摘要：為研究工作面不同推進速度對頂板覆巖的影響，建立了頂板破壞的梁模型，并通過巖石力學試驗，分析了不同加載速率下的力學特性。研究表明，工作面推進過程可視為對巖體的加載，并通過影響巖體加載速率，進而影響頂板覆巖的活動。低速推進時，頂板應力峰值、位移量較大，不利于頂板的管理;推進速度較高時，材料破壞會由塑性向脆性轉變，易發生切頂、巖爆等地質災害。在回采過程中，選擇合理的推進速度，能夠最大程度的保障安全生產，實現良好的經濟效益。

　　關鍵詞：頂板巖層,加載速率,推進速度,巖石力學,地質災害

　　采高、工作面長、推進速度是決定工作面開采強度的主要因素，其推進速度是最易控制，也是最有效的控制因素。理論和實踐證明，巖體的破壞是一個漸進的過程，推進速度對頂板巖層破壞以及周期來壓特征的影響，實質是采動作用下采場圍巖應力重分布及巖體破壞時間效應的體現[1]。目前就推進速度對圍巖的影響已做了大量研究，楊勝利等[2]通過室內試驗和理論分析方法，發現加載速率不同，煤巖體破壞形式不同，進而推出不同推進速度下，煤巖體發生災變的幾率同時變化。

　　王金安、謝光祥[3-4]認為提高工作面推進速度可以減小工作面周圍巖體的位移，適當提高推進速度有利于工作面管理和安全生產;劉全明、王曉振[5-6]分別用數值模擬和現場實測的方法對工作面推進速度與礦壓顯現的關系進行了研究，發現推進速度越大，周期來壓的持續長度明顯增大。上述研究只考慮了加載速率或推進速度對煤礦安全生產的單一影響，沒有對推進過程中覆巖的加載進行分析，為此通過理論分析、數值模擬同時分析了推進速度、加載速率對巖體力學性質的影響，得到了推進速度與頂板應力、巖層破壞以及下沉量的關系，研究對預防頂板事故發生具有一定的指導作用。

　　1推進速度對頂板影響的力學模型

　　1.1力學模型建立

　　頂板初次垮落前可將其視為兩端固支的梁結構，基本頂隨采隨垮，計算中忽略不計，頂板上覆巖層可視為均布荷載q，假設頂板不會被破壞的情況下建立模型，并對其進行力學分析。

　　2加載速率對巖體力學性質的影響

　　2.1加載速率影響定性分析

　　影響巖體力學性質的因素有2個方面，一方面構成巖體的巖性、構造、節理、賦存狀態等自然因素決定了巖體的根本屬性;另一方面，在巖體開挖過程中，工程作用力對巖體的作用是卸荷過程，反之可視為對周圍巖體加載的過程。工作面回采會造成圍巖應力的重新分布，這個過程不是瞬時完成的，單位時間內推進速度的不同，必然導致對周圍巖體加載速度的不同。實驗證明[7]，不同的加載速率對巖石裂紋的擴展以及最終的破壞強度有明顯的影響。尹小濤等[8]通過研究發現加載速率會造成巖石材料破壞形態的改變，材料破壞過程中存在塑性向脆性轉變的臨界速率。

　　隨著加載速率的提高，會出現應力變化率過大而應變變化率來不及反應仍處于較小的狀態，表現為巖石的變形參數、峰值強度隨之提高的巖石強度偽增強現象。

　　2.2推進速度與巖石加載速率關系分析

　　巖石的性質可以間接反映巖體的性質，這也說明了推進速度是通過影響頂板巖體的加載速率進而影響頂板的變形破壞的，推進速度越大，頂板巖體表現出的抗拉能力就越強，頂板越不容易破壞。當巖體承受的應力達到極限承載能力時，巖體結構將破壞。由以上分析可知，當推進速度增大時，巖體所表現出的強度增大，頂板巖體越不容易破壞。

　　考慮巖體應力重新分布的時間效應，在一定范圍內，隨著推進速度的增加，巖體承受最大應力仍小于巖體表現出的偽強度。將巖體視為黏彈性體，工作面推進速度較慢時，頂板在同一位置滯留的時間就會較長，巖體的黏性變形就越容易得到發揮，從而較容易發生頂板巖層的彎曲、下沉、離層、斷裂和垮落，對頂板管理造成不利的影響;工作面推進速度較高時，頂板在同一位置滯留的時間就會較短，頂板荷載傳遞不充分，圍巖受損傷和變形程度降低。因此在工程實踐中，經常會用提高工作面推進速度的方法減緩工作面頂板破壞及礦壓顯現的強度。

　　3數值模擬

　　3.1模型建立

　　某礦一工作面走向平均長度1400m，傾斜長度150m。煤層傾角平均7°，賦存穩定，煤層平均厚度3.9m，煤層埋深560m。工作面頂底板巖性見表1，建立數值模擬模型走向長200m，傾向長200m，高95m。選擇摩爾-庫倫本構模型，模型前后左右和底部對位移進行約束，上部巖層以均布荷載代替。

　　3.2模擬方案

　　FLAC數值模擬中，運算時步和單次開挖截深與開挖速度有一定的對應關系，運算時步越小，開挖截深越大開挖速度越快;運算時步越大，開挖截深越小，開挖速度越慢。采用時步相同截深不同的方法對開采速度與頂板覆巖活動進行研究。

　　3.3模擬分析

　　3.3.1垂直應力分析

　　當工作面回采60m時，沿工作面走向，選取中部和兩側，沿傾向選擇煤壁處和煤壁前10m處，分別作出垂直應力曲線。應力呈拱形分布，同一推進速度時，工作面中部到兩側應力遞減;沿工作面走向中部和兩側，距離煤壁約5~10m范圍內的頂板，垂直應力出現峰值。推進速度減小時，應力峰值均有所增加，以走向中部巖體垂直應力為例，推進60m，推進速度分別為15、10、5、3m/d時對應的應力峰值分別為18.72、19.71、21.38、22.69MPa。

　　與15m/d相比，推進速度為10m/d時應力峰值增加了5.23%，推進速度為5m/d時為14.21%，推進速度為3m/d時為21.21%�？梢�，推進速度的增加，能夠減小垂直應力峰值，有利于頂板巖層的穩定。

　　3.3.2下沉量分析

　　根據數值模擬的結果，頂板下沉量在中間處最大，中部至兩側逐漸減小。當推進速度為3、5、10、15m/d時，頂板下沉量分別為478、413、342、265mm。推進速度越大，頂板下沉量越小，因此可適當增加推進速度控制頂板巖層的下沉。

　　4結論

　　1)工作面回采過程中，推進速度影響頂板的巖層活動，當推進速度增加時，頂板荷載傳遞不充分，可以有效的減小頂板彎曲下沉離層等，可以有效的減小頂板事故的發生。隨著回采過程中推進速度的加快，頂板所受荷載有所增加，頂板在同一位置滯留時間變短，巖體的塑性變形不能充分發展。

　　2)工作面推進過程可視為巖體的加載過程，隨著加載速率的提高，會出現應力變化率過大而應變變化率來不及反應仍處于較小的狀態，表現為巖石的變形參數、峰值強度隨之提高的巖石強度偽增強現象，即推進速度越快圍巖的下沉破壞越慢。

　　參考文獻：

　　[1]王磊，謝光祥.綜采面推進速度對煤巖動力災害的影響研究[J].中國礦業大學學報，2010，39(1)：70-74.

　　[2]楊勝利，王兆會，蔣威，等.高強度開采工作面煤巖災變的推進速度效應分析[J].煤炭學報，2016，41(3)：586-594.

　　[3]王金安，焦申華，謝廣祥.綜放工作面開采速率對圍巖應力環境影響的研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25(5)：1-7.

　　[4]謝光祥，常聚才，華心祝.開采速度對綜放面圍巖力學特征影響研究[J].巖土工程學報，2007，29(7)：964.

　　[5]劉全明.淺埋綜采工作面礦壓顯現的推進速度效應分析[J].煤炭科學技術，2010，38(7)：24-26.

　　[6]王曉振，許家林，朱衛兵，等.淺埋綜采面高速推進對周期來壓特征的影響[J].中國礦業大學學報，2012，41(3)：349-354.

　　[7]王杜，張宏.加載速度對兩類不同材料力學性能影響程度的分析[J].西安公路交通大學學報，1997，17(1)：121-123.

　　[8]尹小濤，葛修潤，李春光.加載速率對巖石材料力學行為的影響[J].巖石力學與工程學報，2010，29(S1)：2610-2615.

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