張軍鵬 張 亮 王東攀

（1.山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司，山西省長治市，046103；2.天地科技股份有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013）

霍爾辛赫礦3207大采高工作面煤層厚度5.0～5.6 m，采用一次采全厚采煤法。工作面長度220 m，布置ZY12000／28／60D型二柱掩護式液壓支架129架，二級護幫，最大護幫高度為2.8 m。本文通過現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)得知，當推進速度不同時，煤壁片幫情況也不同，結(jié)合頂板周期來壓步距、來壓強度，并借助FLAC3D數(shù)值模擬研究大采高工作面推進速度對煤壁片幫的影響。

1 礦壓觀測

3207工作面5月13日－5月25日平均推進速度為4.4 m／d，5月26日－6月14日平均推進速度為2.4 m／d。在這兩個時間段，每天檢修班通過激光測距儀測量煤壁片幫情況，并采集了工作面8＃、30＃、53＃、77＃、100＃、122＃液壓支架壓力記錄儀數(shù)據(jù)，對該段時間內(nèi)工作面周期來壓步距、動載系數(shù)進行分析，結(jié)果見表1和表2。

表1 工作面周期來壓步距 m

表2 周期來壓時動載系數(shù)

從表1中可以看出基本頂周期來壓步距隨日推進速度增大而減小，當推進速度為4.4 m時，基本頂周期來壓步距平均值為19.8 m；推進速度為2.4 m時，基本頂周期來壓步距平均值為14.7 m。工作面上部、中部、下部周期來壓步距差距不大，但由表2可以看出工作面中部平均動載系數(shù)較高為1.60，來壓強度大。

2 煤壁片幫觀測

期間觀測到的片幫起數(shù)為67起，片幫波及范圍262架支架，多出現(xiàn)在40?！?00＃支架間。片幫形式分3種：煤壁上部片幫占53%、煤壁中上部片幫占44%、整煤壁片幫占3%，片幫具體情況見表3和表4。

表3 煤壁片幫深度及高度統(tǒng)計表

表4 煤壁日片幫范圍大于10架的片幫情況統(tǒng)計表

從表3可以看出，工作面上部片幫情況明顯好于工作面中部和下部，41?！?0＃支架范圍內(nèi)，煤壁片幫情況最嚴重，平均片幫深度為960 mm，這是因為工作面中部頂板壓力大，煤壁塑性區(qū)大更容易片幫；從表4可以看出，在5月25日－6月12日工作面平均推進速度變?yōu)?.4 m／d后，煤壁日平均片幫深度和片幫架數(shù)明顯增大，這是因為推進速度變小后，工作面周期來壓步距變短，周期來壓次數(shù)增多，造成煤壁片幫次數(shù)及深度變大。結(jié)合周期來壓步距分析可知，工作面于5月15日、5月25日、6月8日、6月12日經(jīng)歷周期來壓期間煤壁片幫范圍都大于10架，日平均片幫深度也都大于0.6 m，明顯大于非周期來壓時期，因此可看出周期來壓對煤壁穩(wěn)定性影響較大。

3 數(shù)值模擬

整個煤巖層模型煤層和直接頂?shù)奈锢砹W參數(shù)均按礦方提供數(shù)據(jù)給定，不詳數(shù)據(jù)參考了相關(guān)同巖性試驗結(jié)果。模型四周邊界均固定水平位移，底端邊界固定垂直位移，頂端邊界施加均勻載荷，模型高度為75 m，上覆380 m巖層載荷按巖體垂直應力施加到模型頂部，模型初始位移和速度均按零計算。原始主應力方向分別與模型3個坐標軸一致，大小均相等。模型采用莫爾－庫論（Mohr－Coulomb）破壞準則，煤巖層層理使用Interface單元進行模擬。

由于運算時步的大小可以間接反映工作面推進速度的快慢，因此為研究工作面推進速度對煤壁片幫的影響，采用調(diào)節(jié)運算時步來間接反映工作面推進速度對煤壁片幫的影響。模擬運算時步分別為800步、1000步、1200步、1400步、1600步、2400步6種情況。模擬時支護強度和護幫水平推力均設(shè)置為零，采高為5.69 m，推進距離為60m。

3.1 煤壁附近煤體的水平位移

圖1為不同運算時步下距離煤壁不同位置處煤體的水平位移，橫坐標是煤體與煤壁的距離，縱坐標為水平位移。可以看出，隨著模擬時運算時步的加大，煤體的水平位移也相繼增大。當運算時步為800步時，煤壁處水平位移為－125 mm；當運算時步為1000步時，水平位移增大到為－187 mm；當運算時步為1200步時，水平位移增大到為－200 mm；當運算時步為2400步時，水平位移增大到為－406 mm。從圖1還可以看出，距煤壁0～6 m范圍內(nèi)的煤體水平位移較大。當煤體水平位移增大，煤壁穩(wěn)定性下降，發(fā)生片幫的概率也逐漸增大。

圖1 不同運算時步下煤體最大水平位移圖

3.2 煤壁附近煤體的破壞狀態(tài)

根據(jù)模型單元體的應力云情況可以得知，當模擬運算時步為800步時，煤壁附近的煤體發(fā)生了剪切破壞和拉伸破壞，剪切破壞區(qū)延伸到煤壁前方6 m，拉伸破壞和剪切破壞疊加區(qū)延伸到煤壁前方1 m；當運算時步增大到1000步時，拉伸破壞區(qū)無變化，剪切破壞區(qū)擴大，延伸到煤壁前7 m；當算時步繼續(xù)增加到1200步時，拉伸破壞區(qū)延伸到煤壁前方2 m，剪切破壞區(qū)繼續(xù)擴大，延伸到工作面前方8 m。

綜合現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析可知，隨著模擬運算時步的加大，煤壁附近煤體的水平位移、剪切破壞區(qū)、拉伸破壞區(qū)均會增加，導致煤體的破壞程度加大、煤體的穩(wěn)定性降低。運算時步減少間接反映為工作面推進速度的增大，所以增大推進速度能有效增加煤壁的穩(wěn)定性，降低煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)論

對于大采高工作面，推進速度過慢會直接導致周期來壓步距變短、來壓次數(shù)變多、煤壁暴露時間長，而基本頂頻繁周期來壓使煤體受到?jīng)_擊次數(shù)增多，造成煤體塑性區(qū)、煤體剪切破壞區(qū)、拉伸破壞區(qū)增大，造成煤壁處煤體的穩(wěn)定性下降，致使煤壁片幫深度和片幫范圍增大，建議大采高工作面適當提高推進速度。

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