深井工作面顶板疏水区高强度开采诱冲机制及防治.pdf

第45卷第9期 2020年 9月 煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Vo l . 45 No . 9 Sep. 2020 移动阅读 王博，姜福兴,朱斯陶，等.深井工作面顶板疏水区高强度开采诱冲机制及防治[J].煤炭学报,2020,459 3054-3064. WANG Bo ,JIANG Fu x in g ,ZHU Sit a o,et a l . In v est ig a t in g o n t h e mec h a n ism a n d pr ev en t io n o f r o c k bu r st in du c ed by h ig h in t en sit y min in g o f dr a in a g e a r ea in deep min es[ J] . Jo u r n a l o f Ch in a Co a l So c iet y,2020,45 9 3054-3064. 深井工作面顶板疏水区高强度开采诱冲机制及防治 王博1，姜福兴1，朱斯陶▽，张修峰2,尚晓光-顾颖诗3，吴震3 1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083； 2.山东能源集团有限公司，山东济南250014； 3.兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司，内 蒙古鄂尔多斯017010 摘要摘要陕蒙矿区深井工作面普遍具有顶板富水、 、高强度开采等特点， ，且工作面开采过顶板疏水区 域时已存在明显冲击地压显现, ,根据事故现场勘查及监测数据分析， ，发现该类冲击地压与工作面顶 板疏水及开采强度有密切关系。。通过建立疏水后工作面支承压力估算力学模型， ，研究了富水区疏 水前后应力演化规律； ；同时， ，建立了高强度开采支承压力分布模型， ，研究了推采速度对工作面超前 支承压力的影响。。综合分析了疏水及高强度开采对工作面应力分布规律的影响， ，揭示了深井工作 面顶板疏水区高强度开采下冲击地压发生机理。。得到如下结论 疏水引起的应力集中程度在工作 面开采时已趋于稳定， ，形成增压区与卸压区， ，是煤层及其顶板的静应力源； ；同一推采时间下推采速 度越快， ，基本顶悬顶距越长， ，断裂前积聚的弹性能越多， ，超前支承压力峰值距煤壁越近， ，峰值越大， ， 相应位置巷道围岩变形速率越快； ；当工作面快速推采经过疏水形成的增压区时， ，应力叠加易超过发 生冲击地压的临界值， ，能量释放促使工作面煤壁发生冲击。。将研究成果应用于深井富水工作面开 采期间冲击地压防治， ，提出了疏水区域前后推采速度动态调控的防冲方法， ，根据微震监测及理论计 算制定了工作面的临界推采速度, ,保证了工作面的安全回采。。研究成果可为陕蒙矿区深井富水工 作面开采期间冲击地压的防治及推采速度的确定提供参考。 。 关键词关键词推采速度； ；疏水； ；冲击地压； ；微震监测； ；动态调控 中图分类号中图分类号TD324 文献标志码文献标志码A 文章编号文章编号0253-9993 202009-3054-11 Investigating on the mechanism and prevention of rock burst induced by high intensity mining of drainage area in deep mines WANG Bo1 , JIANG Fu x in g1 ,ZHU Sit a o1l2,ZHANG Xiu fen g2,SHANG Xia o g u a n g1 ,GU Yin g sh i3 ,WU Zh en3 1. School of Civil a nd Resource Engineering, University of Science a nd Technology Beijing, Beijing 100083 , China ； 2. Sha ndong Energy Group Compa ny Limited, Jina n 250014 , China ； 3. Ya nzhou Coa l Mining Ordos Energy Chemica l Co.，厶td. , Ordos 017010, China Abstract Th e deep min e wo r kin g fa c es in Sh a a n x i a n d In n er Mo n g o l ia min in g a r ea s a r e g en er a l l y c h a r a c t er ized by wa t er -r ic h r o o f a n d h ig h -in t en sit y min in g ,a n d o bv io u s r o c k bu r st s h a v e emer g ed wh en t h e min in g pa sses t h e dr a in a g e a r ea s o f r o o f. Th r o u g h t h e in v est ig a t io n o f t h e a c c iden t sc en e a n d a n a l ysis o f mo n it o r in g da t a ,it wa s fo u n d t h a t t h is kin d o f r o c k bu r st is c l o sel y r el a t ed t o t h e dr a in a g e wa t er a n d min in g in t en sit y o f t h e min in g fa c e. By est a bl ish in g t h e me c h a n ic a l mo del fo r est ima t in g t h e a bu t men t pr essu r e o f t h e wo r kin g fa c e a ft er wa t er dr a in a g e , t h e st r ess ev o l u t io n l a w befo r e a n d a ft er wa t er dr a in a g e in wa t er -r ic h a r ea wa s st u died. Th en , a n a bu t men t pr essu r e dist r ibu t io n mo del u n der 收稿日期收稿日期2020-03-10 修回日期修回日期2020-04-23 责任编辑责任编辑常 琛 DOIDOI10. 13225/j. c n ki.jc c s.2020.0382 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目51904017,51674014；山东省重大科技创新工程资助项目2019SDZY02 作者简介作者简介王 博1991 ，男，山西高平人，博士研究生。E-ma ilwa n g bo 304313163. c o m 通讯作者通讯作者朱斯陶1990，男，湖北荆州人，讲师，博士后。E-ma ilzh u sit a o 123 163. c o m 第9期王博等深井工作面顶板疏水区高强度开采诱冲机制及防治3055 h ig h -in t en sit y min in g wa s est a bl ish ed,a n d t h e in fl u en c e o f t h e min in g a dv a n c e speed o n t h e l ea d a bu t men t pr essu r e o f t h e wo r kin g fa c e wa s st u died. It a l so ma de a c o mpr eh en siv e a n a l ysis o f t h e effec t s o f dr a in a g e a n d h ig h -in t en sit y min in g o n t h e st r ess dist r ibu t io n l a w o f t h e wo r kin g fa c e,r ev ea l in g t h e mec h a n ism o f r o c k bu r st u n der h ig h in t en sit y min in g o f dr a in a g e a r ea in deep bu r ied wo r kin g fa c e. Resea r c h r esu l t s a r e a s fo l l o ws t h e st r ess c o n c en t r a t io n c a u sed by wa t er dr a in a g e h a s bec o me st a bl e befo r e min in g ,a n d t h e pr essu r ized zo n e a n d pr essu r e-r el ief zo n e,a s t h e st a t ic st r ess so u r c e o f t h e c o a l sea m a n d it s r o o f,wer e fo r med. At t h e sa me min in g t ime,t h e fa st er t h e min in g a dv a n c e speed wa s, t h e l o n g er t h e h a n g in g dist a n c e o f ba sic r o o f wa s,t h e mo r e el a st ic en er g y wa s a c c u mu l a t ed befo r e fr a c t u r e,t h e c l o ser t h e pea k o f l ea d a bu t men t pr essu r e wa s t o t h e c o a l wa l l ,t h e g r ea t er t h e pea k wa s,a n d t h e fa st er t h e defo r ma t io n r a t e o f r o a dwa y su r r o u n din g r o c k in t h e c o r r espo n din g po sit io n wa s. Wh en t h e wo r kin g fa c e wa s r a pidl y min ed t h r o u g h t h e pr essu r ized a r ea , t h e st r ess su per po sit io n ea sil y ex c eeded t h e c r it ic a l v a l u e o f r o c k bu r st , a n d t h e en er g y r el ea sed br o u g h t a bo u t t h e r o c k bu r st o f c o a l wa l l . Th e r esea r c h r esu l t s wer e a ppl ied t o t h e pr ev en t io n o f r o c k bu r st du r in g t h e min in g o f t h e wa t er -r ic h wo r kin g fa c e in deep min es,a n d a r o c k bu r st pr ev en t io n met h o d fo r t h e dyn a mic r eg u l a t io n o f min in g a dv a n c e speed in t h e dr a in a g e a r ea wa s pu t fo r wa r d . Ba sed o n t h e mic r o -seismic mo n it o r in g a n d t h eo r et ic a l c a l - c u l a t io n s,t h e c r it ic a l min in g a dv a n c e speed wa s fo r mu l a t ed t o en su r e sa fe min in g o n t h e wo r kin g fa c e. Th e r esea r c h r e su l t s pr o v ide a t ec h n ic a l g u ida n c e fo r t h e r o c k bu r st pr ev en t io n a n d t h e min in g a dv a n c e speed det er min a t io n du r in g t h e min in g o f t h e wa t er -r ic h wo r kin g fa c e in t h e deep min es o f Sh a a n x i a n d In n er Mo n g o l ia min in g a r ea s. Key words min in g speed ; wa t er dr a in a g e;r o c k bu r st ;mic r o seismic mo n it o r in g ;dyn a mic c o n t r o l 现阶段，我国东部煤炭资源逐渐枯竭，且开采深 度逐渐增大,冲击地压灾害显著增加［1-3］，山东、河南 等地千米深井逐渐增多［4-7］,因此，我国煤炭资源开 采的重心逐步向西部转移，而西部也正在形成向深部 开采的趋势。榆林、鄂尔多斯接壤地区新开发的呼吉 尔特、纳林河等矿区投建了数十座采深超过550 m的 千万吨级矿井［8-9］，根据该地区相关开采地质资料可 知，此类新投建的矿井均存在工作面设计宽度较 大（250 400 m）、推采速度快（最大可达12 m/d）和 煤层顶板存在不规则富水区等特点，属于该地区典型 的高强度重型开采工作面。根据现场实际观测可知， 当工作面处于高强度开采状态且过疏水区域时,已存 在明显的动力显现。因此，研究深井工作面疏水区高 强度开采诱发冲击地压的机理对该类矿井安全开采 具有重要意义。 近年来，诸多专家学者对工作面形状、推采速度、 疏水等开采因素诱发冲击地压的机理进行了大量研 究。王家臣等［10］通过建立基本顶动力断裂失稳的折 迭突变模型，得到推进速度的加快等同于基本顶悬臂 梁加载速率的提高，增大了高强度开采工作面基本顶 破断失稳的概率;王金安等［11］通过数值模拟揭示了 开采速率对工作面围岩应力影响的规律，开采速率越 大,峰值应力越大且距工作面煤壁越近;刘金海等［12］ 通过案例和现场实测分析探讨了采场推采速度与冲 击地压的关系，得出工作面冲击地压危险性与采场推 采速度具有相关性;冯龙飞等［13］运用理论分析和微 震监测，揭示了回采速度对坚硬顶板运动释放能量的 影响机制,表明坚硬顶板破断释放能量与回采速度有 明显的正相关性;施龙青等［14］基于物理流变学和断 裂力学理论提出砾岩中的水流失导致砾岩产生新的 断裂从而诱发冲击地压;舒凑先等［8］研究了疏水过 程中含水层和煤层的应力演化规律，得出了疏水诱发 巷道发生冲击地压的机理;李东等［15］研究了顶板富 水工作面疏水之后诱发冲击地压的机理，认为其应力 来源为疏水之后形成的静应力源与上覆岩层运动施 加的动应力源。 已有研究成果或研究了采场推采速度对工作 面冲击危险性的影响，包括巷道围岩应力变化和顶 板能量释放机制；或研究了疏水与冲击地压的关 系，包括疏水过程中煤层应力演化规律和岩层断裂 形态，对工作面冲击地压防治具有一定的现场指导 意义。但针对深井富水工作面高强度开采和疏水 共同作用下诱发冲击地压的机制研究相对较少。 鉴于此，笔者以鄂尔多斯某矿221上06工作面为工 程背景，运用理论分析、微震监测等手段，研究了高 强度（ 快速） 推采对工作面超前支承压力的影响， 探 讨了深井工作面疏水区高强度开采诱冲机制，以期 降低相似条件矿井的冲击危险性，并为其推采速度 优化提供理论基础。 1疏水区高强度开采诱冲案例 1.1鄂尔多斯某矿鄂尔多斯某矿221上06工作面概况工作面概况 鄂尔多斯某矿221上06工作面（下文简称为06 工作面）为该矿221采区南翼首采工作面，采用走向 3056煤 炭 学 报2020 年第 45 卷 长壁综放采煤方法，倾向长度300 m,煤层底板标 咼 680. 0 692. 7 m,地面标咼 1 339. 4 1 351.0 m,平均埋深660 m,平均煤厚9. 02 m,煤层 倾角03,平均1,为近水平煤层，地质构造简单, 直接顶为0.77 m厚的泥岩，基本顶为31.26 m厚的 细粒砂岩，直接底为6. 10 m厚的砂质泥岩，基本底为 9. 25 m厚的粉砂岩。据该矿冲击倾向性鉴定报告, 2-2上煤层单轴抗压强度为17.6 MP a，动态破坏时间 为155. 6 ms,弹性能量指数为10. 80,冲击能量指数 为1.78,综合判定具有弱冲击倾向性，顶板和底板均 为弱冲击倾向性。矿井安装使用的微震监测系统系 波兰开发的SOS[16]，该系统已广泛应用于我国多个 煤矿。 图1 06工作面顶板砂岩富水区分布平面 Fig . 1 Dist r ibu t io n pl a n o f sa n dst o n e wa t er -r ic h a r ea o n r o o f o f 06 wo r kin g fa c e 据水文地质勘探结果可知,06工作面上方距2- 2上煤层顶板39. 65 62. 65 m,平均50. 52 m处存在 直罗组含水层，平均厚度110 m,富水区不均匀分布 在工作面上方，共存在4处富水区，其具体编号和空 间分布位置如图1所示。工作面巷道掘进期间已施 工疏水孔提前进行疏水工作。 1.2工作面事故基本情况工作面事故基本情况 2019-10-10夜班,06工作面正常生产，于1900 整SOS微震监测系统监测到4X105 J的大能量事 件（震源1）,防冲跟班人员反映现场有大煤炮声，经 现场继续排查，发现工作面煤壁有明显大片帮，工作 面前方顶板大量掉渣，巷帮部分漏网。2006又一次 监测到1. 13X105 J的大能量微震事件（震源2），两次 事件时间间隔66 min，现场除有煤炮声之外还存在顶 板少量掉渣,经对比工作面应力实时在线监测结果, 发现工作面大能量事件发生前后工作面上下两巷应 力并没有发生明显变化,现场施工煤粉检测孔钻屑量 正常。两次大能量微震事件平面投影与剖面投影如 图 2 所示。 由图2可以看出，震源1水平方向上位于工作面 前方12 m处，④号富水区边缘,垂直方向上位于煤层 图2 10月10日2次微震事件投影 Fig . 2 P r o jec t io n o f t wo mic r o seismic ev en t s o n Oc t o ber 10t h 上方的基本顶（细粒砂岩）中，距2-2上煤顶板 27. 45 m，震源2位于煤层中。经初步分析，④号富水 区水压初始为3 MP a，疏水之后降为0. 5 MP a ,06工 作面周期来压步距为20 m，当日06工作面推采速度 达到7.2 m/d,因此认为此次动力显现的主要原因 为工作面推采速度过快导致上覆基本顶未及时垮 落,形成悬顶,造成能量积聚，同时由于上覆存在④号 富水区，疏水之后，富水区附近形成应力集中，促使基 本顶上方所受应力更大,加速了基本顶的断裂，产生 大能量事件。另一方面,悬顶积聚的能量不能快速释 放储存于前方煤体中，工作面煤体受超前支承压力和 疏水转移应力叠加影响超出其自身强度致使煤体发 生破坏,产生裂缝并释放能量,诱发工作面发生煤壁 大片帮等冲击现象。 2疏水区高强度开采诱发工作面冲击地压机 制 陕蒙接壤矿区新建的数十座采深超过550 m的 千万吨级矿井，设计开采初期未考虑冲击地压因素, 为满足生产需求,其借鉴已规模化生产的浅部矿井设 计的工作面推采速度过大（最高可达12 m/d）,同时 第9期王 博等深井工作面顶板疏水区高强度开采诱冲机制及防治3057 煤层上部顶板均存在不规则富水区，为避免工作面推 采过程中出现顶板突水灾害和减少工作面准备时间， 在工作面掘进期间即进行疏水工作，因此当回采时, 相当于富水区域开采了 1个“类解放层”[15],疏水区 域内应力降低，边缘处出现应力升高。综上,该类深 井工作面处于疏水和高强度开采共同条件下,增加了 发生冲击地压的可能性,需要综合探究疏水和推采速 度对工作面支承压力的影响。 2.1疏水对工作面支承压力的影响疏水对工作面支承压力的影响 煤层顶板存在富水区的工作面开采过程中将会 面临突水溃砂等顶板水害威胁[9],为保证工作面的 安全高效开采,在工作面回采前即进行顶板的疏水工 作。现场监测和相关研究表明[8，15],富水区疏水后， 将会引起煤层及顶板原岩应力的重新分布,形成增压 区和卸压区，即疏水区域内煤层及顶板应力降低，区 域边缘出现应力集中，影响范围之外为原岩应力。如 图3所示，相较于开采而言，疏水之后虽然含水层对 其上部岩层的支撑作用也会降低，但其仍存在一定的 支撑能力，且含水层上覆岩层会出现裂缝带,但不会 像开采一样出现冒落带,处于全悬顶状态。 图3富水区疏水前后应力演化规律 Fig . 3 St r ess ev o l u t io n l a w befo r e a n d a ft er wa t er dr a in a g e 为反映一般规律，假设疏水前后区域内水位、水 压均匀一致，富水区可视为等效的弹簧，对上覆岩层 起支撑反力,疏水前后弹性系数由k降为叽。为研 究富水区疏水前后对下方煤层和顶板应力分布的影 响,沿工作面走向作剖面，建立相应疏水后支承压力 估算力学模型，如图4所示。图4中，原点O为富水 区的中心;仇为地表至含水层顶部的距离;h2为含水 层顶部至煤层的距离；d为富水区走向宽度;a为疏 水之后富水区上覆岩层的移动角,A和B区域面积相 等。可以认为疏水后向两侧转移的应力相同,故只对 B侧的转移应力进行研究。 疏水前后富水区对上覆岩层的支承反力表示为 1 二 k yhx 二二 k nYh 1 其中,n为疏水卸压系数，且0n1 ,与疏水程度呈负 相关关系,即疏水越充分,n越小。 地表 2 B区域向右侧传递的重量Qb可表示为 q _ G , h1 j Yh1 k2d Qb _ Id t a n a 丿 2「2 假设应力传递至下方煤岩体接近为等腰三角形 分布[17]，则B区域向右侧传递的应力aB为 f2aBma xt an a ” -dJ d A , h1 J ” 2丿，l亍迈 rx h J 丿 Ix1 、 2 2t a n a」 d ]「d * h1 2 丿」，L 2 2t a n a h1 「L1-t a na 2 a Bma x d 2 n 「d 叽 丄 〔，L 2 ， t a n a t a n a 丿 a n a ”Bma x 3 其中,x「为转移应力距富水区中心的距离。B区域传 递应力峰值aBmx可表示为 2QBt a n a 他dt _ dt a n a h1 y---------- h[ h[ 4 疏水之后工作面受到来自上覆岩层的自重应力 在富水区下方，富水区边缘与较远区域有显著差别, 可表示为 g 了心｛0， j 1 - n Y 一 j 咕 ] t a n a 5 综合式1 5可得疏水引起的煤层支承压力 分布函数为 3058煤 炭 学 报2020年第45卷 赢池0,] 2“;呐a 卜1 - 4 0池 1 -小 - f 0 X1 I “1 -阳 j 2 0]池 1 -n Y [X1 - d 0 Bma x Bma x [Y h1 t a n a h 「d h2, L 2 h1 t a n a * , h 「d d h1 t a n a n yh.「 ， . / 1 2 7 2 2t a n a丿 ,,,「 d , h1 t a n a n yh| ,----- L 2 2t a n a d h1 2 t a n a丿 0 由式6可知，疏水导致的应力集中程度与富水 区疏放程度有关。根据研究[9，18]和现场水压观测可 知随着疏水工作的进行,富水区水压逐步降低至可 安全回采标准即不会引起工作面突水等水害,且 趋于稳定。 表明疏水引起的应力集中程度在工作面 开采时已趋于稳定,形成增压区与卸压区，是煤层及 其顶板的静应力源。 2.2推采速度对支承压力的影响推采速度对支承压力的影响 煤层开采过程中一个基本顶垮落周期内,大采 高包括综采和综放工作面单位时间的快速推进, 导致后方采空区活动空间较为充足,而顶板的冒落、 围岩变形和裂隙的扩展均存在一定的时间效应。同 一推采长度下推采时间的减少导致顶板垮落不充分, 当基本顶为厚硬岩层而直接顶为薄软岩层时,虽然基 本顶处于垮落带内，但由于其本身的强度会形成大面 积悬顶，且与上一周期断裂的基本顶形成岩梁结构， 如图5所示。图中,弘为支承压力峰值;q为基本顶 上方的均布载荷为便于计算，其包含基本顶自重; s为悬顶长度;l为支承压力影响范围。 图5快速推采后支承压力分布特征 Fig . 5 Abu t men t pr essu r e dist r ibu t io n c h a r a c t er ist ic s o f t h e ba sic r o o f a ft er r a pid min in g 为研究推采速度对工作面超前支承压力的影响， 建立相应的力学模型。由于一切情况不沿y方向变 化，因此岩梁的形变和应力都只是x的函数，为了简 化工程计算，假设应力曲线呈分段线性分布,沿工作 面走向做剖面取单位宽度的岩梁来考虑。左侧为上 一周期断裂的基本顶岩块,右端部分悬顶,部分处于 6 超前段完好的顶板和煤层夹持作用下,煤层与薄弱直 接顶对基本顶起弹性支撑作用，如图6a 所示。图 中,1。和％分别为综采支架的控顶距和支护强度;11 为支承压力峰值距工作面煤壁的距离仏为支承压力 峰值距影响范围边缘距离仏12 1;m为基本顶厚度; S1为左侧岩块长度；G和G1分别为左侧两岩块的重 量;0为左侧岩块回转角,将岩梁从铰接处分离，分为 2段，因超前影响范围之外的煤岩体基本不受影响, 故只考虑左侧岩块和右侧超前支承压力影响范围内 的煤岩体，如图6b所示,其中，T和F分别为铰接 处的推压力和摩擦力，且F fT,f为铰接处的摩擦因 数。 q、 qq 4 G c 7i X F F G q 煤壁 b 分离模型 a 整体模型 图6超前支承压力估算力学模型 Fig . 6 Mec h a n ic a l mo del fo r est ima t in g l ea d a bu t men t pr essu r e 假设C点不动，根据左侧岩块的平衡条件得 S1 G] c o s 0 - Fs] c o s 0 - sin 0 0 「2 * 1 * 1 * 7 [G] - 2F - 2Tt a n 0 0 其中，G1二y林1。一般情况下，岩块的沉降值远小于 第9期王博等深井工作面顶板疏水区高强度开采诱冲机制及防治3059 岩块的长度,此时,t a n 00。将F fT代入式7,可 计算得 T IF 2f 2 8 假定工作面匀速向前推进,且基本顶是否充分垮 落仅与推采时间有关,则基本顶上一次垮落完成后至 s J M x _ T sx F sx G 2 x J 2 丿 l l0 J N\ l12x-l1 N2x-l12 q0 仏 x V0 012 丿 2 2 ql “一 21J , qx -112 , 2 I 3 1 丿 2 S - q 2l2 l1 - xx - l12 14 工作面煤壁的悬顶长度s由此阶段内的推采速度” 和推采时间t共同决定,可近似表示为 s vt 9 此时，悬顶长度s上覆岩层质量向采空区和工作 面前方转移，根据采掘前后应力平衡原则有 qs - G _ [ _ q』1，丿,弘-q”2 一门，、 2 q0「0 _ 2 ql2 2 q 1 l2 10 可求得峰值应力q、为 _ c qvt - G - 2q0「0 一 q Z 11 A q1 _2 q l1 l2 11 文献[19-21]采用数值模拟研究了同一推采长 度下不同推采速度的顶板变形量，表明随着推采时 间t的减少推采速度大，基本顶下沉时间越短，悬 臂梁顶板下沉量越小,导致超前影响范围较小,峰值 应力较大，存在明显的时间效应。因此一个基本顶垮 落周期内，同一推采长度s条件下,虽然向工作面前 方转移的总应力相同，但推采速度越大，基本顶下沉 时间越短，超前影响范围越小，峰值应力越大,反之亦 然。根据式11可得回采引起的超前支承压力分布 函数 3l2 式中,N和N分别为l\和l2区域内单位长度煤体的 反向弹性支撑载荷。 对式13进行积分,于是有 」xdx a 15 x, [0，l1] qx _ 1 - ⑵ q q1 - q i-x,[ 11,1] [ l2 文献[11,13]表明随着推采速度的增加,超前支 承压力影响范围l不断减小，峰值位置不断接近煤 壁。由于原岩应力q为固定值,因此同一推采时间下 超前支承压力峰值大小与推采速度v呈正相关关系, v越大,则超前支承压力峰值q1越大。 根据弹性力学理论，梁纯弯曲时，其单位宽度梁 截面弯矩Mx分别表达为 当xWl时 EI 0M x dx dx a x b z _------------------------------------------------ EI 式中,z，为岩梁的横截面绕中性轴转动的转角;z为 岩梁轴线的挠度;a和b为未知常量;E为岩梁的弹 性模量;I为岩梁界面的惯性矩,I m3/12。 理论上可以假定煤壁上方截面的中点不移动，该 点的水平线段不转动,那么认为岩梁在煤壁上方的转 角及挠度均为0,即 Z’ * 0 _ 0,z* 0 _ 0 17 综合式7 17,可以求得岩梁轴线x W l1 时 的挠度方程为 z_ f Vt ymfV t2 -fq0l0 x2 AfEI f 1 Yms1 2丫吋说-j1。3 - 12fEI x - N1 x4 \ q qVt - YmVt - 2q010 -ql2] x5 24EI L6011EI 12011 EI l1 l2 」 18 煤层与薄弱直接顶可以视为等效的弹性地基，对 基本顶起弹性支撑作用,在垂直方向上与基本顶处于 协同变形状态，整个煤岩系统冲击失稳前保持相对稳 定。当x l1时基本顶挠度记为w,代入式17可得 f ]Yms1vt YmfV t1 -fqo l0,2 W _Zx_lx _ l1 16 M x _ T sx F sx 4fEI f 1 Yms1 2丫吋讥 _ 術百 f - 12fEI 1 _ N1 l4 「 q qvt - Ymvt - 2q0l0 - qlf 24El1 L60EI 120EI l1 l2 」“ 120EI A l2 GIf xJ-q010 x[- 舒13 当-WxW时 19 分析得到的w物理意义为工作面开采过程中 超前支承压力峰值处煤层顶板在垂直方向的变形 3060煤 炭 学报2020 年第 45 卷 量，由式19可以看出，基本顶的挠曲变形与工作 面的推采速度和推采时间呈正相关关系，在推采时 间一定的情况下推采速度越快，相应位置顶板变形 量越大，其同样反映了工作面两条巷道相应位置的 围岩变形量。 梁在x截面的弯曲弹性能Ux可表示为 Ux _Mx 20 丿 2EI ， 据王家臣等[10，13]研究可知，同一推采时间下，随 着推采速度的提高，基本顶断裂前煤岩体积聚的弹性 能越多，围岩加载速率增大，变形速率增加。当围岩 变形量过大和变形速率过快时，易破坏支护,当遇到 地质构造或其他应力异常区域时很容易诱发冲击地 压的发生。因此，需定量分析同一推采时间t下超前 支承压力峰值处对应的顶板变形量、弯矩和弯曲弹性 能随推采速度v的变化关系。本文采用离散化计算 方法,即求得支承压力峰值处单点应力、基本顶挠曲 变形、弯矩和弯曲弹性能。 取参数如下q 16.5 MP a ,t 3 d,y 25 kN/m3, s〕20 m,f 0.1, l 60 m, 15 m, l 45 m, N、 17. 6 MP a , l。 2 m, q。 1. 5 MP a , m 31 m, E 33 GP a,回采速度v为2.4 9. 6 m/do将参数代入 式11,19,20中，可得不同回采速度下峰值应 力、基本顶挠曲变形、弯矩和弯曲弹性能变化曲线，如 图 7,8 所示。 29 8 7 6 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4 3 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2.4 3.2 4.0 4.8 5.6 6.4 7.2 8.0 8.8 9.6 推采速度/m s_1 4 3 2 1 4 3 2 1 5 0 图7不同推采速度下峰值处应力与挠曲变形曲线 Fig . 7 Cu r v es o f st r ess a n d fl ex u r a l defo r ma t io n a t pea k wit h differ en t min in g speeds 可以看出，工作面推采过程中一个基本顶垮落周 期内，同一推采时间下推采速度越快,超前支承压力 峰值越大,峰值位置处基本顶挠曲变形量越大，弯矩 越大，断裂前积聚的弯曲弹性能越多，冲击可能性相 应增大。 2.3疏水区高强度开采致冲机制疏水区高强度开采致冲机制 顶板富水工作面向前推采过程中，煤体某一点M 所处区域不同，其垂直应力大小也不同。存在以下几 O O5 5 E E 0000 「日.P0連 i-