劉宜平

(皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 任樓煤礦，安徽 淮北 235123)

推進(jìn)速度對(duì)薄基巖工作面提高回采上限的影響

劉宜平

(皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 任樓煤礦，安徽 淮北 235123)

通過實(shí)測(cè)、理論分析等手段，就任樓煤礦首個(gè)提高回采上限工作面的推進(jìn)速度對(duì)該面礦壓顯現(xiàn)、涌水量變化及地表長(zhǎng)觀孔水位變化的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，推進(jìn)速度較快時(shí)，工作面來壓步距明顯增大，動(dòng)載系數(shù)、支架載荷、來壓持續(xù)長(zhǎng)度等變化不大。推進(jìn)速度越均衡，回采對(duì)頂板的破壞程度越小，出現(xiàn)冒頂、漏矸等顯現(xiàn)減少，工作面涌水量和出水范圍減小，而對(duì)應(yīng)的地表長(zhǎng)觀孔水位變化相對(duì)平穩(wěn)。針對(duì)提高回采上限的薄基巖工作面，提出均衡推進(jìn)的措施，同時(shí)加強(qiáng)頂板支護(hù)管理，避免漏冒，以實(shí)現(xiàn)提高開采上限薄基巖工作面的安全回采。

推進(jìn)速度；薄基巖；提高回采上限；關(guān)鍵層

InfluenceofMiningSpeedonMiningFaceunderThinBasementRock

煤礦回采工作面推進(jìn)速度的變化對(duì)采場(chǎng)礦壓及圍巖應(yīng)力變化的影響已經(jīng)開展了大量的研究：王曉振[1]等就淺埋條件高速推進(jìn)對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響進(jìn)行了研究，得出了神東礦區(qū)高速開采模式下的特有規(guī)律；王金安[2]定性提出了適當(dāng)提高綜放開采推進(jìn)速度有利于工作面管理和安全生產(chǎn)；謝廣祥[3]認(rèn)為適當(dāng)提高推進(jìn)速度，有利于巷道維護(hù)與保持巷道穩(wěn)定性；張學(xué)會(huì)[4]等通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，認(rèn)為隨著推進(jìn)速度的增加，工作面來壓步距和支架工作阻力會(huì)變大，煤壁片幫率會(huì)突增；劉全明[5]利用數(shù)值模擬手段對(duì)淺埋條件下工作面礦壓顯現(xiàn)的推進(jìn)速度效應(yīng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)工作面超前支承壓力、應(yīng)力峰值、應(yīng)力大小及支架工作阻力隨著工作面推進(jìn)速度的增加而呈減小趨勢(shì)；馬海峰[6]分析了工作面在慢速和快速推進(jìn)情況下工作面前方煤體應(yīng)力分布和變化規(guī)律，認(rèn)為適當(dāng)加快工作面推進(jìn)速度，有利于保持巷道的穩(wěn)定性和改善巷道維護(hù)狀態(tài)；陳通[7]等通過實(shí)測(cè)得出，推進(jìn)速度加快后周期來壓步距加大，認(rèn)為推進(jìn)加快可以減少來壓次數(shù)，對(duì)生產(chǎn)有利。那么在含水層下提高回采上限開采區(qū)域內(nèi)，基巖較薄且受含水層影響，工作面推進(jìn)速度的差異會(huì)對(duì)薄基巖工作面的回采產(chǎn)生怎樣的影響，是尚未研究的問題。針對(duì)松散承壓含水層下提高回采上限的工作面推進(jìn)度差異對(duì)礦壓、工作面涌水及含水層水位的變化進(jìn)行研究，為后期同類條件工作面在頂板控制、防治水等方面提供參考和借鑒。

1 工作面基本開采情況

7240(上)工作面為任樓煤礦提高回采上限的首個(gè)防砂工作面，回采原來留設(shè)防水煤柱。該工作面分為南北兩段，7240(上)南工作面面長(zhǎng)75m，走向長(zhǎng)約570m，煤層傾角16°，采高平均2.6m。工作面共53架型號(hào)為ZY6000/18.5/38的掩護(hù)式支架?；仫L(fēng)巷基巖厚度20.2～24.5m，運(yùn)輸巷基巖厚度39.6～51.2m。

7240(上)南工作面自2012年5月10日試采以來，至7月18日，運(yùn)輸巷累計(jì)推進(jìn)132.6m，回風(fēng)巷累計(jì)推進(jìn)130.9m。在初采階段，因工作面來壓、頂板出水、機(jī)尾歪架等問題，推進(jìn)度差異較大，結(jié)果見圖1，主要包括3個(gè)階段：

圖1 工作面平面圖(部分)

第Ⅰ階段 2012年5月10日至2012年6月8日，共計(jì)30d，機(jī)巷累計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度66.4m，平均日推進(jìn)2.21m。

第Ⅱ階段 2012年6月9日至2012年6月21日，共計(jì)13d，機(jī)巷累計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度13.1m，平均日推進(jìn)1m。因機(jī)尾50～53號(hào)支架向回風(fēng)巷傾斜，工作面上部支架下沉嚴(yán)重，導(dǎo)致機(jī)尾無法正常推進(jìn)，整個(gè)工作面推進(jìn)度減慢。

第Ⅲ階段 2012年6月22日至2012年7月18日，共計(jì)27d，機(jī)巷累計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度55.7m，平均日推進(jìn)2.06m。工作面機(jī)尾支架歪斜問題處理完畢，開始正常均衡平推，日進(jìn)4刀，合2.4m。

雖然第Ⅰ階段和第Ⅲ階段工作面平均日推進(jìn)速度差別不大，但是從圖2所示的單日推進(jìn)情況來看，這兩個(gè)階段均勻推進(jìn)的程度不同。

圖2 7240(上)南工作面日推進(jìn)度情況

第Ⅰ階段工作面出現(xiàn)過2次較大的出水現(xiàn)象，導(dǎo)致推進(jìn)速度減慢，甚至停采?？傆?jì)30d的回采期間，工作面推進(jìn)度受頂板壓力、出水、機(jī)電事故的影響，正?；夭芍挥?7d。該階段工作面機(jī)頭、機(jī)尾推進(jìn)度差異較大，不均衡推進(jìn)情況顯著。初次來壓之前至5月14日，機(jī)頭推進(jìn)很快，機(jī)尾較慢。5月15日至5月28日，工作面機(jī)尾出現(xiàn)過較大出水現(xiàn)象，為盡快推過出水區(qū)域，連續(xù)甩采機(jī)尾，機(jī)尾推進(jìn)度明顯大于機(jī)頭推進(jìn)度。5月29日至6月8日，為了下調(diào)運(yùn)輸機(jī)，又集中甩采機(jī)頭，加之機(jī)尾50，51架出水影響，機(jī)頭推進(jìn)度較大。

為了反映上述3個(gè)階段的不同開采情況，以機(jī)頭的單日推進(jìn)度為主，運(yùn)用均方差和不均衡系數(shù)兩個(gè)概念對(duì)推進(jìn)速度是否均勻的差異進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中不均衡系數(shù)為單日最大推進(jìn)度與平均推進(jìn)度的比值，以反映不均衡性，當(dāng)該比值大于2時(shí)，認(rèn)為在此工作面條件下屬于不均衡的推進(jìn)。不同階段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，可以看出第Ⅰ階段、第Ⅱ階段的開采不均衡性明顯大于第Ⅲ階段。

表1 7240(上)南工作面推進(jìn)不均衡性分析

2 不同推進(jìn)度下的工作面來壓、涌水特征

工作面3個(gè)階段的推進(jìn)度主要差異在于：第I階段推進(jìn)速度不均衡，忽快忽慢，甚至停采；第II階段整體較慢，中途有停采；第III階段平均日推進(jìn)與第I階段接近，但整體推進(jìn)均衡，日推進(jìn)長(zhǎng)度差異不大。不同的推進(jìn)度，對(duì)工作面周期來壓及涌水特征產(chǎn)生一定的影響。

2.1 工作面礦壓顯現(xiàn)特征

在工作面不均衡推進(jìn)的情況下，工作面來壓規(guī)律性不強(qiáng)，雖然也存在周期來壓現(xiàn)象，但是從5月15日至6月20日的周期來壓中，支架阻力有時(shí)較大，接近6000kN，有時(shí)較小，剛超過5000kN，且來壓步距差異較大，較小時(shí)為8～9m，較大時(shí)約為20m，步距變化差異較大。說明受不均衡推進(jìn)的影響，頂板破斷規(guī)律性減弱。

在工作面以均衡速度推進(jìn)，在周期來壓時(shí)，支架阻力基本上都接近6000kN，來壓步距雖然也存在差異，但是較第I段來說差異明顯減小，且來壓步距整體上有增大趨勢(shì)。說明在均衡推進(jìn)的情況下，頂板受局部應(yīng)力集中式破壞現(xiàn)象減小，破斷規(guī)律明顯。表2對(duì)3個(gè)階段的來壓特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

表2 來壓特征的對(duì)比

2.2 工作面涌水特征

對(duì)不同階段工作面涌水量變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見圖3。

在第I階段，由于種種原因，頻繁甩采機(jī)頭或機(jī)尾，導(dǎo)致工作面兩端經(jīng)常處于一種不規(guī)則的折線狀態(tài)，影響整體推進(jìn)且造成機(jī)頭、機(jī)尾局部的應(yīng)力集中，同時(shí)可能導(dǎo)致頂板破碎嚴(yán)重，支護(hù)、管理難度加大，且頂板條件極易惡化。在頂板受不均衡采動(dòng)影響下，機(jī)尾頂板漏冒現(xiàn)象頻繁，一旦工作面來壓，極易造成頂板大量出水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況，該階段工作面涌水現(xiàn)象還存在2個(gè)明顯特點(diǎn)：一旦工作面出水，淋水范圍均較大，基本上整個(gè)工作面均存在淋、滴水現(xiàn)象，尤其以中上部明顯；每次出水持續(xù)時(shí)間均較長(zhǎng)，工作面基本上一直都有或多或少的淋水現(xiàn)象，并一直持續(xù)至下一次工作面出水，穩(wěn)定后的水量也在10m3/h左右。上述2個(gè)特點(diǎn)說明在不均衡推進(jìn)情況下，頂板破碎、不穩(wěn)定程度嚴(yán)重，尤其是出水明顯的機(jī)尾段。

在第II階段，支架發(fā)生歪斜階段，工作面推進(jìn)緩慢，機(jī)尾頂板破碎程度嚴(yán)重，且存在漏頂現(xiàn)象。工作面處理歪架期間，發(fā)生過明顯的出水現(xiàn)象，水量25m3/h。

在第III階段，歪架問題處理完畢后，工作面恢復(fù)正常推進(jìn)，以均衡平推為主。在此期間，工作面發(fā)生過2次出水現(xiàn)象，出水點(diǎn)主要集中在工作面下部，出水量較第I階段來說明顯減小，淋水范圍也不大，均在20架范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)整個(gè)工作面均淋水的情況。出水持續(xù)時(shí)間短，淋水現(xiàn)象最后會(huì)隨工作面推進(jìn)完全消失。

上述工作面不同階段的出水規(guī)律也說明，在均衡推進(jìn)情況下，對(duì)工作面頂板控制有利，避免不均衡推進(jìn)而導(dǎo)致的頂板應(yīng)力集中問題，減小頂板不必要的損傷和破壞。

圖3 7240(上)南工作面涌水量變化曲線

3 不同推進(jìn)速度下含水層水位變化特征

為開展薄基巖面的防治水工作，任樓煤礦布置了多個(gè)四含水位觀測(cè)孔，其中距離含水層7240(上)南工作面最近的為水9長(zhǎng)觀孔，該孔工作面切眼直線距離為337m。工作面開采過程中，對(duì)該水位孔的水位變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析。圖4為不同階段水9長(zhǎng)觀孔水位變化情況。從水9長(zhǎng)觀孔水位變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，水位的變化隨推進(jìn)情況的不同也呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)：

圖4 不同階段水9長(zhǎng)觀孔水位變化情況

第Ⅰ階段 自5月10日至6月8日，水位變化幅度較大，每次來壓時(shí)對(duì)應(yīng)的降幅較為明顯，周期來壓期間水位降幅在5m左右。不均衡的推進(jìn)造成頂板破斷的規(guī)律性減弱，對(duì)頂板的破壞程度也增加，而頂板的異常運(yùn)動(dòng)必然導(dǎo)致對(duì)含水層的擾動(dòng)、破壞的異常。因此，在工作面機(jī)頭、機(jī)尾不均甩采的時(shí)候，水位變化也呈現(xiàn)出明顯的升降變化，尤其是在來壓期間。

第Ⅱ階段 自6月9日至6月21日，水位較第Ⅰ階段變化幅度減小，而且整體出現(xiàn)上升現(xiàn)象。該段主要由于工作面機(jī)尾支架歪斜后推進(jìn)速度明顯降低，頂板運(yùn)動(dòng)劇烈程度減緩，機(jī)頭、機(jī)尾推進(jìn)雖然緩慢，但是基本上是同步向前推進(jìn)的，每天的推進(jìn)在1～2刀。此時(shí)，含水層受采動(dòng)影響較第Ⅰ階段減小，水位補(bǔ)給速度大于頂板下沉運(yùn)動(dòng)帶來的下降速度，整體上表現(xiàn)為上升現(xiàn)象。

第Ⅲ階段 自6月22日至7月18日，在工作面均衡、緩慢的推進(jìn)情況下，水位持續(xù)上升并呈現(xiàn)輕微波動(dòng)。在工作面均衡、緩慢推進(jìn)的情況下，直接頂垮落充分，采空區(qū)無懸頂空間，頂板在破斷、回轉(zhuǎn)過程中，對(duì)含水層的擾動(dòng)較前2個(gè)階段都要小。在頂板穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)情況下，水位變化也將以相對(duì)穩(wěn)定的形式出現(xiàn)。

從推進(jìn)度不同對(duì)水位變化的影響來看，工作面均衡平推對(duì)實(shí)現(xiàn)頂板緩慢運(yùn)動(dòng)、水位平穩(wěn)的升降是有利的。

從損傷力學(xué)角度[8]分析，認(rèn)為巖體受采動(dòng)破壞是一個(gè)漸進(jìn)過程，巖體的力學(xué)性能、損傷演化及斷裂發(fā)展等特性都具有顯著的時(shí)效特征。巖體的破壞是由局部單元破壞到總體失穩(wěn)的過程。因此可以說，巖體的漸進(jìn)破壞實(shí)質(zhì)上是時(shí)效變形過程中損傷不斷累積、裂紋逐漸發(fā)展的結(jié)果。推進(jìn)速度差異會(huì)引起周期來壓特征發(fā)生變化，實(shí)質(zhì)上是采動(dòng)影響下圍巖應(yīng)力演化及其變形破壞特征時(shí)間效應(yīng)的體現(xiàn)[1]。因此，推進(jìn)速度不均衡，將加劇頂板的破壞程度，促使裂隙充分發(fā)育，對(duì)提高回采上限工作面防治水是不利的。

4 結(jié)論

(1)提高回采上限工作面開采過程中，推進(jìn)速度對(duì)工作面開采中礦壓顯現(xiàn)、涌水特點(diǎn)、地面長(zhǎng)觀孔水位變化規(guī)律產(chǎn)生明顯影響，工作面均衡較快推進(jìn)時(shí)，來壓步距增大，來壓持續(xù)長(zhǎng)度、支架載荷等變化不大，由于均衡推進(jìn)對(duì)頂板破壞程度較不均衡推進(jìn)時(shí)小，工作面涌水量和涌水范圍減小，長(zhǎng)觀孔水位變化幅度減小。

(2)基于推進(jìn)速度對(duì)提高回采上限工作面開采過程中礦壓顯現(xiàn)、涌水特征及水位變化的影響規(guī)律，認(rèn)為提高回采上限的薄基巖工作面在推進(jìn)過程中，應(yīng)該以均衡推進(jìn)為主，減少對(duì)頂板的破壞程度，對(duì)避免工作面異常礦壓顯現(xiàn)、涌水甚至潰砂有重要的實(shí)際意義。

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[8]余壽義，馮西橋.損傷力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997.

[責(zé)任編輯：王興庫]

2013-12-23

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.004

劉宜平(1968-)，男，安徽桐城人，高級(jí)工程師，工程碩士，從事技術(shù)管理工作。

劉宜平.推進(jìn)速度對(duì)薄基巖工作面提高回采上限的影響[J].煤礦開采，2014，19(5)：13-15，46.

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1006-6225(2014)05-0013-03