综采面推进速度与前方支承压力关系研究

金成龙，谌计强，左鹏鹏，张寿朋，朱先博

(1、国投新集能源股份有限公司；2、神华宁夏煤业集团)

1 工作面概况

1782(3)工作面为东四采区13-1煤层综采工作面，该工作面南部的1772(3)工作面已回采结束；其上部的1782(1)工作面已回采结束；西至1551(3)采空区；东部的1782(3)工作面已回采结束。工作面标高-630～-680 m，走向长度为1 120 m，倾向长度为161 m，煤层厚度为2.18～4.7 m，平均厚度为4 m，煤层平均倾角7°。工作面预计收作线为距离西二回风煤下山70 m。预计可采储量为100.8万 t。煤层顶板为2.1 m厚的泥岩，局部发育13～2煤层。底板为平均厚度为2.3 m的泥岩。工作面内总体层理较稳定，局部有泥岩夹矸。煤层以块状为主，粉末状次之。软分层厚度一般为0.5 m左右。该面煤层呈单斜状，工作面内13-1煤层以块状暗煤为主，夹亮镜煤条带。属半暗～半亮型煤。根据三维地震勘探资料及邻近采掘资料分析，块段内西段地质构造较复杂，东段地质构造较简单。1772(3)运输巷施工中揭露的7条断层落差均在0.5～2.5 m。1782(3)运输巷揭露的Fa5和F18断层对施工影响较大。

2 现场测试

为了获得回采期间工作面前方支承压力分布情况，在机巷上帮和风巷下帮煤体内布置3个测站应力计，应力计长度为10 m，测站的间距为100 m(工作面回采时，下一测站应力计基本不受工作面不同推进速度的影响)，第一测站应力计距工作面120 m，试验工作面钻孔应力计布置平面图见图1，在回采期间对工作面前方支承压力进行了观测。

图1 工作面钻孔应力计布置平面示意图

3 工作面前方支承压力观测与分析

为较好测定工作面前方支承压力并使3个测站应力计所测的数据形成对比，特使工作面推过3个测站应力计的过程中推进速度不同。工作面从距第一测站100 m处开始以3 m/d左右的推进度匀速推进，直至推掉第一测站应力计(应力计A、B)；从距第二测站100 m处开始以5 m/d左右的推进度匀速推进，直至推掉第二测站应力计(应力计C、D)；从距第三测站100 m处开始以8 m/d左右的推进度匀速推进，直至推掉第3测站应力计(应力计E、F)。

应力计应力的计算公式：

σi=c︱(fi2-f02)︱

式中:

σi—第i次观测数据对应的支承压力， MPa；

c—每个应力计出厂时的系数，MPa/Hz2；

fi—第i次观测的数据，Hz；

f0—初始值，Hz。

文献[2]、[3]对工作面回采时巷道深部围岩位移规律、围岩表面位移规律及综放采场支承压力分布规律进行了试验研究。

在回采期间对试验工作面前方支承压力进行观测，将现场收集的数据进行了处理(除去异常数据，出现异常数据可能的原因：打应力计孔时，由于施工原因使孔底偏向工作面，采煤机割煤时割到应力计端部，使应力突然增大，从而使数据异常不可用)，经整理分析可得工作面前方支承压力沿走向的分布规律和变化规律，结果见图2，图3。

图2 工作面前方支承压力变化曲线(运输巷)示意图

图3 工作面前方支承压力变化曲线(回风巷)示意图

分析图2和图3可得：

1) 工作面推进速度不同时，工作面前方支承压力峰值大小、峰值位置有所不同。随着推进速度的增加，支承压力峰值逐渐增大，峰值位置逐渐向工作面靠近。

随着工作面距测站应力计的不断靠近，工作面前方支承压力逐渐增加，直至峰值，随后支承压力急剧下降。推进速度为3 m/d时，距工作面约25 m处达到峰值；推进速度为5 m/d时，距工作面约17～18 m处达到峰值；推进速度为8 m/d时，距工作面约10 m处达到峰值。

2) 分析应力计A、C、E与应力计B、D、F的峰值可知，当工作面推进速度相同时，风巷下帮工作面前方支承压力比机巷上帮工作面前方支承压力大，峰值处前者比后者大2～3 MPa，这主要是因为该面上部工作面已回采结束，该处煤体除了受本工作面回采的影响，还受上部工作面回采后残余支承压力的影响。

3) 在距工作面前方95 m处，工作面前方支承压力就开始受工作面回采的影响。推进速度不同时，支承压力快速升高和降低的范围不同。随推进速度的增加，支承压力快速升高和降低的范围逐渐靠近工作面。

由上述分析可以看出：推进速度不同时，工作面前方支承压力峰值和位置亦不同；推进速度相同时，工作面前方支承压力峰值位置基本相同，但峰值大小不同，风巷下帮工作面前方支承压力高于机巷上帮工作面前方支承压力。随着工作面推进速度的增加，工作面前方支承压力峰值位置向工作面煤壁靠近，峰值应力增大。

工作面推进速度较慢时，在同一位置停滞的时间较长，将增大巷道的变形量，使巷道断面减小，降低巷道的稳定性，从而不能满足通风、生产的要求；工作面推进速度较快时，在同一位置停滞的时间则较短，但会使工作面前方支承压力峰值位置向工作面煤壁靠近，峰值应力增大，将不利于工作面液压支架对顶板的支护，严重时会压死支架，同时也不利于巷道的支护，对安全生产带来威胁。现场生产应根据工作面前方支承压力的分布规律和变化规律，适当加快工作面推进速度，减少工作面在同一位置的滞留时间，有利于保持巷道的稳定性和改善巷道维护状态，对保证安全生产具有一定的意义。

根据以上分析，结合该工作面的地质情况，该面以5 m/d左右的推进速度是比较合理的。该工作面的研究对生产具有一定的指导意义，值得条件类似的工作面参考，从而确定合理的推进速度，使工作面达到高产高效。

4 数值模拟

根据1782(3)工作面的具体条件，应用Flac 3D建模原则，采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则对不同推进速度下煤体的塑性区破坏区、支承压力分布规律、变化规律进行了模拟。不同推进速度下的煤体破坏区分布见图4，不同推进速度下的煤体前方支承压力(SZZ)分布见图5。

图4 不同推进速度的SZZ示意图

分析图4可知，煤层的开采导致了工作面前方煤体内产生塑性破坏区，推进速度不同，煤体内的破坏区分布不同。随着推进速度的增加，工作面煤壁前方的破坏区不断扩大，推进速度为8 m/d时工作面煤壁前方的破坏区尤为明显。

分析图5可知，煤层的开采导致了工作面前方煤体内产生支承压力(SZZ)并出现应力集中，推进速度不同，煤体内的支承压力分布范围不同，应力集中程度也不同。随着推进速度的增加，工作面前方煤体内支承压力的范围不断扩大，峰值不断增大且峰值位置逐渐向工作面靠近，应力集中程度也相应增大，推进速度为8 m/d时的应力集中程度尤为明显。

由上述分析可知，模拟分析结果与现场实测分析结果基本一致。现场生产应根据工作面前方煤体内的塑性破坏区、支承压力的分布范围及应力集中程度，确定合理的推进速度，使工作面达到安全高产高效。

图5 工作面前方支承压力变化曲线(回风巷)示意图

5 结 论

1) 工作面前方支承压力在走向上存在应力峰值，随着工作面推进速度的增加，工作面前方支承压力峰值位置向工作面煤壁靠近，峰值应力增大。推进速度相同时，工作面前方支承压力峰值位置基本相同，但峰值大小不同，在风巷下帮工作面前方支承压力高于机巷上帮工作面前方支承压力。

2) 采用Flac 3D对现场条件进行了数值模拟，模拟分析结果与现场实测分析结果基本一致。

3) 现场生产应根据工作面前方煤体内的塑性破坏区范围、支承压力的分布规律和变化规律及应力集中程度，确定合理的推进速度，从而使工作面达到安全高产高效。

[1] 石平五,许少东.综放沿空掘巷矿压显现规律研究[J]. 矿山压力与顶板管理, 2004 (1):31-33.

[2] 谢广祥,杨科,刘全明.综放回采巷道围岩变形规律的现场实测研究[J]. 煤炭工程, 2004 (8):50-52.

[3] 谢广祥,杨科,常聚才.综放回采巷道围岩力学特征实测研究[J]. 中国矿业大学学报, 2006(1):94-98.

[4] 王永秀,齐庆新,陈兵,等.煤柱应力分布规律的数值模拟分析[J]. 煤炭科学技术, 2004 (10):71-72.

收稿日期 2010-06-16