推进速度对回采巷道稳定性的影响浅析

来源:用户上传      作者:岳亮

　　摘  要：近年来，随着采矿工业的不断开展，先进的自动化技术、信息技术的运用不断增加，矿井作业也逐渐向集约化发展，巷道穩定与开采效率、质量、安全紧密联系。文章将通过对计算推采速度对工作面顶板应力、变形下沉的影响分析，进行数值模拟、现场观测，探究推采速度对巷道稳定性的影响，帮助采矿作业团队确定最佳推采速度，为行业作业提供参考和启示。
　　关键词：市政工程  管理  必要性  存在问题  对策
　　中图分类号：TD322.4    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（b）-0055-02
　　1  推进速度对回采巷道稳定性影响分析的必要性
　　现代采矿业的发展下，集约化采矿、现代化采矿、自动化生产已成为煤矿开采的重要方式，生产过程中会积极推进推采速度，以提高生产效率。然而，具体实施过程中，提高工作面的推采速度可以使得周期的来压力步距增加，降低来压次数，减轻周期来压对开采带带来的危害，助力巷道稳定，同时，推采速度的加快，需工作面四周的围岩应力更加集中，能量更加集聚，加大了工作面及周围的冲击危险，所以，为了降低危险，预防和建设安全事故的发生，对推采速度和冲击危险之间的关系进行分析研究，将危险系数控制在一定范围内，对整个煤矿生产作业十分重要。
　　2  推采速度对巷道稳定性的影响
　　推采速度对巷道稳定性的影响是从多方面分析的。
　　（1）推采速度对工作面顶板的影响。
　　推采速度不同，工作面顶板承受的应力不用，围岩四周集聚的能量也不同，应对顶板的垂直应力进行计算。计算公式为：
　　（式（1）中：σ为工作面前方煤比顶板的垂直应力;K为顶板支撑压力的最大值与原岩应力的比值;ρ为顶板岩层的平均密度;g为重力加速度;H为工作面煤层的平均埋深;f为岩层间的平均摩擦系数;h为工作面煤层的厚度;λ为工作面测压系数;x为工作面煤壁与支承压力峰值之间的距离。）
　　由公式（1）可知，当工作面回采的一般参数确定了以后，影响工作面前方煤壁顶板垂直应力的主要因素就是推采速度，应对推采速度进行计算。计算公式为：
　　（式（2）中，σ、x、h的涵义与（1）公式相同;L为工作面倾斜长度;v为工作面的推采速度;a、ε0、m1、η、E0、E1都是常数，需由试验获得）
　　由公式（2）可知，当煤层厚度、工作面倾斜长度等相关参数一定时，工作面的推采速度v是影响工作面前方煤壁顶板垂直应力的主要因素，并且这种相应呈正相关，推采速度越大，垂直应力越大。
　　（2）推采速度对工作面顶板变形下沉的影响。
　　工作面下沉与推采速度也有关系，可通过工作面结构参数限定，确定埋深一定的情况下计算得出，计算公式为：
　　（式（3）中，g、H、v、x代表的涵义与（1）（2）公式里的相同;W为工作面下沉量;Rρ为岩层平均抗拉强度;Pρ为工作面顶板平均密度）
　　由公式（3）得知，工作面顶板的变形下沉压力与推采速度v有关系，推采速度越大，工作面顶板下沉速度越快，变形量越大。
　　如果将（2）（3）公式表示为函数图，那么两条曲线的交叉点，就是采矿工作面合理的推采速度。
　　3  数值模拟
　　根据以上公式的计算，对计算结果进行数值模拟。巷道一次开挖后立即支护，监测回采巷道的顶底板与两边的变形量。文章选取某次采矿工程的某个工作面进行简要说明。
　　3.1 工作面概况
　　工作面位于3上煤层，平均煤层厚度为5m，西低东高，是近水煤层，煤层是黑色，两侧为气肥煤、中部为气煤，基本顶层岩性为砂质岩泥，岩层平均厚度为5m，夹层有灰白细砂岩，平均厚度12m，直接底岩性为细粒砂岩，平均厚度为12m，基本底为3下煤层，整体平均煤层厚度为4m。
　　3.2 建立模型
　　根据开采工作面的基本地质情况，使用FLAC3D对深部煤层的采动影响下顶板的应力分布和位移情况进行模拟。利用x、y、z这3个方向建立320m、290m、152m的三维坐标，竖向均布荷载为15.00MPa，已知支护参数选取已确定，在结合当地地质条件，假定工作面为50m，设计3种推采方案：（1）每天工作面推采5m，10d推采至设计的回采位置;（2）每天工作面推采10m，5d推采至设计的回采位置;（3）每天工作面推采15m，3d推采至设计的回采位置。这3种推采方案，推采的速度是阶梯状递增的，推进过程中，观察工作面的垂直应力变化及巷道围岩的位移变化。
　　3.3 结果
　　（1）应力变化：根据FLAC3D呈现的垂直应力云图，可分析出以下结果：当工作面的推采速度为5m/d、10m/d、15m/d时，前方顶板的最大应力分别为39.70MPa、42.43MPa、45.03MPa，工作面壁到应力最大值的距离分别为11m、8m、6m，应力分布的范围随推采速度的加大而加大，工作前方的顶板应力最大值增大，相应的顶板最大值之间的距离会减小，也就是说，应力的集中程度增大了。
　　（2）位移对比：根据FLAC3D导出的巷道围岩位移云图，可看出，在3种方案3种推采速度下，巷道的围岩位移有以下特点：当推采速度为5m/d、10m/d、15m/d时，工作面前方巷道顶板下沉量分别为63.52mm、60.43mm、56.37mm，巷道出现的变形范围为12.5范围内、9.7m范围内、7.8m范围内，分析规律可得出，工作面前方顶板下沉量随推采速度的降低而增大，顶板下沉分布范围随时间的增加而增加，也就是说，推采速度减小，下沉范围增大，回采持续的时间就比较长，下沉量越大，变形范围越广。
　　4  现场观测
　　通过FLAC3D软件的数值模拟以及相关结果的分析，可以得出该工程的最佳推采速度是10m/d，为了验证这个结果，应对工作面煤壁的前方巷道的支承应力、表位位移情况进行现场观测与分析。
　　（1）支承应力：通过观察，可发现当前方巷道超前支承的应力最大值为33.7MPa、39.7MPa、45.6MPa时，超前支承的应力最大值与工作面煤壁的距离为17.5m、12.3m、7.0m，当推采速度为15m/d时，前方巷道的支撑应力最集中，最大值与煤壁的距离最近，也就是说，现场观察结果与FLAC3D数值模拟的结果一致。
　　（2）表面位移：根据现场观察，得知该工程工作面的巷道的顶板下沉量为280mm、195mm、98mm。工作面的下沉量与推采速度呈反比，顶板下沉分布范围随时间的增加而增加，换句话说，推采的速度越小，回采时间越长，下沉量越大，分布范围越广。
　　5  结语
　　现代的煤矿开采，大多使用先进的自动化技术进行集约化作业，开采的推进速度与工作面的垂直应力、顶板下沉量有关，通过公式计算确定各类参数，利用FLAC3D设计不同的开采方案进行数值模拟分析，再结合现场观察分析验证，可以以有效的确定推采的最佳速度，提高采矿工作面的工作效率，减少巷道变形，保障开采安全，促进煤矿开采工作的顺利安全高效进行。
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