淺埋深分層綜放工作面超前支承壓力特征

郝海明，任耀飛

（1.山西陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 二礦，山西 陽(yáng)泉 045000；2.山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 新疆公司，新疆 伊寧 835000）

1 概述

受回采工作及自重應(yīng)力的影響，工作面圍巖喪失其原始的應(yīng)力平衡并在回采工作面四周形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象［1-3］。工作面前超前支承壓力的分布見(jiàn)圖1。從圖1中，能夠看出在接近煤壁后側(cè)的煤體極易破壞，從而失去承載能力，成為塑性區(qū)，導(dǎo)致支承壓力不斷向煤體的深部傳遞，并在某一位置形成應(yīng)力集中［2-4］。

圖1 工作面超前支承壓力分布

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作面超前支承壓力的分布規(guī)律，得出分層綜放工作面在回采過(guò)程中前方支承壓力分布范圍和強(qiáng)度，研究工作面前方支承壓力分布規(guī)律，以指導(dǎo)工作面超前支護(hù)參數(shù)選定與優(yōu)化。工作面支承壓力分布特征一般通過(guò)監(jiān)測(cè)工作面前方煤體應(yīng)力來(lái)研究，一般從工作面兩順槽在煤體內(nèi)安裝鉆孔煤體應(yīng)力計(jì)來(lái)開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作［5-8］。

2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

2.1 18041工作面概況

山鑫煤礦18041工作面開(kāi)采M8煤層，煤層埋藏深度80～130m，平均煤厚20 m，采用分層綜放開(kāi)采，開(kāi)采的平均厚度是12m，其中割煤3m，放煤9 m。工作面循環(huán)開(kāi)采的平均進(jìn)度為0.8 m，采煤和放煤為一個(gè)循環(huán)，每天兩個(gè)生產(chǎn)作業(yè)班，每個(gè)班完成兩個(gè)循環(huán)。工作面選擇的支架型號(hào)為ZFY13000/24/42及ZFG5400/18/33，適應(yīng)采高在2.0～3.8 m、1.8～3.3 m，并跟頂回采。山鑫煤礦采用KJ-25煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)18041綜放工作面煤體進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)由三部分組成，分別是礦用本安型壓力監(jiān)測(cè)分站、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、鉆孔應(yīng)力計(jì)等。通過(guò)工作面開(kāi)采進(jìn)尺和煤體的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以確定出工作面周?chē)鷳?yīng)力集中區(qū)域。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在18041綜放工作面回風(fēng)順槽切眼前方20 m煤幫側(cè)安裝有煤體應(yīng)力計(jì)，每隔5 m安裝一個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，總共安裝了3個(gè)，但是在切眼前方20m煤幫側(cè)安裝的水平深度有所區(qū)別，由里向外分別是3 m、5 m和7m，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為1#、2#和3#。18041綜放工作面煤體應(yīng)力計(jì)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖2 18041綜放工作面煤體應(yīng)力計(jì)測(cè)點(diǎn)布置

3 超前支承壓力分布特征分析

1#～3#鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)得的煤體應(yīng)力曲線分別見(jiàn)圖3（a）～（c），鉆孔應(yīng)力計(jì)在三個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖3 18041工作面各測(cè)點(diǎn)煤體應(yīng)力曲線

表1 鉆孔應(yīng)力計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由煤體應(yīng)力曲線和觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表可以得出18041工作面超前支承壓力服從如下規(guī)律：

1）應(yīng)力集中系數(shù)分布區(qū)間為1.2～1.4，平均約1.2，因此，超前支承壓力應(yīng)力集中系數(shù)較低，超前支承壓力整體緩和。

2）超前支承壓力影響范圍為7～10 m，平均約8.3m，遠(yuǎn)低于一般工作面的20～70 m。因此，超前支承壓力影響范圍小。

3）2#測(cè)點(diǎn)的超前壓力峰值超前煤壁距離為3.1 m，而1#和3#測(cè)點(diǎn)觀測(cè)的應(yīng)力峰值超前煤壁距離為0 m，即直接位于煤壁上，應(yīng)力曲線表現(xiàn)為單一的彈性分布，即工作面前方煤體不存在塑性區(qū)，超前支承壓力峰值超前煤壁距離平均為1.1 m，因此，超前支承壓力峰值超前煤壁距離較小，峰值靠近煤壁。

4 原因分析

煤層的埋藏深度、煤體強(qiáng)度和采出厚度等因素對(duì)工作面超前支承壓力的分布都有一定的影響，對(duì)于18041綜放工作面而言，超前支撐壓力分布規(guī)律的原因?yàn)椋?/p>

1）根本原因是工作面的埋藏深度較淺。18041工作面最小埋藏深度約80 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，超前支承壓力峰值距煤壁距離x與埋深H的關(guān)系滿足：x=0.015，H=1.2 m，這與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符。

2）支承壓力峰值超前煤壁距離與頂板的強(qiáng)度成正比，與煤體強(qiáng)度成反比。根據(jù)煤巖物理力學(xué)測(cè)試結(jié)果，18041工作面煤層頂板平均天然抗壓強(qiáng)度為12.2～16.27 MPa，而煤層的天然單軸抗壓強(qiáng)度11.16～14.23 MPa，兩者測(cè)試的強(qiáng)度相差無(wú)幾，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)來(lái)看，直接頂在較長(zhǎng)時(shí)間曝露后風(fēng)化松散或遇水軟化，其強(qiáng)度反不如煤層強(qiáng)度。因此，當(dāng)頂板在采動(dòng)影響下發(fā)生離層、斷裂時(shí)，煤體往往還處于彈性狀態(tài)，變形量較小。另外，由于頂板松軟也決定了其周期破斷步距較小，其破斷失穩(wěn)時(shí)作用在煤體上的動(dòng)載也較小，不足于使煤體或煤壁發(fā)生塑性破壞。

3）根據(jù)巷道圍巖移動(dòng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，在開(kāi)采過(guò)程中，煤壁前方的巷道頂板始終沒(méi)有明顯離層或下沉；而且，煤壁沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞，片幫和冒頂現(xiàn)象較少。所以這些動(dòng)力顯現(xiàn)均佐證了淺埋深工作面超前支承壓力整體緩和、影響范圍小、應(yīng)力峰值近甚至呈單一彈性狀態(tài)的特征。

5 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)煤體應(yīng)力實(shí)測(cè)得出18041淺埋深分層綜放工作面的超前支承壓力分布具有整體相對(duì)平緩，應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)較低，超前支承壓力影響范圍小等特征。

2）根據(jù)巷道圍巖移動(dòng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，在開(kāi)采過(guò)程中，煤壁前方的巷道頂板始終沒(méi)有明顯離層或下沉；而且，煤壁沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞，片幫和冒頂現(xiàn)象較少。這些特征均佐證了淺埋深工作面超前支承壓力整體緩和、影響范圍小、應(yīng)力峰值近甚至呈單一彈性狀態(tài)的特征。