大采高工作面推进速度对煤壁片帮影响分析＊

张军鹏 张 亮 王东攀

（1.山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西省长治市，046103；2.天地科技股份有限公司，北京市朝阳区，100013）

霍尔辛赫矿3207大采高工作面煤层厚度5.0～5.6 m，采用一次采全厚采煤法。工作面长度220 m，布置ZY12000／28／60D型二柱掩护式液压支架129架，二级护帮，最大护帮高度为2.8 m。本文通过现场观测数据得知，当推进速度不同时，煤壁片帮情况也不同，结合顶板周期来压步距、来压强度，并借助FLAC3D数值模拟研究大采高工作面推进速度对煤壁片帮的影响。

1 矿压观测

3207工作面5月13日－5月25日平均推进速度为4.4 m／d，5月26日－6月14日平均推进速度为2.4 m／d。在这两个时间段，每天检修班通过激光测距仪测量煤壁片帮情况，并采集了工作面8＃、30＃、53＃、77＃、100＃、122＃液压支架压力记录仪数据，对该段时间内工作面周期来压步距、动载系数进行分析，结果见表1和表2。

表1 工作面周期来压步距 m

表2 周期来压时动载系数

从表1中可以看出基本顶周期来压步距随日推进速度增大而减小，当推进速度为4.4 m时，基本顶周期来压步距平均值为19.8 m；推进速度为2.4 m时，基本顶周期来压步距平均值为14.7 m。工作面上部、中部、下部周期来压步距差距不大，但由表2可以看出工作面中部平均动载系数较高为1.60，来压强度大。

2 煤壁片帮观测

期间观测到的片帮起数为67起，片帮波及范围262架支架，多出现在40＃～100＃支架间。片帮形式分3种：煤壁上部片帮占53%、煤壁中上部片帮占44%、整煤壁片帮占3%，片帮具体情况见表3和表4。

表3 煤壁片帮深度及高度统计表

表4 煤壁日片帮范围大于10架的片帮情况统计表

从表3可以看出，工作面上部片帮情况明显好于工作面中部和下部，41＃～60＃支架范围内，煤壁片帮情况最严重，平均片帮深度为960 mm，这是因为工作面中部顶板压力大，煤壁塑性区大更容易片帮；从表4可以看出，在5月25日－6月12日工作面平均推进速度变为2.4 m／d后，煤壁日平均片帮深度和片帮架数明显增大，这是因为推进速度变小后，工作面周期来压步距变短，周期来压次数增多，造成煤壁片帮次数及深度变大。结合周期来压步距分析可知，工作面于5月15日、5月25日、6月8日、6月12日经历周期来压期间煤壁片帮范围都大于10架，日平均片帮深度也都大于0.6 m，明显大于非周期来压时期，因此可看出周期来压对煤壁稳定性影响较大。

3 数值模拟

整个煤岩层模型煤层和直接顶的物理力学参数均按矿方提供数据给定，不详数据参考了相关同岩性试验结果。模型四周边界均固定水平位移，底端边界固定垂直位移，顶端边界施加均匀载荷，模型高度为75 m，上覆380 m岩层载荷按岩体垂直应力施加到模型顶部，模型初始位移和速度均按零计算。原始主应力方向分别与模型3个坐标轴一致，大小均相等。模型采用莫尔－库论（Mohr－Coulomb）破坏准则，煤岩层层理使用Interface单元进行模拟。

由于运算时步的大小可以间接反映工作面推进速度的快慢，因此为研究工作面推进速度对煤壁片帮的影响，采用调节运算时步来间接反映工作面推进速度对煤壁片帮的影响。模拟运算时步分别为800步、1000步、1200步、1400步、1600步、2400步6种情况。模拟时支护强度和护帮水平推力均设置为零，采高为5.69 m，推进距离为60m。

3.1 煤壁附近煤体的水平位移

图1为不同运算时步下距离煤壁不同位置处煤体的水平位移，横坐标是煤体与煤壁的距离，纵坐标为水平位移。可以看出，随着模拟时运算时步的加大，煤体的水平位移也相继增大。当运算时步为800步时，煤壁处水平位移为－125 mm；当运算时步为1000步时，水平位移增大到为－187 mm；当运算时步为1200步时，水平位移增大到为－200 mm；当运算时步为2400步时，水平位移增大到为－406 mm。从图1还可以看出，距煤壁0～6 m范围内的煤体水平位移较大。当煤体水平位移增大，煤壁稳定性下降，发生片帮的概率也逐渐增大。

图1 不同运算时步下煤体最大水平位移图

3.2 煤壁附近煤体的破坏状态

根据模型单元体的应力云情况可以得知，当模拟运算时步为800步时，煤壁附近的煤体发生了剪切破坏和拉伸破坏，剪切破坏区延伸到煤壁前方6 m，拉伸破坏和剪切破坏叠加区延伸到煤壁前方1 m；当运算时步增大到1000步时，拉伸破坏区无变化，剪切破坏区扩大，延伸到煤壁前7 m；当算时步继续增加到1200步时，拉伸破坏区延伸到煤壁前方2 m，剪切破坏区继续扩大，延伸到工作面前方8 m。

综合现场观测数据和数值模拟分析可知，随着模拟运算时步的加大，煤壁附近煤体的水平位移、剪切破坏区、拉伸破坏区均会增加，导致煤体的破坏程度加大、煤体的稳定性降低。运算时步减少间接反映为工作面推进速度的增大，所以增大推进速度能有效增加煤壁的稳定性，降低煤壁片帮现象的发生。

4 结论

对于大采高工作面，推进速度过慢会直接导致周期来压步距变短、来压次数变多、煤壁暴露时间长，而基本顶频繁周期来压使煤体受到冲击次数增多，造成煤体塑性区、煤体剪切破坏区、拉伸破坏区增大，造成煤壁处煤体的稳定性下降，致使煤壁片帮深度和片帮范围增大，建议大采高工作面适当提高推进速度。

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