厚煤层采煤工作面推进速度与矿压显现关系研究

冯 伟

(汾西矿业集团公司，山西 介休 032000)

提高回采工作面推进速度可以在一定程度提升矿井煤炭产生及经济效益，然而在一定条件下随着回采速度的增加，矿压显现强度会更为明显，严重时甚至会出现矿压灾害[1～2]。因此，有必要对回采工作面推进速度与矿压显现特征间关系进行研究，合理确定采面回采速度。部分学者已经对回采工作面推进速度对矿压显现造成的影响进行研究[3～6]，其中金成龙等用现场实测方法对回采工作面不同推进速度下的超前支承压力分布、变化情况进行实测分析；陈通对回采工作面矿压进行监测，并给出采面推进速度与采面顶板周期来压间的本构模型；部分学者用UDEC软件对采面回采速度与覆岩顶板破坏深度间关系进行研究。但是对于厚煤层开采时的采面推进速度与矿压显现的关系研究方面内容较少。本文就对厚煤层开采时矿压显现规律进行研究。

1 工程概况

山西某矿8306采面开采的3号煤层埋深450m，厚度平均13.6m，倾角在2～5°，接顶为砂质泥岩、老顶为粗砂岩。8306采面设计回采距离1756.5m，斜长195m，采用综放开采方式，采高为3.9m，采放比为1∶2.49，推进速度为4.8m/d。8606采面与8306采面位于同一地单元内，煤层赋存以及开采工艺一致，为了提升矿井煤炭产量，采面推进速度为6.4m/d。

由于回采工作面开采过程中矿压显现明显，在8306采面矿压显现主要表现为采面液压支架工作阻力增加明显、立柱损坏、安全阀频繁开启、顶板下沉量较大、回采巷道底鼓及煤壁片帮严重。

2 采面推进速度与矿压显现模拟分析

根据8306采面地质资料，采用FLAC3D软件构面模拟模型(长×宽×高=400m×200m×130m)，对采面开采时的矿压显现情况进行分析。

2.1 走向应力分布

随着回采工作面推进速度的增加，3号煤层上覆岩层应力减低区范围及高度不断增加，采面前方超前支承压力影响范围以及应力集中程度更为明显。随着采面推进速度的增加，采面覆岩受扰动范围加大，覆岩移动造成的矿压显现也更为明显。

图1 走向方向采面推进速度与支承压力峰值变化关系

从图1可以看出，随8306采面开采推进速度增加，采面开采引起的超前支承压力呈现增加趋势，同时回采工作面推进至200m位置时，超前支承压力最大。从图4可以看出，随着采面推进速度的增加，开采引起的超前支承压力峰值有所增加且峰值位置与采面距离缩短。当回采工作面推进至200m位置且采面保持8m/d推进速度时，超前支承压力峰值为23.5MPa，距煤壁距离为8.2m；当采面推进速度为6.4m/d时，支承压力峰值在23.2MPa,与煤壁距离在11.8m；采面推进速度降低至4.8m/d时，支承压力峰值在22.6MPa,与煤壁聚聚增加至14m。矿井8606采面现推进速度为6.4m/d，在满足矿井生产需要前提下，适当的降低推进速度可以在一定程度上减少采面前方支承压力强度，降低矿压显现强度。

2.2 倾向应力分布

从图2可以看出，在相同的推进距离，随着采面推进速度加大，采面两侧位置处的压力峰值更大，应力集中更为明显。当采面推进至200m位置时，回采速度为4.8m/d、6.4m/d、8.0m/d时采面侧向支承压力峰值分别为14.3MPa、17.2MPa及18.3MP。沿着采面倾斜方向上，支承压力分布呈拱形分布，具体的压力拱分布高度随着回采工作面推进速度增加而加大，在压力拱拱脚处压力值也呈现增加趋势。

图2 倾向方向采面推进速度与支承压力峰值变化关系

从数值模拟结果看出，随着采面推进速度增加，开采引起的超前支承压力峰值也呈现增加趋势，应力峰值位置与采面间距缩小，采面矿压显现更为明显；采面推进速度越快，在倾斜方向上形成的压力拱范围越大，回采工作面液压支架受到的压力越大。因此，当回采工作面矿压显现强度较大时，适当的降低回采工作面推进速度，可以在一定程度上降低液压支架受力及采面来压强度，降低回采巷道超前支护压力。

3 采面不同推进速度周期来压分析

8306采面与8606采面位于同一地质单元内，采用的采煤工艺一致，前者推进速度为4.8m/d，后者推进速度为6.4m/d。通过监测采面液压支架工作阻力，来分析回采工作面不同推进速度对采面周期来压影响。具体8306采面与8606采面开采时液压支架支承阻力变化情况见图3。

图3 采面周期来压情况

从图看出，由于8306采面推进速度相对较慢，采面周期来压步距及来压强度均较低，8606采面推进速度相对较快，采面周期来压步距及来压强度均有所增加，两个回采工作面周期来压显现特征有显著的差异。

对两个回采工作面周期来压情况进行统计，8306采面在6.4m/d推进时，周期来压步距平均为18.1m，来压持续长度平均1.64m，动载系数平均1.53。从统计的17次周期来压发现，其中的4次周期来压强度较大，其余的13次周期来压强度中等，强来压占到总来压次数比率为30.7%。8606采面在6.4m/d推进时，周期来压步距平均为21.39m，来压持续长度平均2.93m，动载系数平均1.85。从统计的12次周期来压发现，其中的8次周期来压强度较大，其余的13次周期来压强度中等，强来压占到总来压次数比率为66.67%。

从现场实测发现，随着回采工作推进速度增加，采面周期来压步距、来压强度均呈现增加趋势，来压持续范围以及动载系数也随之加大，采面开采时矿压显示更为显著。提升采面推进速度不仅不能实现甩压，反而会增加采面矿压来压强度，加剧矿压显现对回采工作面影响。回采工作面在正常开采期间(未周期来压时)，由于顶煤未能与回采支架充分作用，导致支架工作阻力偏低，采面周期来压时由于支架受到顶板压力增加，导致支架受到的动载系数加大。

4 总结

(1)厚煤层综放开采时，随着回采工作面推进速度增加，采面前方超前支承压力峰值以及影响范围均呈现增加趋势，支承压力峰值与煤壁间距缩小，支架受力增加，采面矿压显现加剧。

(2)提升采面推进速度不仅不能实现甩压，反而会增加采面矿压来压强度，加剧矿压显现对回采工作面影响。

(3)矿井在开采3号煤层时，采面围岩应力较大，矿压显现明显，采动覆岩移动活跃与回采工作面推进速度较快密切相关。适当降低回采工作面推进速度可以改善采面开采时的围岩受力环境，降低矿压显现对采面开采影响。