厚煤层综采工作面推进速度与矿压显现关系研究_李悦喜.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 矿压显现是影响综采工作面推进速度的主要因 素之一， 同时众多研究结果表明合理的增大推进速度 可以削弱矿压显现程度， 对于提高矿井的产量和经济 效益具有积极的作用[1,2]。 杨敬虎等[3]理论分析了开采工作面的矿压特征及 对支架的影响机理， 并推导出不同推进速度下顶板断 裂步距的解析式； 何正刚等[4]采用数值模拟的方法对 不同开挖速率下矿压显现规律进行分析， 结果表明增 大推进速度可有效减小煤壁水平位移及应力值； 朱志 洁等[5]采用数值模拟和现场监测的方法对不同推进速 度下特厚煤层综放工作面的支架工作阻力和围岩应 力进行分析， 得出应适当减小推进速度实现削弱矿压 显现强度的结论。 虽然目前一些学者对综采工作面推进速度对矿 压显现的影响做了一定的研究， 但由于矿压显现影响 机理的不成熟性及复杂性， 仍存在诸多问题。本文以 晋北煤业公司 5- 103 工作面地质和采掘条件为背景， 通过机理分析、 数值模拟和现场监测的方法， 对厚煤 层综采工作面推进速度与矿压显现的关系进行分析， 研究结果具有一定的理论和应用价值。 1工程概况 晋北煤业公司 5- 103 工作面倾斜长 2100m， 宽 180m， 平均埋深 245m， 主要开采 5 煤层， 煤层厚度 3.3～6.9m， 平均厚度 5.1m， 平均倾角 5， 采用走向长 壁一次性采全高的采煤方法。 工作面直接顶为平均厚 度 4.0m 的泥岩，老顶为平均厚度 15m 的细砂岩， 直 接底为平均厚度 2.9m的中粒砂岩。 工作面采用 “两准 一采” 的作业方式， 选用 ZY11000/24.5/50 型液压支架 支护， 双滚筒采煤机破煤、 装煤， 由刮板输送机、 转载 机、 皮带输送机运煤作为运输系统。 在 5- 103 工作面回采期间， 矿压显现明显， 主要 表现为 超前支承压力增大； 支架工作阻力增加， 安全 阀开启次数增加； 煤壁片帮冒顶现象严重。 2推进速度与矿压显现关系机理分析 依据弹性力学和岩煤体加载速率的相关理论[6]， 当加载速率增大时， 岩煤体的完整性良好， 破碎程度 较轻， 同时承载性能优良， 能够承受较大的抗压、 抗剪 强度。 以上分析充分表明较大的推进速度关键层受采 厚煤层综采工作面推进速度与矿压显现关系研究 李 悦 喜 （霍州煤电集团晋北煤业公司 ，山西 忻州 035100 ） 摘要 本文以晋北煤业公司 5- 103 工作面地质和开采条件为背景， 通过数值模拟和现场监测的方 法， 对厚煤层综采工作面推进速度与矿压显现的关系进行分析.结果表明， 随工作面推进速度的增大， 煤岩应力峰值增大， 矿压显现剧烈， 而煤壁水平位移减小， 周期来压步距和来压持续长度均增大， 研究 结果具有一定的理论和应用价值。 关键词 综采工作面 ； 推进速度 ； 矿压显现 ； 现场监测 中图分类号 TD323文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0130- 03 Study on The Relationship Between Advancing Speed and Strata Pressure in Fully Mechanized Mining Face of Thick Coal Seam LI Yuexi （Xishan Shengju Coal Industryco. LTD. , Shanxi Lvliang 030022 Abstract Based on the geological and miningconditions of5- 103 workingface in SanlangCoal Mine, the relationship between the advancing speed of fully mechanized mining face in thick coal seam and the occurrence of strata pressure is analyzed by numerical simulation and on- site monitoring. The results showthat with the increase of the advancing speed of working face, the peak stress of coal and rock increases, and the strata pressure appears intense, while the horizontal displacement of coal wall decreases, the periodic weighting step and the weighting pressure persist. As the length increases, the research results have certain theoretical and practical value. Keywords fullymechanized miningface ; advance speed ; Strata behavior ; field monitoring 130 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 场动压扰动影响较小， 当顶板断裂产生来压时， 破断 岩煤体长度增加，同时导致工作面周期来压步距的 增大。 当推进速度较大时，顶板承受应力来不及释放， 削弱了采场扰动效应， 使得围岩变形较小便达到稳定 状态。 直接顶垮落不充分， 老顶断裂后持续沉降， 导致 工作面支架工作阻力的持续增加， 进而导致来压持续 长度的增大。 3推进速度与矿压显现关系模拟分析 3.1模型的建立 采用 FLAC 模拟软件建立 5- 103 工作面数值模 型， 各岩煤层采用摩尔 - 库伦模型， 根据地质勘察报 告岩煤层物理力学参数见表 1。 模型四周和底部为固 定约束， 工作面两侧顺槽距侧边均为 20m， 开切眼距 侧边 25m。 为简化模型将上部岩层按均布载荷设置取 10MPa， 最终建立模型长 150m， 宽 150m， 高 100m， 如 图 1 所示。 表 1岩层物理力学参数 图 1数值模型 在 FLAC 软件建模时， 通过改变时间步长来间接 表述时间的快慢，即实现工作面推进速度的变化 时 间步长越大表示工作面推进速度越慢、所用时间越 长， 反之则表示工作面推进速度越快、 所用时间越短。 本次模拟工作面推进相同距离， 推进一步所用时间相 同， 改变推进步数， 将改变单位推进截深来反映工作 面不同推进速度。共设计 3 组不同推进速度试验， 分 为慢速、 中速、 快速， 具体试验方案见表 2。 2.2结果分析 2.2.1 应力场分析 表 2不同推进速度试验方案 采用 FLAC 软件对 3 组方案进行模拟， 不同推进 速度下的应力分布见图 2。可以看出， 工作面前方超 前支承压力随推进速度的增大，逐渐向开挖处靠近， 且应力值逐渐增大， 表现为均匀应力分布到点状应力 集中现象， 矿压显现越剧烈。 （a ）方案Ⅰ（b）方案Ⅱ（c ）方案Ⅲ 图 2应力场分布云图 依据模拟结果， 绘制工作面前方煤岩体应力分布 曲线， 如图 3 所示。当推进速度为 2.5m时， 应力峰值 为 6.0MPa；当推进速度为 5m 时，应力峰值为 6.2MPa； 当推进速度为 10m 时， 应力峰值为 7.6MPa。 可以看出， 工作面推进速度越大， 煤岩应力峰值越大， 且距离开挖面越近，距开挖面 25m 以上应力变化较 小， 分析原因主要由于较大的推进速度， 使得煤岩体 破碎变形时产生较大的能量， 在开挖面前方产生较大 应力集中区和塑性变形区。因此， 适当减小工作面推 进速度可以减小矿压显现强度。 图 3应力曲线图 2.2.2位移场分析 （a ）方案Ⅰ（b） 方案Ⅱ（c ） 方案Ⅲ 图 4位移场分布云图 图 4 为不同推进速度下的煤壁水平位移分布云 地层 厚度 /m 剪切模量 /GPa 粘聚力 /MPa 内摩擦角 / 抗压强度 /MPa 砂岩502.71.3311.8 细砂岩152.11.4301.6 泥岩4.01.61.5281.1 煤5.10.31.1251.0 中粒砂岩2.91.71.5281.5 砂质泥岩231.81.2301.6 方案推进速度/m推进步数推进长度/m时步总时步 Ⅰ2.52050100020000 Ⅱ51050100010000 Ⅲ1055010005000 131 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 图。当推进速度为 2.5m 时， 最大水平位移为 0.36m； 当推进速度为 5m 时， 最大水平位移为 0.28m； 当推 进速度为 10m 时， 最大水平位移为 0.17m， 减小非别 约为 22.2、 39.3。可以看出煤壁水平位移随工作 面推进速度的增大而减小， 且减小幅度较大， 分析原 因主要由于较大的推进速度使得前方煤岩应力不能 全部释放，削弱了变形程度，使得煤壁水平位移减 小， 从而减小了煤壁发生片帮的可能性， 有利于煤矿 的安全生产。 2.2.3塑性区分析 图 5 为不同推进速度下的煤岩塑性区分布图。 可 以看出不同推进速度下， 塑性区均主要分布在开挖煤 层顶底板及开挖面前方煤岩处， 且随工作面推进速度 的增大开挖面前方塑性区范围逐渐减小，由 10m 减 小到 5m，分析原因主要由于较大的推进速度使得前 方煤岩应力来不及释放， 便达到稳定状态， 受采场动 压的扰动较小， 破坏范围减小， 有利于工作面的稳定， 降低煤壁片帮冒顶风险。但推进速度不宜过快， 否则 会导致能量大量积累产生瓦斯突出、 岩爆等灾害。 （a ）方案Ⅰ（b）方案Ⅱc 方案Ⅲ 图 5塑性区分布图 3 推进速度与矿压显现关系现场实测分析 为研究工作面推进速度与矿压显现的关系， 选取 晋北煤业公司 5- 103 工作面回采期间推进速度差别 较大的三个区段进行分析， 工作面均推进 80m， 推进 速度由慢到快分别为 4.0m/d、 8.0m/d 及 12.0m/d。 沿工 作面倾斜方向布置测线，采用 YHY- 60 液压支架测 力仪对不同推进速度下 ZY11000/24.5/50 型支架的工 作阻力进行监测， 并绘制曲线如图 6。 （a ）4.0m/d（b） 8.0m/d（c ）12.0m/d 图 6不同推进速度下支架工作阻力 分析可知，推进速度为 4.0m/d、 8.0m/d、 12.0m/d 时，周期来压步距分别平均为 16.9m、 18.8m 和 21.5m， 增幅分别为 11.2和 14.4； 来压持续长度分 别平均为 2.5m、 3.6m、 4.9m，增幅分别为 44.0和 36.1。可以看出， 随工作面推进速度的增大周期来 压步距和来压持续长度均增大， 但来压持续长度的增 幅较大。同时， 较大的工作面推进速度会加剧周期来 压对工作面的影响，使得液压支架工作阻力增大， 加 大了煤壁片帮冒顶的风险。 4结论 1 ） 综采工作面推进速度越大， 煤岩应力峰值越 大， 距开挖面越近， 矿压显现越剧烈； 2 ） 煤壁水平位移随工作面推进速度的增大而减 小， 且减小幅度较大， 适当增大推进速度有利于维护 煤壁的稳定； 3 ） 不同推进速度下， 塑性区均主要分布在开挖煤 层顶底板及开挖面前方煤岩处， 且随工作面推进速度 的增大开挖面前方塑性区范围逐渐减小； 4 ） 周期来压步距和来压持续长度均随工作面推 进速度的增大而增大， 且来压持续长度的增幅较大。 参考文献 [1]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 （07） 963- 967. [2] 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 （07） 24- 26. [3] 杨敬虎,孙少龙,孔德中.高强度开采工作面矿压显现的面 长 和 推 进 速 度 效 应[J].岩 土 力 学 ,2015,36（S2） 333- 339350. [4] 何正刚. 浅埋煤层工作面矿压显现规律实测分析及控制 研究[J].煤矿开采,2015,20 （01） 82- 8577. [5] 朱志洁,张宏伟,陈蓥,等.特厚煤层开采工作面推进速度 对矿压显现的影响 [J]. 安全与环境学报,2016,16 （03） 126- 129. [6] 梁东民,池小楼.工作面推进速度对顶板覆岩活动的影响 [J].煤矿安全,2018,49 （09） 276- 279. 作者简介 李悦喜， 男， 1986 年 4 月生， 汉族， 山西朔州人， 2009 年 6 月毕业于山西大同大学， 煤矿开采专业， 助理工程师。现任 霍州煤电集团晋北煤业公司综采工区党支部书记。 （收稿日期 2019- 5- 13） 132 ChaoXing