工作面上覆岩层蠕变活动对支架工作阻力的影响

徐　刚，宁　宇，闫少宏

(1．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京　100013;2．煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京　100013;3．中国煤炭科工集团有限公司，北京　100013)



工作面上覆岩层蠕变活动对支架工作阻力的影响

徐刚1，2，宁宇3，闫少宏1

(1．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2．煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013;3．中国煤炭科工集团有限公司，北京100013)

摘要:针对工作面推进速度对支架工作阻力有较大影响的实际情况，特别是在工作面非生产期间，支架工作阻力并没有维持不变，而是在缓慢增阻，没有相关理论解释这种现象。对比岩石蠕变曲线和在非生产期间支架工作阻力曲线的相似性，通过岩石蠕变特性和理论模型，分析不同时期(检修、长时间停产)支架工作阻力“蠕变”特性，并以崔木煤矿21305工作面为研究对象，采用西原简化模型分析了支架阻力与时间的关系。研究结果表明:检修期间和长时间停产期间支架工作阻力与时间关系符合简化西原模型蠕变方程，且不同支架间拟合曲线具有较强的一致性，说明工作面非生产期间，顶板蠕变活动是影响支架工作阻力的主要因素之一;拟合曲线相关度较高，说明通过该理论利用已有数据可以较为准确预测支架工作阻力(在同一循环内)。研究结果解释了工作面推进速度影响支架工作阻力的原因。

关键词:支架工作阻力;顶板下沉量;蠕变活动;矿压显现

徐刚，宁宇，闫少宏．工作面上覆岩层蠕变活动对支架工作阻力的影响［J］．煤炭学报，2016，41(6):1354－1359．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1416

Xu Gang，Ning Yu，Yan Shaohong．Effect of overburden strata creep activities on working face support resistance［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1354－1359．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1416

大量的工程实践表明，在许多情况下，岩石工程的失稳和破坏并不是在开挖完成或工程完工后立即发生的，而是经历了一个长期过程［1－3］。蠕变特性是岩石的一个重要特征，在许多岩石中都发现了蠕变特征的存在，蠕变被定义为恒定荷载作用下岩石的持续变形，不同岩石蠕变曲线及特征不同［4］。随着对工作面矿压显现的深入研究，发现蠕变对其有重要的影响。尹光志教授揭示了平煤集团十矿戊9－10煤层顶底板岩层的蠕变特性以及由此引起的顶底板破坏形式［5］;常西坤分析了上覆岩层蠕变引起的地表下沉，并回归了地表下沉与时间的关系式［6］;王金安教授研究了房柱式采空区顶板因矿柱流变而产生变形，引起顶板内拉应力的变化，认为松弛型伯格斯体较好的反映了支撑矿柱的流变特性，顶板位移是一个关于时间t的指数型函数［7］。

通过现场实测和分析，发现工作面推进速度越快，工作面支架工作阻力越小，矿压显现越不强烈［8－12］。以崔木煤矿21305综放工作面所观测的20个支架工作阻力统计分析，得出工作面推进速度与支架循环末阻力平均值(20个支架)关系，如图1所示，当工作面每天推进为1～2刀时，工作面支架平均末阻力达到近15 000 kN，当工作面每天推进为10刀时，平均末阻力降为12 500 kN。工作面上覆岩层形成的“砌体梁”静态结构模型和关键层等传统理论无法解释该现象，本文引入蠕变理论和模型分析工作面支架工作阻力随时间变化的关系。

图1　工作面推进速度与工作阻力关系Fig.1　Relationship between advance velocity of working face and support working resistance

1　上覆岩层活动与支架工作阻力的关系

工作面开挖后较短时间内会引起工作面顶板及上覆岩层相对剧烈活动(包括断裂、垮落、失稳等)，这个阶段为顶板剧烈活动阶段，该阶段引起的支架工作阻力变化，称为支架工作阻力剧烈变化阶段。经过剧烈活动后形成相对稳定的结构(如砌体梁结构、铰接结构等)［13－15］由于岩石蠕变特性，在上覆岩层载荷和自重作用下会发生蠕变变形，致使形成的稳定结构发生缓慢的下沉、旋转、挤压、压缩等活动，该阶段称为蠕变活动阶段，这类缓慢的活动导致的支架工作阻力发生相对缓慢增阻称为支架工作阻力蠕变阶段。无论在哪个阶段，支架工作阻力增加(安全阀开启前)惟一原因是顶板下沉，其两者关系为

式中，P为支架工作阻力，N;Kz为支架刚度;Pa/m;z为顶板下沉量，m;S为支架控顶面积，m2。

对于正在推进的工作面，一般情况下，支架控顶区和煤壁前方基本顶及上覆岩层不会断裂，如图2所示，煤壁前方和工作面上方的基本顶为无限长弹性基础连续岩板。工作面前方基本顶以直接顶—煤层(未开采)—底板为弹性基础半无限长连续板，工作面支架上方基本顶以直接顶—顶煤—支架—底板为弹性基础的半无限连续板。根据Winkler关于地基理论分析，建立弹性基础板力学关系，工作面控顶区顶板下沉量计算公式［16－17］为

式中，E为基本顶弹性模量，Pa;J为顶板惯性矩，m4; pz为作用在顶板上的力，Pa;K为控顶区系统刚度，Pa/m;km为煤壁前方系统刚度，Pa/m;x为距离煤壁距离，m。

图2　综放工作面弹性基础板力学系统模型Fig.2　Elastic foundation plate mechanical model

根据岩石蠕变理论知，岩石蠕变改进的西原模型符合公式［18］:式中，E1，E2为岩石弹性模量，Pa;η1为黏性系数;ε为应变;σ为应力;t为时间。

式(2)为工作面开采后顶板下沉量计算公式，为静态值，实际工作面顶板下沉量随着时间是变化的，因此，现把整个支架上方顶板看成为一个宏观岩体，认为该宏观岩体符合改进的西原模型，把式(3)相应单个岩块力学参数替换为宏观顶板岩体力学参数，其宏观顶板下沉量蠕变方程为

式中，E'1，E'2为宏观顶板岩体弹性模量;η'1为宏观顶板岩体黏性系数;z(t)为顶板下沉量，其他参数同上。

把式(4)代入式(5)中，再令

蠕变阶段支架工作阻力公式简化为

2　P－T曲线与岩石蠕变曲线相似性

在上节分析中，假设了西原模型符合支架工作阻力蠕变阶段的蠕变特性，并简化了蠕变模型。现通过支架工作阻力曲线(P－T曲线)与岩石蠕变对比，分析上述假设的正确性。

图3为典型的P－T曲线，该曲线主要反映工作面支架工作阻力随时间变化规律及特征。支架增阻主要是由于顶板下沉形成的，且与顶板下沉量成正比，如式(1)所示，支架增阻量实际是反应了宏观顶板岩体下沉量的大小。支架工作阻力总增阻量ΔP(末阻力与初撑力之差)由3个阶段构成，分别为采煤机割煤后增大控顶面积以及扰动顶板活动(包括顶板断裂、失稳等)形成的增阻，和由于邻架移架导致的顶板压力转移至本架形成的增阻ΔP3，以及没有生产和移架导致的增阻ΔP2。ΔP2与ΔP1，ΔP3相比，增阻更为缓慢且持续时间较长，有时在工作面非生产期间(如检修、停产期间)ΔP2在占总增阻ΔP达到了70%以上，如图4所示，崔木煤矿21305工作面停产期间(10 d)支架工作阻力从10 000 kN增至16 000 kN。

图5为砂岩在不同应力下应变随时间的变化曲线，在开始时应变变化较快，随着时间的延长应变速度有所缓和，到100 h后应变非常缓慢，但变形一直在持续。通过图3，4与5对比可知，3者有较好的相似性:①曲线形状较为类似，符合指数函数，图3和4支架工作阻力曲线纵坐标为载荷，图5为不同应力下的蠕变曲线纵坐标为应变，虽纵坐标不同，但代表意义相同，因支架工作阻力变化主要是由于顶板下沉引起的，且成线性关系;②在初始应变(工作阻力)时变化速率较快;③经过一段时间后，应变(工作阻力)在没有其它外在条件变化的情况下，还持续在增大，只是变化速率有所减慢。因此，采用蠕变理论分析由于顶板蠕变活动引起的支架工作阻力蠕变特性可行的。

图3　典型支架P－T曲线Fig.3　Typical support P－T curve

图4　停产期间P－T曲线Fig.4　P－T curve during production period

图5　砂岩在不同应力下的蠕变曲线Fig.5　Sandstone creep curves at different stress

3　支架工作阻力蠕变曲线

崔木煤矿21305综放工作面开采侏罗系中统延安组3号煤层，埋深在400～500 m，煤层厚度6～34.20 m，平均厚度为16.89 m，赋存较为稳定，煤层倾角为1°～14°，平均倾角6°。煤层顶板多为深灰色泥岩、砂质泥岩及粉砂岩、细中粒砂岩，最大厚度12.76 m，局部有0.20～1.00 m的炭质泥岩伪顶。工作面长度为200 m，支架工作阻力为15 000 kN。现以崔木煤矿21305综放工作面支架工作阻力为例，分析顶板蠕变活动引起的支架工作阻力蠕变特征。

由于正常生产期间，每个循环时间约为1 h，主要处于支架工作阻力剧烈变化阶段，蠕变特性不明显。现主要分析在检修期间和长时间停产期间由于上覆岩层蠕变活动，导致的支架工作阻力蠕变与时间的关系。

检修期间选取了21305工作面13号支架4个不同循环为研究对象，在去除约100 min顶板强烈活动阶段影响后，拟合曲线和蠕变模型参数如图6和表1所示。长时间停产期间选取了21305工作面春节停产期间(2015－02－15—2015－02－23)4个支架各1个循环为研究对象，在去除约1～5 h前期顶板活动影响和安全阀开启期间(支架工作阻力基本不变化，无法分析)影响，拟合曲线和蠕变模型参数，如图7和表2所示。

图6　检修期间支架工作阻力蠕变拟合曲线Fig.6　Support working resistance creep fitting curves during maintenance period

表1　检修期间支架工作阻力蠕变函数Table 1　Support working resistance creep functions of maintenance classes

表2　停产期间支架工作阻力蠕变函数Table 2　Support working resistance creep functions during off production period

从以上可以看出，①拟合曲线相关度较高，相关性R2最小为0.815，最大为0.949，检修和停产期间支架工作阻力符合蠕变理论西原简化模型。②拟合后西原模型中的B，C值比较稳定，说明在同一时期覆岩蠕变活动具有一致性。检修期间B在1 772～2 711，C值有 3个循环为 0.001，第 4个循环为0.000 61;长时间停产期间9号和44号支架C值为0.007，25号和75号支架C值为0.009。③ 每个循环的斜率都为减函数，表明随着时间延长增阻速率越来越小，与岩石蠕变模型一致。④ 式(6)中的A意义为初撑力P0，BeCt表示增阻量。

图7　停产期间支架工作阻力蠕变拟合曲线Fig.7　Support working resistance creep fitting curves during off production period

4结　　论

(1)支架工作阻力增阻由顶板剧烈活动和蠕变活动引起，在非生产期间支架工作阻力曲线与岩石蠕变曲线具有良好的相似性。

(2)顶板及上覆岩层形成的稳定结构在上覆岩层载荷和自重作用下会发生蠕变变形，引起稳定结构发生缓慢的下沉、旋转、挤压、压缩等活动。

(3)检修和停产期间支架工作阻力符合蠕变理论西原简化模型，拟合曲线相关度较高，相关性R2最小为0.815，最大为0.949。

(4)在同一时期或阶段顶板覆岩蠕变活动具有一致性，该理论很好的解释了工作面推进速度与支架工作阻力成反比的关系。

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中图分类号:TD323

文献标志码:A

文章编号:0253－9993(2016)06－1354－06

收稿日期:2015－09－25修回日期:2015－11－25责任编辑:常琛

基金项目:国家自然科学青年基金资助项目(51304115，51174106)

作者简介:徐刚(1979—)，男，内蒙古商都人，副研究员，博士研究生。E－mail:xugang@tdkcsj．com

Effect of overburden strata creep activities on working face support resistance

XU Gang1，2，NING Yu3，YAN Shao-hong1
(1．Coal Mining＆Design Department，Tiandi Science and Technology Co．，Ltd．，Beijing100013，China;2．Coal Mining＆Design Branch，China Coal Research Institute，Beijing100013，China;3．China Coal Technology and Engineering Co．，Ltd．，Beijing100013，China)

Abstract:According to the influence of advance speed of working face on support working resistance，especially during the non-productive period of working face，support working resistance does not remain unchanged，but slowly increases．Currently there has been no theory to explain this phenomenon．Based on the creep characteristics and theoretical models of rock，and by contrasting the similarity of creep curve of rock and support working resistance curve during the non-productive period，this paper analyzed the support working resistance“creep”characteristics at different stages (production，maintenance，long-time off production)．By studying No．21305 working face in Cuimu Mine，China，the paper also fitted the relationship between support working resistance and time．It indicates that the creep equations and fitting curves of Nishihara simplified model have a strong consistency during the period of maintenance and long-time off production．This indicates that if off production time is longer，the influence of roof creep activities on support working resistance is more obvious．Fitting curve correlation is relatively high．By using existing data，this theory can accurately predict future support working resistance(in the same circle)．The results explained the influence of working face advance velocity on support working resistance．

Key words:support working resistance;roof sinkage value;creep activities;mine strata pressure behavior