大采高工作面推進(jìn)速度對(duì)煤壁片幫影響分析＊

張軍鵬 張 亮 王東攀

（1.山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省長(zhǎng)治市，046103；2.天地科技股份有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013）

霍爾辛赫礦3207大采高工作面煤層厚度5.0～5.6 m，采用一次采全厚采煤法。工作面長(zhǎng)度220 m，布置ZY12000／28／60D型二柱掩護(hù)式液壓支架129架，二級(jí)護(hù)幫，最大護(hù)幫高度為2.8 m。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)得知，當(dāng)推進(jìn)速度不同時(shí)，煤壁片幫情況也不同，結(jié)合頂板周期來(lái)壓步距、來(lái)壓強(qiáng)度，并借助FLAC3D數(shù)值模擬研究大采高工作面推進(jìn)速度對(duì)煤壁片幫的影響。

1 礦壓觀測(cè)

3207工作面5月13日－5月25日平均推進(jìn)速度為4.4 m／d，5月26日－6月14日平均推進(jìn)速度為2.4 m／d。在這兩個(gè)時(shí)間段，每天檢修班通過(guò)激光測(cè)距儀測(cè)量煤壁片幫情況，并采集了工作面8＃、30＃、53＃、77＃、100＃、122＃液壓支架壓力記錄儀數(shù)據(jù)，對(duì)該段時(shí)間內(nèi)工作面周期來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 工作面周期來(lái)壓步距 m

表2 周期來(lái)壓時(shí)動(dòng)載系數(shù)

從表1中可以看出基本頂周期來(lái)壓步距隨日推進(jìn)速度增大而減小，當(dāng)推進(jìn)速度為4.4 m時(shí)，基本頂周期來(lái)壓步距平均值為19.8 m；推進(jìn)速度為2.4 m時(shí)，基本頂周期來(lái)壓步距平均值為14.7 m。工作面上部、中部、下部周期來(lái)壓步距差距不大，但由表2可以看出工作面中部平均動(dòng)載系數(shù)較高為1.60，來(lái)壓強(qiáng)度大。

2 煤壁片幫觀測(cè)

期間觀測(cè)到的片幫起數(shù)為67起，片幫波及范圍262架支架，多出現(xiàn)在40?！?00＃支架間。片幫形式分3種：煤壁上部片幫占53%、煤壁中上部片幫占44%、整煤壁片幫占3%，片幫具體情況見(jiàn)表3和表4。

表3 煤壁片幫深度及高度統(tǒng)計(jì)表

表4 煤壁日片幫范圍大于10架的片幫情況統(tǒng)計(jì)表

從表3可以看出，工作面上部片幫情況明顯好于工作面中部和下部，41＃～60＃支架范圍內(nèi)，煤壁片幫情況最嚴(yán)重，平均片幫深度為960 mm，這是因?yàn)楣ぷ髅嬷胁宽敯鍓毫Υ?，煤壁塑性區(qū)大更容易片幫；從表4可以看出，在5月25日－6月12日工作面平均推進(jìn)速度變?yōu)?.4 m／d后，煤壁日平均片幫深度和片幫架數(shù)明顯增大，這是因?yàn)橥七M(jìn)速度變小后，工作面周期來(lái)壓步距變短，周期來(lái)壓次數(shù)增多，造成煤壁片幫次數(shù)及深度變大。結(jié)合周期來(lái)壓步距分析可知，工作面于5月15日、5月25日、6月8日、6月12日經(jīng)歷周期來(lái)壓期間煤壁片幫范圍都大于10架，日平均片幫深度也都大于0.6 m，明顯大于非周期來(lái)壓時(shí)期，因此可看出周期來(lái)壓對(duì)煤壁穩(wěn)定性影響較大。

3 數(shù)值模擬

整個(gè)煤巖層模型煤層和直接頂?shù)奈锢砹W(xué)參數(shù)均按礦方提供數(shù)據(jù)給定，不詳數(shù)據(jù)參考了相關(guān)同巖性試驗(yàn)結(jié)果。模型四周邊界均固定水平位移，底端邊界固定垂直位移，頂端邊界施加均勻載荷，模型高度為75 m，上覆380 m巖層載荷按巖體垂直應(yīng)力施加到模型頂部，模型初始位移和速度均按零計(jì)算。原始主應(yīng)力方向分別與模型3個(gè)坐標(biāo)軸一致，大小均相等。模型采用莫爾－庫(kù)論（Mohr－Coulomb）破壞準(zhǔn)則，煤巖層層理使用Interface單元進(jìn)行模擬。

由于運(yùn)算時(shí)步的大小可以間接反映工作面推進(jìn)速度的快慢，因此為研究工作面推進(jìn)速度對(duì)煤壁片幫的影響，采用調(diào)節(jié)運(yùn)算時(shí)步來(lái)間接反映工作面推進(jìn)速度對(duì)煤壁片幫的影響。模擬運(yùn)算時(shí)步分別為800步、1000步、1200步、1400步、1600步、2400步6種情況。模擬時(shí)支護(hù)強(qiáng)度和護(hù)幫水平推力均設(shè)置為零，采高為5.69 m，推進(jìn)距離為60m。

3.1 煤壁附近煤體的水平位移

圖1為不同運(yùn)算時(shí)步下距離煤壁不同位置處煤體的水平位移，橫坐標(biāo)是煤體與煤壁的距離，縱坐標(biāo)為水平位移?？梢钥闯?，隨著模擬時(shí)運(yùn)算時(shí)步的加大，煤體的水平位移也相繼增大。當(dāng)運(yùn)算時(shí)步為800步時(shí)，煤壁處水平位移為－125 mm；當(dāng)運(yùn)算時(shí)步為1000步時(shí)，水平位移增大到為－187 mm；當(dāng)運(yùn)算時(shí)步為1200步時(shí)，水平位移增大到為－200 mm；當(dāng)運(yùn)算時(shí)步為2400步時(shí)，水平位移增大到為－406 mm。從圖1還可以看出，距煤壁0～6 m范圍內(nèi)的煤體水平位移較大。當(dāng)煤體水平位移增大，煤壁穩(wěn)定性下降，發(fā)生片幫的概率也逐漸增大。

圖1 不同運(yùn)算時(shí)步下煤體最大水平位移圖

3.2 煤壁附近煤體的破壞狀態(tài)

根據(jù)模型單元體的應(yīng)力云情況可以得知，當(dāng)模擬運(yùn)算時(shí)步為800步時(shí)，煤壁附近的煤體發(fā)生了剪切破壞和拉伸破壞，剪切破壞區(qū)延伸到煤壁前方6 m，拉伸破壞和剪切破壞疊加區(qū)延伸到煤壁前方1 m；當(dāng)運(yùn)算時(shí)步增大到1000步時(shí)，拉伸破壞區(qū)無(wú)變化，剪切破壞區(qū)擴(kuò)大，延伸到煤壁前7 m；當(dāng)算時(shí)步繼續(xù)增加到1200步時(shí)，拉伸破壞區(qū)延伸到煤壁前方2 m，剪切破壞區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，延伸到工作面前方8 m。

綜合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析可知，隨著模擬運(yùn)算時(shí)步的加大，煤壁附近煤體的水平位移、剪切破壞區(qū)、拉伸破壞區(qū)均會(huì)增加，導(dǎo)致煤體的破壞程度加大、煤體的穩(wěn)定性降低。運(yùn)算時(shí)步減少間接反映為工作面推進(jìn)速度的增大，所以增大推進(jìn)速度能有效增加煤壁的穩(wěn)定性，降低煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)論

對(duì)于大采高工作面，推進(jìn)速度過(guò)慢會(huì)直接導(dǎo)致周期來(lái)壓步距變短、來(lái)壓次數(shù)變多、煤壁暴露時(shí)間長(zhǎng)，而基本頂頻繁周期來(lái)壓使煤體受到?jīng)_擊次數(shù)增多，造成煤體塑性區(qū)、煤體剪切破壞區(qū)、拉伸破壞區(qū)增大，造成煤壁處煤體的穩(wěn)定性下降，致使煤壁片幫深度和片幫范圍增大，建議大采高工作面適當(dāng)提高推進(jìn)速度。

［1］遲克勇.松軟破碎煤層大采高綜采工作面片幫冒頂防治研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2011（10）

［2］王磊，謝廣祥.綜采面推進(jìn)速度對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的影響研究 ［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（1）

［3］劉全明.淺埋深綜采工作面礦壓顯現(xiàn)的推進(jìn)速度效應(yīng)分析 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010（7）

［4］馬海峰，朱修亮.綜采工作面推進(jìn)速度與前方煤體應(yīng)力關(guān)系研究 ［J］.煤炭工程，2010（2）

［5］孟古莽，賈凱軍.大采高仰采充填工作面煤壁片幫治理研究 ［J］.煤炭工程，2011（8）

［6］翟所業(yè).頂煤破壞與工作面推進(jìn)速度研究 ［D］.山東科技大學(xué)，2004