渐增大，当距离煤壁5～10m处顶板垂直应力达到最大值。随着工作面推进速率的减小，垂直应力逐渐增大，工作面推进至60m处，当推进速率分别为3m/d、5m/d、10m/d、15m/d时，垂直应力最大值分别为18.7MPa、19.7MPa、21.38MPa、22.69MPa。 工 作面推进速率为3m/d、5m/d、10m/d分别比15m/d时顶板垂直应力增加了21.2%、14.2%、5.2%。由此可知，当工作面推进速率增加时，顶板岩层所受的垂直应力减小，有利于工作面保持稳定。

4.2.2 顶板下沉量分析

151302工作面回采60m时，不同推进速率时工作面顶板下沉量监测位移云图如图6所示。

图6 151302工作面不同推进速率顶板位移云图

由图6可知，151302工作面回采60m时，由两侧向中部位置工作面顶板下沉量逐渐增大。随着工作面推进速率的减小，顶板下沉量逐渐增大，工作面推进至60m处，当推进速率分别为3m/d、5m/d、10m/d、15m/d时，顶板下沉量最大值分别为480mm、415mm、340mm、265mm。工作面推进速率为3m/d、5m/d、10m/d分别比15m/d时顶板下沉量增加了81.1%、56.6%、28.3%。由此可知，当工作面推进速率增加时，顶板下沉量减小，有利于控制顶板下沉。

5 结论

（1）以151302工作面为研究对象，建立顶板固支梁结构力学模型，得到岩层最大拉应力与推进速率和时间成正比，即推进速率加快和推进时间变长（即推进距离远）都会导致顶板岩层拉应力变大。

（2）分析了推进速率与加载速率关系分析，当工作面推进速率较慢时，岩层的黏性作用会导致顶板断裂、下沉、垮落，不利于工作面顶板的稳定；当工作面推进速率较快时，岩层承受的垂直应力没有完全传递充分，有利于工作面顶板的稳定。

（3）采用FLAC3D模拟151302工作面不同推进速率对顶板岩层运动的影响。根据模拟结果可知，随着工作面推进速率的减小，顶板垂直应力和下沉量逐渐增大，不利于工作面保持稳定。