厚煤層綜放工作面支承壓力觀測及應用

王超

引言：依據某煤礦綜放面開采地質及技術條件，采用鉆孔應力計對工作面回采過程中應力變化的觀測，得出工作面在采動影響下，支承壓力的影響范圍，并且依據埋設不同深度的鉆孔應力計的應力變化情況，分析出工作面傾向支承壓力的峰值點及影響范圍。

前言

眾所周知，綜采放頂煤采煤法是實現高產高效、既經濟又實用的有效途徑。【1】但對于厚煤層的綜放開采，與單一煤層開采相比，支承壓力的影響范圍和峰值點都不盡相同【2】【3】，巷道開掘的合理位置和開掘時間的選擇、底板巷道合理位置與維護等巷道礦壓控制設計，采場頂板來壓預測預報等問題，其共同點都是依據采場支承應力分布及傳播規律，特別是煤體上支承壓力高峰位置以及內外應力場的分布范圍等。掌握采掘工作面支承壓力分布規律，對工作面沖擊地壓防治、采掘施工工藝的選取等均具有重要的理論價值和實際意義【4】。

一、工作面概況

某煤礦13210工作面設計為綜采放頂煤工作面，煤層平均厚度10.9m，平均采深達604余米。煤層整體呈一向南東傾斜的單斜構造。采用走向長壁后退式采煤方法、一次采全高，綜采放頂煤回采工藝，自然垮落法管理頂板。

二、超前支承壓力觀測

工作面超前支承壓力是礦山壓力顯現的重要組成部分，留設煤柱的大小和超前支護的范圍主要依靠超前支承壓力的影響范圍和峰值位置【5】。支承壓力現場測定主要是確定其分布特征，如分布范圍、高峰位置、低應力區范圍等重要的特征參數，這些重要的特征參數也正是有關礦山壓力控制設計的依據。超前支承壓力觀測站設在工作面下順槽，超前支承壓力的觀測使用北京科技大學研制的KJ550煤礦沖擊地壓預警監測系統。KJ550煤礦沖擊地壓預警監測系統，實時監測工作面和巷道周圍煤巖體的應力，并診斷和預報發生沖擊地壓與瓦斯區域和危險程度。監測系統包括地面監測主站、井下監測分站、鉆孔應力計等部件及相應的軟件組成。

（一）觀測站位置

根據實際需要以及工作面的開采情況，共布設15組傳感器，每5米一組，每組布置在不同深度的孔深中，主要目的是將傳感器安設在不同的深度，測量煤體不同深度范圍超前支承壓力的變化情況。在安設前，首先距巷道底板1m-2m的位置，垂直煤壁用Φ42的煤電鉆分別打不同深度的鉆孔。打孔時，盡量保持鉆桿垂直煤壁，打完后，吹出孔內煤粉，而且盡量使孔壁光滑，然后在進行安裝。采用鉆孔測力計測定支承壓力分布特征的關鍵是測力計的預緊，否則只能給出很低的壓力變化或根本測不出壓力。用手壓油泵通過三通閥將應力探頭加壓標定壓力后，關閉三通閥，拆除手壓泵。

（二）觀測方法

KJ550沖擊地壓預警監測系統是一套實時在線監測系統，可以通過地面終端實時在線監測井下煤巖體內鉆孔應力計的應力變化情況。

（三）觀測結論

通過工作面推進過程中對應力傳感器的應力變化情況的觀測，確定超前支承壓力的峰值點和影響范圍。

本觀測從2012年9月30日開始至10月20日結束，工作面共采80m。各傳感應力計監測數據通過統計見下圖1，由圖可知由于安裝過程中，應立計未和孔壁充分接觸及安裝時的其他外在因素使05#等幾組應力計失效，在此不做分析。從圖中可見煤壁應力隨工作面采動變化是非常明顯的，煤壁的超前支承壓力變化曲線很清晰。

通過對監測數據進行分析總結，得出工作面在推進過程中，超前支承壓力的影響范圍、劇烈影響范圍以及峰值點位置，如表1所示。

采用的油壓式應力傳感器測量的支承壓力值是相對值，而不是絕對值，能反映超前支承壓力的變化規律和應力集中程度，而不能反映煤體內超前支承壓力的實際大小。

在距巷道煤壁12m孔深的煤體內布置了10#鉆孔應力計，應力計安裝時的初始應力為9.05MPa，當測試點距工作面33.33m時，應力計開始檢測到采動應力，隨著工作面的推進，采動應力逐漸緩慢增大，隨著工作面的推進，當測試點距工作面12.11m時，應力計測應力達到最大值11.05MPa，此時工作面采動應力為11.05-9.05=2MPa，即工作面前方在采動擾動下，煤體內壓力增加了2MPa，由此可見，重視和加強巷道超前支護是非常至關重要的。當工作面繼續推進，采動應力開采回落，在工作面靠近應力計4m后，采動應力逐漸消失，表明此處煤體均處于破碎狀態，喪失了對頂板的支護能力，易于產生煤壁片幫顯現。

三、傾向支承壓力觀測

（一）鉆孔應力計監測

由于15個鉆孔應力計安裝在巷道煤壁的不同孔深處，因此可以得到煤體內不同深度的應力分布情況，從而得到沿工作面傾向的支承壓力的應力分布規律，

經分析沿工作面傾斜方向最大采動應力發生在距巷道壁12m處，這為施工卸壓鉆孔的鉆孔深度提供了依據，對于沖擊地壓的防治具有指導意義。取每個應力計的最大值繪圖得圖3。

（二）鉆屑法監測

鉆屑法根據鉆孔過程中單位孔深排出煤屑的煤粉量來判斷采煤工作面煤體應力是一種簡便方法。在鉆孔過程中，收集鉆出的煤屑，每鉆進一米測量一次煤屑重量。在13210工作面下巷，利用Φ42的煤電鉆打30米鉆孔，從第3根鉆桿開始稱煤粉量，每鉆進1米稱一次煤粉量，依次施工。經過數據統計分析，煤粉量最大出現在第12根鉆桿，這說明鉆孔排出的煤屑重量與煤壁內應力增高有明顯變化關系。如圖4所示：

四、結論

從總體上講，13210工作面采動支承壓力超前影響范圍平均為31.1m，最大采動支承壓力發生在工作面前方10m處，最大采動應力為1.38MPa。沿工作面傾斜方向最大采動應力發生在距巷道壁12m處，在峰值兩側采動應力均體現逐漸減弱趨勢。

參考文獻

[1] 王永秀，齊慶新，陳兵，等.煤柱應力分布規律的數值模擬分析[J].煤炭科學技術，2004（10）.

[2] 石平五，許少東.綜放沿空掘巷礦壓顯現規律研究[J].礦山壓力與頂板管理，2004（1）.

[3] 賈光勝，康立軍.綜放開采采準巷道護巷煤柱穩定性研究[J].煤炭學報，2002（1）.

[4] 姚愛軍，黃福昌，張宗社.寬厚煤柱煤巖體流變力學特性試驗研究[J].中國礦業，2003（2）.

[5] 劉愛國，苗田，王云方，等.綜放工作面回采巷道煤柱應力分析與參數優化[J].煤炭科學技術，2002（1）.

（作者單位：太原理工大學礦業工程學院）