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第 44 卷第 11 期煤 炭 学 报Vol. 44 No. 11 2019 年11 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYNov. 2019 移动阅读 冯龙飞,窦林名,王晓东,等. 回采速度对坚硬顶板运动释放能量的影响机制J. 煤炭学报,2019,44113329 -3339. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2018. 1671 FENG Longfei,DOU Linming,WANG Xiaodong,et al. Mechanism of mining advance speed on energy release from hard roof movementJ. Journal of China Coal Society,2019,44113329-3339. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2018. 1671 回采速度对坚硬顶板运动释放能量的影响机制 冯龙飞1,窦林名2,3,王晓东1,靳德武1,蔡 武2,3,许刚刚1,焦 彪4 1. 中煤科工集团 西安研究院有限公司,陕西 西安 710054; 2. 中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏 徐州 221116; 3. 中 国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116; 4. 陕西彬长胡家河矿业有限公司,陕西 咸阳 713600 摘 要坚硬顶板破断释放的弹性能是冲击矿压的主要能量源之一,针对回采速度对坚硬顶板破断 释放能量的影响机制,运用理论分析结合现场监测手段,对垮落带内的顶板悬臂梁结构,建立了基 于弹性地基假设的三角增压载荷悬臂梁模型,推导得到回采速度控制下顶板梁的下沉量、弯矩及弯 曲弹性能密度的解析解。 对距煤层较近的低位未触矸破断式砌体梁结构,建立回采速度影响下的 回转角与破断步距及破断释放能量的解析式,并进行讨论得到结论加快回采速度使顶板悬臂梁的 悬臂长度 L 和峰值应力集中系数 a 增加,使峰值距煤壁位置 x0减小,3 者均能造成顶板弯曲变形能 增大,释放弹性能增加,且悬臂长度 L 和应力集中系数 a 影响效果更为明显;高速回采造成采空区 充填程度低,促使关键块 B 的回转角增大,造成关键块 A 的破断步距增大,破断释放的能量也大幅 增加,甚至促使原本为低位未触矸破断的砌体梁结构变为高位悬臂梁结构,其破断释放的弹性能更 大,大能量矿震产生的动载易叠加高静载煤体诱发冲击,同时使超前段顶煤支护失效,造成冒顶事 故;通过对关键层及围岩结构的判别,证实了两种坚硬顶板的破断模式,且微震监测表明坚硬顶板 破断释放大能量矿震与回采速度有明显的正相关性,并得到坚硬顶板条件大采高工作面临界回采 速度为 4 m/ d,科学指导了胡家河矿的开采强度优化。 关键词冲击矿压;回采速度;悬臂梁;砌体梁;弹性能 中图分类号TD324 文献标志码A 文章编号0253-9993201911-3329-11 收稿日期2018-12-19 修回日期2019-04-23 责任编辑陶 赛 基金项目国家重点研发计划资助项目2016YFC0801403;国家自然科学基金资助项目51874292,51604270 作者简介冯龙飞1992,男,河南登封人,硕士,助理工程师。 E-mailflf201122126 com 通讯作者窦林名1963,男,青海平安人,教授,博士生导师。 E-maillmdou126 com Mechanism of mining advance speed on energy release from hard roof movement FENG Longfei1,DOU Linming2,3,WANG Xiaodong1,JIN Dewu1,CAI Wu2,3,XU Ganggang1,JIAO Biao4 1. Xian Research Institute of China Coal Technology 2. Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining, Ministry of Education,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 3. School of Mining Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 4. Shaanxi Binchang Hujiahe Mining Limited Company,Xianyang 713600,China AbstractElastic energy released from broken hard roof is one of the main energy sources of rock burst. In order to un- derstand the influence mechanism of mining advance speed on energy release from broken hard roof,for the roof canti- lever beam structure in the caving zone,a triangular increasing load model based on the assumption of elastic founda- tion is established by using theoretical analysis and field monitoring s. The analytical solutions of the bending subsidence,moment and elastic energy density of roof beam under the control of mining advance speed are deduced. For the lower broken voussoir beam structure close to coal seam,the analytical ulas of breaking step distance and 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2019 年第 44 卷 breaking energy releasing with rotation angle are obtained. The study demonstrates that accelerating mining advance speed makes the cantilever length and peak stress concentration factor of roof cantilever beam increasing,the position of peak distance from coal wall decreasing,all of which can increase the bending deation energy and release elas- tic energy of roof,among the three factors,the effect of cantilever length and peak stress concentration factor is more obvious. High-speed mining results in a lower degree goaf filling,which increases the rotation angle of key block B,re- sulting in breaking step of key block A and energy release increasing. It even makes the masonry beam structure,which is originally a lower non-contact breaking structure,become a high-level cantilever beam structure,whose elasticity re- leasing is greater. Large-energy mine earthquake not only can induce dynamic and static overlapping coal impact under high abutment pressure,but also cause roof falling accidents due to the fatigue damage and support failure of the ad- vanced top coal. By distinguishing the key strata and surrounding rock structure,two kinds of breaking modes of hard roof are confirmed. Micro-seismic monitoring shows that there is a positive correlation between the breaking and relea- sing of large-energy mine shocks from the breaking of hard roof and the mining advance speed. It is concluded that the bounded mining speed is 4 m/ d under a hard roof condition and large mining height,which guides the optimization of mining intensity in Hujiahe Mine scientifically. Key wordsrock burst;mining speed;cantilever beam;voussoir beam;elastic energy 冲击矿压是一种典型煤岩动力灾害,随着煤矿地 质开采条件不断恶化,冲击矿压灾害的扩大态势愈发 明显。 围绕冲击矿压发生机理、监测预警与防治三大 主题,诸多学者展开深入研究并取得诸多成果1-2。 冲击矿压的影响因素众多,以往回采速度作为众多开 采技术影响因素之一,其对冲击矿压的影响往往易被 弱化,但近些年来冲击矿压研究工作趋于精细,且现 场生产实际发现回采速度无序变化可以在高应力采 场条件下诱发冲击,文献3也明确提出应按冲击危 险性评价结果明确采掘工作面安全推进速度,因此回 采速度对冲击矿压的影响机制逐渐引起学者重视。 王金安等4研究了综放工作面回采速率对围岩应 力、变形的影响机制,得出增加推进速度,前方峰值应 力向工作面靠近,峰值应力变大;张宏伟等5利用实 验室试验、数值模拟、现场微震监测等手段得出了三 硬条件下孤岛工作面安全推进速度;刘金海等6通 过案例与微震统计分析,得出高速推采、非匀速推采 易诱发冲击地压。 能量集中释放是冲击矿压发生的 根本原因。 而冲击矿压主要能量来源之一是坚硬顶 板的运动,因此研究回采速度对坚硬顶板破断释放能 量的影响机制,对揭示回采速度与冲击矿压的关系至 关重要。 坚硬顶板是指煤层和厚度较薄的直接顶上 赋存有强度高、厚度大、整体性强、煤层开采后在采空 区可大面积悬露、短期内不易自然冒落的顶板7,对 冲击地压矿井而言,其破断运动产生动载易叠加诱发 采场围岩冲击显现。 坚硬顶板的破断运动机制一直 是众多学者研究的重点,李新元等8研究了坚硬顶 板断裂前后弹性能集聚和释放的规律;潘岳等9-10将 坚硬顶板的受力特征进一步细化,研究了坚硬顶板周 期来压裂纹产生阶段的弯矩、剪力、挠度和应变能的 变化;李振雷等11认为综放覆岩运动产生的矿震动 载扰动是诱发冲击的重要因素之一,并给出了合理预 裂断顶步距的确定依据。 回采速度变化直接影响基本顶的下沉量及下沉 速度,工作面高速推进会引起顶板下沉速度的突然变 化,导致基本顶支承压力影响下的煤体系统突然失 稳,能量释放由静态、准静态转换为动态,结合现场煤 层自身的冲击倾向性,很容易诱发冲击。 王家臣 等12认为加快工作面推进速度提高了基本顶悬臂梁 加载速率,由于悬臂梁的伪增强特性导致储存弹性应 变能增多、破断岩块初始动能占总应变能的比例升 高,增大了高强度开采工作面基本顶动力破断失稳的 可能;赵同彬等13研究了工作面回采速度与顶板弯 曲变形能的关系,认为随着回采速度增加,顶板释放 能量呈指数型增加趋势。 上述学者或研究了坚硬顶板在增压载荷下的力 学响应特征,或从岩石抗拉强度的率效应角度阐述了 回采速度对顶板运动的影响机制,具有一定的现场指 导意义。 但针对回采速度对坚硬顶板运动释放能量 的影响机制研究相对较少,本文运用理论分析、现场 实测手段,在岩层控制及力学基础上,分别阐述了回 采速度对三角增压载荷悬臂梁模型及低位未触矸破 断砌体梁模型破断的影响机制,着重探讨了回采速度 对坚硬顶板破断释放能量的影响,以期为冲击地压矿 井的开采强度优化提供理论基础。 1 回采速度对顶板周期破断的控制作用 随着长壁工作面的开采,煤层开挖后遗留的空间 0333 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 11 期冯龙飞等回采速度对坚硬顶板运动释放能量的影响机制 将由上覆岩层由下至上分层垮落、弯曲下沉;由于受 重力作用的影响,开采后的顶板形态将呈“O-X”破 断14,剖面上形成采场覆岩运动的“三带”分布,大采 高及综放工作面采煤后遗留的巨大空间远不能被直 接顶垮落后的破碎煤岩及时充填,造成基本顶及低位 关键层破断后因下方自由空间较大而不能触矸稳定, 因此,基本顶及低位关键层往往以“悬臂梁”形式破 断,使得垮落带近一步细分为上部规则坚硬岩层断裂 块和下部杂乱直接顶破碎岩石,而较高位关键层因回 转下沉量逐渐减小而呈现出砌体梁式破断运动;李振 雷等15通过理论调研分析得出厚煤层综放开采覆岩 空间结构如图 1 所示,由下而上覆岩破断方式分为两 类 悬臂梁式破断,位于垮落带内,破断后不能触 矸; 砌体梁式破断,位于裂缝带内,该类岩层破断 又细分为未触矸破断和触矸后破断。 图 1 厚煤层综放开采覆岩结构示意 Fig 1 Schematic diagram of overlying rock structure 因此,研究回采速度对顶板周期性失稳及能量释 放应当分为两类即回采速度对垮落带内低位关键层 悬臂梁式破断的影响,以及对裂隙带内低位砌体梁结 构周期性破断的影响。 1 1 回采速度对悬臂梁结构的影响 在一个回采周期内,大采高工作面高速推进,采 空区后方留下较大活动空间,围岩裂隙的发育、扩展 以及最终平衡稳定均具有时效性16,由于围岩应力 调整时间短,导致直接顶垮落不充分,当直接顶较薄 而基本顶为厚硬岩层时,处于垮落带内的厚硬顶板会 出现悬臂梁的形态,顶板在采动过程中弯曲下沉并产 生周期性断裂,在理论上在对基本顶进行受力分析 时,常沿工作面中部作剖面取单位宽度的岩梁体系作 为采场中部顶板受力的简化模型17。 如图 2 所示, 左端嵌固至超前段完好的顶板中,上下煤岩层对坚硬 顶板形成夹持作用,右侧悬空至采空区矸石上方,基 本顶承受的载荷为其上方第 1 层岩层至其最靠近的 关键层之间顶板岩层的自重。 整个基本顶的受力可 分为两个部分,即悬臂梁部分和嵌入部分,其中 L 为 悬臂长度,LK为控顶距,q0为基本顶承受的均布载荷 及其自重,qg为悬伸段末端基本顶的载荷及自重,现 场监测到坚硬顶板所受的载荷增量峰值位于煤壁前 方若干米处,可将载荷增量简化为三角分布,aq0为 载荷增量峰值,x0为载荷增量峰值距煤壁的位置,x1 为载荷峰值下降至弹性区的距离,p0为支架的支护 阻力,M0为煤壁正上方基本顶断面上的弯矩,Q0为 同样位置上的剪力。 图 2 基本顶受力示意 Fig 2 Schematic diagram of the force of the mian roof 假设煤层、直接顶组成坚硬顶板下方的弹性地 基,则基本顶的垂直位移与压力成正比,即 qx - kyx1 式中,qx为基本顶承受的载荷及自重,N;k 为 Win- kler 地基系数,N/ m,与上下夹支的软岩层的厚度及 力学性质有关;yx为基本顶垂直方向的位移,m。 文献7研究认为煤壁前方基本顶可作为半无 限长弹性基础梁,借鉴其成果可以使用叠加法求得弹 性基础梁的基本解,在 M0和 Q0作用下半无限弹性 基础梁的位移18为 y1x 2 k Q0x M0x2 式中,x e -x cos x,x e -x cos x-sin x; 为刚度比,k/4EI 1 4,反映了地基刚度与顶板弯曲 刚度之比;E 为基本顶的弹性模量,GPa;I 为基本顶 截面的惯性距,Ibh3/12,b 为基本顶的宽度,h 为基 本顶的厚度。 弹性地基梁嵌入段上的分布载荷 q 可表示为 qt1 q 0 aq0 x0 t 0 t x0 qt2 q 0 aq0 b - x0b - t x0 t b 3 式中,t 为超前煤壁的距离,m。 在其作用下梁的位移7可表示为 1333 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2019 年第 44 卷 y2x x 0 qt1 2k x - tdt x0 x qt1 2k t - xdt x0 0 qt1 k tx 1 2 tx dt x x0 qt2 2k x - tdt b x qt2 2k t - xdt b x0 qt2 k tx 1 2 tx dt4 式中, x e -xcosx sinx。 在弯矩 M0、剪力 Q0及分布载荷 q 作用下半无限 弹性基础梁的叠加位移为 yx y1x y2x5 当 xx0时, yx y1x y2x 2 k Q0x M0x aq0 4kb - x0 2b - 2x0x0- x x0b - x b - x - x0- x aq0 4kb - x0 2b - x0x - b - x0 x aq0 4kb - x02xx0x0 - bb b - x0 - aq0 4kb - x0 x2bb - 2x0x0 b - x0 aq0 4kx04x - 2x0x0 - x x - x0- x 2x0 - x0x0x aq0 4kx02x0x0 x0 - 1x q0 2k2 - b - x bx - bx 6 当 xx0时, yx y1x y2x 2 k Q0x M0x aq0 4kb - x02b - x02 - x - x0 - b - x aq0 4kb - x0 - 4x 2x0x - x0 2bb - x b - x - x - x0 aq0 4kb - x02b - x0x - b - x0x aq0 4kb - x02x x0x0 - bb b - x0 - aq0 4kb - x0x2bb - 2x0x0 b - x0 aq0 4kx02x0 - x0x0x 2x0x0 x0 - 1x aq0 4kx0 2x0x - x0 x - x - x0 q0 2k 2 - b - x bx - bx 7 式中, x e -xsin x。 基本顶弹性地基在弯矩 M0、剪力 Q0及分布载荷 qx作用下,煤壁上方 x0 处的转角较小,可将其视 为固支段,则对于一端固支的约束条件, Q0 1 2 q0 q gL - p0Lk, M0 q0 6 qg 3 L2- 1 4 p0L2 k 8 由 Mx EIy得出增压区悬臂梁弯矩为 当 xx0时 Mx 1 Q0x M0x aq0 83b - x0 2b - 2x0x0- x x0b - x b - x - x0- x aq0 83b - x0 2b - x0x - b - x0x aq0 83b - x0 2xx0x0 - bb b - x0 - aq0 83b - x0 x2bb - 2x0x0 b - x0 aq0 83x0 - 2x0x0- x x - x0- x 2x0 - x0x0x aq0 83x0 2x0x0 x0 - 1x q0 42 bx - bx - b - x9 当 xx0时 Mx 1 Q0x M0x aq0 83b - x0 2b - x0x - x0 - b - x aq0 83b - x0 2x0x - x0 2bb - x 2333 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 11 期冯龙飞等回采速度对坚硬顶板运动释放能量的影响机制 b - x - x - x0 aq0 83b - x0 2b - x0x - b - x0 x aq0 83b - x02xx 0x0 - bb b - x0 - aq0 83b - x0 x2bb - 2x0x0 b - x0 aq0 83x0 2x0 - x0x0x 2x0x0 x0 - 1x aq0 83x0 2x0x - x0 x - x - x0 q0 42 bx - bx - b - x 10 1 1 1 回采速度对顶板载荷特征的影响 文献19研究了回采速度对综放工作面围岩应 力、变形的影响,加大工作面回采速度,使前方支承应 力峰值越大,峰值位置距煤壁也越近;文献20通过 现场实测、相似模拟、数值模拟等手段,开展综采工作 面回采速度与矿压关系研究,得到相似结论;文献 21通过钻孔应力计对张集矿综采工作面开展不同 推进速度下的超前支承压力监测,工作面推进速度由 4 3 m/ d 向 13 2 m/ d 提高时,超前支承力峰值由 23 3 MPa 增大 31 7 MPa,峰值位置逐渐向煤壁靠 近,由 21 5 m 减值 10 5 m,超前支承压力影响范围 不断减小。 综上,如图 3 所示,在综放或综采工作面的一个 顶板垮落周期内,单位时间内煤体开挖量的增加必然 会造成垮落带内坚硬顶板悬臂梁长度的增加、载荷峰 值增量增大、载荷峰值位置前移以及增压载荷影响范 围减小等变化,相应造成煤体内积聚的弹性核更靠近 临空自由面,发生冲击的可能性增加。 因此需要定量 探究回采速度影响下各因素对坚硬顶板弯矩及弯曲 弹性能的影响。 取基本参数如下,弹性地基刚度 K500 MN/ m, 基本顶厚度 8 m,基本顶应变模量为 25 GPa,则计算 得 0 104 m -1 ,超前影响范围 b 60 m,均布载荷 q015 MPa,载荷集中系数 a1 5,载荷峰值位置距 煤壁距离 x03 m,悬臂梁段载荷 qg1 MPa,支护载 荷 p00 8 MPa,控顶距 Lk2 m,探讨不同单一影响 因素下顶板弯矩及弯曲弹性能变化。 1 1 2 回采速度对顶板弯矩的影响 采用控制变量法得到悬臂长度 L、基本顶载荷峰 值位置 x0、峰值应力集中系数 a 及超前影响范围 b 影 图 3 不同回采速度下悬臂梁结构的载荷分布特征 Fig 3 Load distribution characteristics of cantilever beam structure under different mining speed 响下的弯矩变化如图 4 所示,煤壁前方顶板梁弯矩呈 现出现先增大至峰值,后逐渐减小的变化规律。 如图 4a所示,随着回采速度的增大,造成悬臂 段长度的增加,使顶板梁各点弯矩值增大,且弯矩峰 值增幅尤为明显,但峰值位置并未发生改变。 峰值位 置截面上最大拉应力也不断增大,当拉应力达到岩石 的抗拉极限时,顶板梁就会发生断裂并释放弹性能。 如图 4b所示,顶板梁弯矩曲线呈现出先减小后升 高至峰值,然后减小的规律。 回采速度增大造成峰值 应力集中系数 a 增加,使顶板梁的弯矩峰值增大,但 峰值位置并未发生改变。 如图 4c所示,回采速度 增大造成载荷峰值位置 x0减小,即应力峰值位置距 煤壁越近,顶板梁的弯矩峰值越大,且弯矩峰值位置 逐渐靠近煤壁。 如图 4d所示,加快回采速度造成 超前影响范围 b 减小,但顶板梁的弯矩受影响较小。 1 1 3 回采速度对顶板弯曲变形能的影响 岩梁在 x 截面的应变能 Ux为 Ux M2x 2EI 11 由于弹性能的解析式过于复杂,本文采取离散化 方式,求得每一点对应的弹性能,探究单一因素对顶 板各点弯曲弹性能的影响,同样上述 4 个因素影响下 的弹性能如图 5 所示。 3333 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2019 年第 44 卷 图 4 受回采速度控制的敏感力学参数对顶板弯矩变化曲线 Fig 4 Curves of the roof bending moment under sensitive mechanics parameters controlled by mining speed 图 5 受回采速度控制的敏感参数对顶板弯曲弹性能影响曲线 Fig 5 Curves of the roof bending elastic energy under sensitive mechanics parameters controlled by mining speed 如图 5a所示,随着回采速度增大,造成悬臂段 长度 L 增加,顶板梁的弯曲弹性能急剧增加,且弹性 能集中于煤壁前方 20 m 范围内。 一旦发生断裂,释 放的弹性能也会陡然升高,很容易造成冲击。 如图 5b所示,回采速度增大造成峰值应力集中系数 a 增加,使顶板梁的弯曲弹性能增大,顶板梁断裂释放 4333 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 11 期冯龙飞等回采速度对坚硬顶板运动释放能量的影响机制 的能量也越大,使工作面的冲击危险性增大。 如图 5c所示,增大回采速度会促使支承压力峰值 x0前 移更靠近煤壁,从而使顶板梁的弯曲弹性能增大,发 生断裂时释放的能量也越大,但增幅较小。 如图 5d所示,加快回采速度造成超前影响范围 b 减小, 但顶板梁的弯曲弹性能大小变化较小。 由此可知,回采速度通过影响顶板岩层的受力特 征参数来实现对悬臂梁破断释放能量的控制,且加快 回采速度使顶板梁的悬臂段长度 L 和峰值应力集中 系数 a 增加,使支承压力峰值距煤壁位置 x0减小,均 能造成顶板弯曲变形能增大,释放弹性能增加,使工 作面的冲击危险性增大,且悬臂段长度 L 和峰值应力 集中系数 a 对悬臂梁破断释放能量的控制效果更为 明显。 上述力学分析结果主要是基于单因素的理想 力学模型推导求得,有助于理解回采速度对顶板弯曲 弹性能大小的作用机制。 1 2 回采速度对低位砌体梁结构的影响 对于大采高工作面,高位关键层断裂易形成砌体 梁结构,而结构的平衡与失稳又成为冲击矿压主要能 量源之一。 因此研究回采速度对砌体梁式结构平衡 与失稳的作用机制十分必要,由于顶板回转下沉量由 下而上逐渐减小,工作面覆岩关键层砌体梁式破断运 动存在如图 6 所示的 2 种情况。 若岩块 A 断裂前未 触矸,称为关键层未触矸破断,如图 6b所示;若岩 块 A 在破断前已触矸受到支撑,称为关键层触矸后 破断14,如图 6c所示。 其中,由于低位砌体梁未 触矸破断距煤层相对较近,故重点研究其破断时的弹 性能释放规律。 图 6 关键块 A 砌体梁破断的两种类型 Fig 6 Two breakage types of key block A 将岩块 A 简化为梁,力学模型如图 7 所示。 由 砌体梁理论,关键块 B 对未破断岩块 A 的载荷 R 为14 R 4h0- 3sin 22h0- sin qL 12 式中, h0 h L 为岩块的厚长比; 为岩块 B 的回转 角,。 图 7 岩块 A 简化力学模型 Fig 7 Simplified mechanical model of rock block A 在集中载荷 R 和均布载荷 q 作用下,悬臂梁最大 挠度位于梁末端,挠度表达式为 22h0- 15sin 242h0- sin qL4 EI 13 梁最大弯矩在固支端,最大正应力为 My I 3h - 2Lsin 2h - Lsin 6qL2 h2 Rt14 式中,Rt为岩梁的抗拉强度,MPa。 由此求得低位砌体梁结构回转角 与破断步距 的关系为 sin 2Rth3- 18hqL2 Rth2L - 12qL3 15 其回转角与破断时释放能量 Ub的公式为 Ub q2L5 20EI 4h0- 3sin 2h0- sin q2L5 8EI 4h0- 3sin 2h0- sin 2 q2L5 12EI 16 式16中,L 为关于回转角的函数,所以砌体梁 破断释放能量 Ub同样是回转角的函数。 取 Rt 7 MPa,q0 2 MPa,h6 m,E25 GPa,可得基本顶 的回转角与破断步距及破断释放能量曲线关系如图 8 所示。 高速回采造成采空区的充填程度较低,造成 岩块 A 距下方自由空间变大,不利于岩块 A 与岩块 B 铰接,同时由于岩块 B 与岩块 C 之间的垂距增大, 促使岩块 B 的回转变形角度增大,如图 9a所示,造 成岩块 B 对岩块 A 的作用力减小,从而使岩块 A 的 破断步距增大,大量现场周期来压监测均已证实这一 点21,23。 同时,促使岩块 A 破断释放的能量也大幅 增加。 甚至促使岩块 B 与岩块 C 之间不能形成铰接 结构,从而导致岩块 A 由慢速条件下的低位未触矸 砌体梁式破断转变为高位悬臂梁式破断,岩块 A 的 破断步距会近一步增大,其破断释放的能量级别更 大,强烈的矿震动载传播至采场煤岩处更容易发生冲 击破坏。 回采速度对砌体梁结构的破断影响还表现在快 5333 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2019 年第 44 卷 图 8 受回采速度控制的回转角与破断步距、顶板断裂释放能量的关系曲线 Fig 8 Curves of the roof breaking length and breaking releaseenergy under rotation angle controlled by mining speed 图 9 不同回采速度下的低位砌体梁破断特征 Fig 9 Structure shape of masonry beam under different mining speed 速推进时,由于煤壁及垮落带内的岩层伪增强的特 性,煤壁超前影响区内岩层的下沉量较小,但关键块 A 采空区侧下方的自由空间变大,一旦关键块 A 发 生断裂,施加至原关键块上的载荷会直接传递至关键 层以下的保持伪强的岩层,突然的动载和静载会促使 伪强的悬臂段岩层发生协同断裂回转下沉,瞬间作用 在前方煤壁和支护体上,导致煤壁的下沉速度突然增 加,冲击致灾的可能性增大。 2 临界回采速度的确定 无论是垮落内关键层的悬臂梁式结构,还是裂隙 带内低位砌体梁结构,加大回采速度均使其运动释放 的弹性能增加。 但从兼顾经济效益和安全生产角度, 工作面必然存在临界回采速度,使坚硬顶板运动释放 能量保持在适宜水平,不足以诱发冲击致灾。 由于不 同矿井、甚至同一矿井不同工作面的覆岩结构不同, 造成相应的临界回采速度也不同;微震作为采动过程 中连续实时监测手段,其能量水平揭示了采场周围实 时综合应力环境。 其中,在坚硬顶板大采高工作面采 场范围内,可以定位产生大量 104J 以上矿震,而微震 监 测 的 矿 震 能 量 一 般 为 岩 体 破 裂 释 放 能 量 的 0 1 1 24,则岩体本身破裂释放能量大于106 J, 大多由覆岩破断产生,即坚硬顶板运动释放的能量可 以由现场微震监测得到。 由此,可在特定矿井的某一 工作面得出回采速度与大能量矿震频次、总能量一 般为104J 以上的统计分布曲线,根据回采速度梯度 下顶板释放能量增量的大小,便可确定指导本工作面 或邻近工作面的临界回采速度。 3 工程实例 陕西彬长胡家河煤矿主采 4 号煤层,平均采深 680 m,煤层倾角小于 5,平均煤厚 23 m,采用分层综 放开采,上分层开采厚度 10 m,且煤层具有强冲击倾 向性,顶板为弱冲击倾向性。 402103 工作面作为 402 盘区的首采工作面,在掘进过程中多次发生冲击显 现,该工作面自 2015 年 7 月份开始回采,至 2016 年 12 月回采结束。 由图 10b所示,依据工作面附近 的 T2 钻孔揭露煤层上方约 5 m 处有一层 18 5 m 厚 粉砂岩,以及煤层 55 m 处的35 82 m 粗粒砂岩,岩层 强度较大,且在回采过程中,工作面发生过由周期来 压诱发的顶板型冲击,由此判定 402103 工作面顶板 属于坚硬顶板类型。 6333 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 11 期冯龙飞等回采速度对坚硬顶板运动释放能量的影响机制 图 10 不同回采速度下顶板破断的矿震响应分布 Fig 10 Mining earthquake response distributions of roof fracture under different mining speed 为探究回采速度与坚硬顶板断裂释放弹性能之