工作面推进速度对顶板覆岩活动的影响

　　摘要：为研究工作面不同推进速度对顶板覆岩的影响，建立了顶板破坏的梁模型，并通过岩石力学试验，分析了不同加载速率下的力学特性。研究表明，工作面推进过程可视为对岩体的加载，并通过影响岩体加载速率，进而影响顶板覆岩的活动。低速推进时，顶板应力峰值、位移量较大，不利于顶板的管理;推进速度较高时，材料破坏会由塑性向脆性转变，易发生切顶、岩爆等地质灾害。在回采过程中，选择合理的推进速度，能够最大程度的保障安全生产，实现良好的经济效益。

　　关键词：顶板岩层,加载速率,推进速度,岩石力学,地质灾害

　　采高、工作面长、推进速度是决定工作面开采强度的主要因素，其推进速度是最易控制，也是最有效的控制因素。理论和实践证明，岩体的破坏是一个渐进的过程，推进速度对顶板岩层破坏以及周期来压特征的影响，实质是采动作用下采场围岩应力重分布及岩体破坏时间效应的体现[1]。目前就推进速度对围岩的影响已做了大量研究，杨胜利等[2]通过室内试验和理论分析方法，发现加载速率不同，煤岩体破坏形式不同，进而推出不同推进速度下，煤岩体发生灾变的几率同时变化。

　　王金安、谢光祥[3-4]认为提高工作面推进速度可以减小工作面周围岩体的位移，适当提高推进速度有利于工作面管理和安全生产;刘全明、王晓振[5-6]分别用数值模拟和现场实测的方法对工作面推进速度与矿压显现的关系进行了研究，发现推进速度越大，周期来压的持续长度明显增大。上述研究只考虑了加载速率或推进速度对煤矿安全生产的单一影响，没有对推进过程中覆岩的加载进行分析，为此通过理论分析、数值模拟同时分析了推进速度、加载速率对岩体力学性质的影响，得到了推进速度与顶板应力、岩层破坏以及下沉量的关系，研究对预防顶板事故发生具有一定的指导作用。

　　1推进速度对顶板影响的力学模型

　　1.1力学模型建立

　　顶板初次垮落前可将其视为两端固支的梁结构，基本顶随采随垮，计算中忽略不计，顶板上覆岩层可视为均布荷载q，假设顶板不会被破坏的情况下建立模型，并对其进行力学分析。

　　2加载速率对岩体力学性质的影响

　　2.1加载速率影响定性分析

　　影响岩体力学性质的因素有2个方面，一方面构成岩体的岩性、构造、节理、赋存状态等自然因素决定了岩体的根本属性;另一方面，在岩体开挖过程中，工程作用力对岩体的作用是卸荷过程，反之可视为对周围岩体加载的过程。工作面回采会造成围岩应力的重新分布，这个过程不是瞬时完成的，单位时间内推进速度的不同，必然导致对周围岩体加载速度的不同。实验证明[7]，不同的加载速率对岩石裂纹的扩展以及最终的破坏强度有明显的影响。尹小涛等[8]通过研究发现加载速率会造成岩石材料破坏形态的改变，材料破坏过程中存在塑性向脆性转变的临界速率。

　　随着加载速率的提高，会出现应力变化率过大而应变变化率来不及反应仍处于较小的状态，表现为岩石的变形参数、峰值强度随之提高的岩石强度伪增强现象。

　　2.2推进速度与岩石加载速率关系分析

　　岩石的性质可以间接反映岩体的性质，这也说明了推进速度是通过影响顶板岩体的加载速率进而影响顶板的变形破坏的，推进速度越大，顶板岩体表现出的抗拉能力就越强，顶板越不容易破坏。当岩体承受的应力达到极限承载能力时，岩体结构将破坏。由以上分析可知，当推进速度增大时，岩体所表现出的强度增大，顶板岩体越不容易破坏。

　　考虑岩体应力重新分布的时间效应，在一定范围内，随着推进速度的增加，岩体承受最大应力仍小于岩体表现出的伪强度。将岩体视为黏弹性体，工作面推进速度较慢时，顶板在同一位置滞留的时间就会较长，岩体的黏性变形就越容易得到发挥，从而较容易发生顶板岩层的弯曲、下沉、离层、断裂和垮落，对顶板管理造成不利的影响;工作面推进速度较高时，顶板在同一位置滞留的时间就会较短，顶板荷载传递不充分，围岩受损伤和变形程度降低。因此在工程实践中，经常会用提高工作面推进速度的方法减缓工作面顶板破坏及矿压显现的强度。

　　3数值模拟

　　3.1模型建立

　　某矿一工作面走向平均长度1400m，倾斜长度150m。煤层倾角平均7°，赋存稳定，煤层平均厚度3.9m，煤层埋深560m。工作面顶底板岩性见表1，建立数值模拟模型走向长200m，倾向长200m，高95m。选择摩尔-库伦本构模型，模型前后左右和底部对位移进行约束，上部岩层以均布荷载代替。

　　3.2模拟方案

　　FLAC数值模拟中，运算时步和单次开挖截深与开挖速度有一定的对应关系，运算时步越小，开挖截深越大开挖速度越快;运算时步越大，开挖截深越小，开挖速度越慢。采用时步相同截深不同的方法对开采速度与顶板覆岩活动进行研究。

　　3.3模拟分析

　　3.3.1垂直应力分析

　　当工作面回采60m时，沿工作面走向，选取中部和两侧，沿倾向选择煤壁处和煤壁前10m处，分别作出垂直应力曲线。应力呈拱形分布，同一推进速度时，工作面中部到两侧应力递减;沿工作面走向中部和两侧，距离煤壁约5~10m范围内的顶板，垂直应力出现峰值。推进速度减小时，应力峰值均有所增加，以走向中部岩体垂直应力为例，推进60m，推进速度分别为15、10、5、3m/d时对应的应力峰值分别为18.72、19.71、21.38、22.69MPa。

　　与15m/d相比，推进速度为10m/d时应力峰值增加了5.23%，推进速度为5m/d时为14.21%，推进速度为3m/d时为21.21%。可见，推进速度的增加，能够减小垂直应力峰值，有利于顶板岩层的稳定。

　　3.3.2下沉量分析

　　根据数值模拟的结果，顶板下沉量在中间处最大，中部至两侧逐渐减小。当推进速度为3、5、10、15m/d时，顶板下沉量分别为478、413、342、265mm。推进速度越大，顶板下沉量越小，因此可适当增加推进速度控制顶板岩层的下沉。

　　4结论

　　1)工作面回采过程中，推进速度影响顶板的岩层活动，当推进速度增加时，顶板荷载传递不充分，可以有效的减小顶板弯曲下沉离层等，可以有效的减小顶板事故的发生。随着回采过程中推进速度的加快，顶板所受荷载有所增加，顶板在同一位置滞留时间变短，岩体的塑性变形不能充分发展。

　　2)工作面推进过程可视为岩体的加载过程，随着加载速率的提高，会出现应力变化率过大而应变变化率来不及反应仍处于较小的状态，表现为岩石的变形参数、峰值强度随之提高的岩石强度伪增强现象，即推进速度越快围岩的下沉破坏越慢。

　　参考文献：

　　[1]王磊，谢光祥.综采面推进速度对煤岩动力灾害的影响研究[J].中国矿业大学学报，2010，39(1)：70-74.

　　[2]杨胜利，王兆会，蒋威，等.高强度开采工作面煤岩灾变的推进速度效应分析[J].煤炭学报，2016，41(3)：586-594.

　　[3]王金安，焦申华，谢广祥.综放工作面开采速率对围岩应力环境影响的研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25(5)：1-7.

　　[4]谢光祥，常聚才，华心祝.开采速度对综放面围岩力学特征影响研究[J].岩土工程学报，2007，29(7)：964.

　　[5]刘全明.浅埋综采工作面矿压显现的推进速度效应分析[J].煤炭科学技术，2010，38(7)：24-26.

　　[6]王晓振，许家林，朱卫兵，等.浅埋综采面高速推进对周期来压特征的影响[J].中国矿业大学学报，2012，41(3)：349-354.

　　[7]王杜，张宏.加载速度对两类不同材料力学性能影响程度的分析[J].西安公路交通大学学报，1997，17(1)：121-123.

　　[8]尹小涛，葛修润，李春光.加载速率对岩石材料力学行为的影响[J].岩石力学与工程学报，2010，29(S1)：2610-2615.

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