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）

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。

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

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。

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。

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。