綜采工作面超前支承應(yīng)力分布規(guī)律的理論與實踐研究

畢國勝 張建民 何彪太

摘 要：通過對中煤集團某礦15110綜采工作面超前應(yīng)力產(chǎn)生機理的理論推導(dǎo)與實測數(shù)據(jù)研究，掌握了其超前支承應(yīng)力影響范圍、應(yīng)力峰值位置、應(yīng)力分布規(guī)律等相關(guān)參數(shù)，為工作面選擇合理支護參數(shù)提供了依據(jù)，有效保證了工作面安全生產(chǎn)，也為類似生產(chǎn)條件工作面支護設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：綜采工作面;超前支承應(yīng)力;觀測站

1 緒論

長期以來，煤炭在我國的經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，如何做到煤炭的安全高效生產(chǎn)一直是困擾煤炭企業(yè)的一大難題。綜采工作面作為煤炭的第一生產(chǎn)現(xiàn)場，對整個煤礦的安全生產(chǎn)產(chǎn)生著重要影響，是煤礦安全管理工作中的重點區(qū)域[1]。綜采工作面兩安全出口與巷道連接處沿巷道方向一段距離，往往應(yīng)力較大，是頂板事故高發(fā)區(qū)，煤礦安全規(guī)程（2016版）第九十七條規(guī)定“采煤工作面所有安全出口與巷道連接處超前壓力影響范圍內(nèi)必須加強支護，且加強支護的巷道長度不得小于20m（具有沖擊地壓危險工作面超前支護范圍不小于70m，綜采放頂煤或中等及以上沖擊危險區(qū)域采煤工作面超前超前支護范圍不小于120m）;綜采機械化采煤工作面，此范圍內(nèi)的巷道高度不得低于1.8m。其他采煤工作面，此范圍內(nèi)的巷道高度不得低于1.6m。安全出口和與之相接的巷道必須設(shè)專人維護，發(fā)生支架斷梁折柱、巷道底鼓變形時，必須及時更換、清挖”[2]。因此，要想減輕或避免支承應(yīng)力所造成的危害和影響，就必須了解掌握采動超前支承應(yīng)力的分布規(guī)律，有針對性采取補強支護措施，保證礦井安全生產(chǎn)。本文通過對中煤集團某礦15110綜采工作面超前應(yīng)力產(chǎn)生機理的理論推導(dǎo)與實測數(shù)據(jù)研究，從而得出工作面超前支承應(yīng)力分布規(guī)律、影響范圍、應(yīng)力峰值位置等相關(guān)參數(shù)，為指導(dǎo)工作面科學(xué)支護設(shè)計提供了可靠的依據(jù)[3]。

2 工作面概況

2.1 作面位置

本文研究的15110工作面位于礦區(qū)西南側(cè)，工作面南北布置，北側(cè)為東翼大巷系統(tǒng)巷道，切眼南側(cè)臨近井田邊界保護煤柱，西側(cè)為一采區(qū)底板措施巷，東為15112老空區(qū)，對應(yīng)地表為高低不等的山嶺，地表無其他建筑或水體。

2.2 工作面煤層及頂?shù)装迩闆r

15110工作面走向長2250m，傾斜長227m，回采15#煤層，煤層穩(wěn)定，煤厚2.9—6.5m，平均5.0m，煤層傾角2°—11°，平均6°。15#煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部含0-2層透鏡體夾矸，夾矸巖性為泥巖，最厚0.2m。15#煤直接頂為13.92—23.3m的砂質(zhì)泥巖，老頂為3.6—4.45的K2灰?guī)r，直接底是6.23—12.91灰黑色泥巖，老底是1.5—3.54的淺灰白色K1細砂巖。

2.3 工作面采煤工藝

15110工作面為綜合機械化采煤方法，采用MG750/1800-WD型電牽引采煤機螺旋滾筒截割落煤，利用SGZ900/2×700刮板運輸機、ZZ900/315轉(zhuǎn)載機、PLM2500破碎機及DSJ120/130/3*355帶式輸送機形成運煤系統(tǒng)，工作面采用ZZ10600/27/60D液壓支架支護。

2.4 研究巷道參數(shù)與支護情況

為方便研究，以15110軌道巷為研究對象，對其超前支承應(yīng)力分布規(guī)律進行研究，該巷道沿煤層頂板施工，巷道為矩形斷面，凈寬×凈高=4700mm×3800mm，斷面積17.86m2。

巷道支護形式為：巷道采用錨網(wǎng)索+鋼筋梯聯(lián)合支護，頂部采用φ20mm×2300mm無縱肋左螺紋鋼式鋼錨桿，幫部φ20mm×2000mm無縱肋左螺紋鋼式鋼錨桿，間排距均為900×900，頂部鋼筋梯采用5000mm×900mm×70mmφ14mm圓鋼，幫部鋼筋梯采用2000mm×900mm×70mmφ12圓鋼，錨索采用φ17.8mm×7000mm鋼絞線，3-0-3布置方式，間排距1800mm×1800mm。

巷道超前支護為：采用DW45-250/110X單體液壓支柱+1200型鉸接頂梁+3.6mπ型鋼梁支護四排單體，鉸接頂梁走向布置、π型鋼梁傾向布置，其中π型鋼梁位于鉸接梁上方，靠近回采幫側(cè)單體為第一排單體，以此類推至非回采幫為第四排單體，第一排采用單體液壓支柱+鉸接頂梁+π型鋼梁、柱距為1.2m、支護長度不得小于80m，第二排采用單體液壓支柱+π型鋼梁、柱距為0.6m、支護長度不得小于80m，第三排采用單體液壓支柱+π型鋼梁、柱距為0.6m、支護長度不得小于30m，第四排采用單體液壓支柱+鉸接頂梁+π型鋼梁、柱距為0.6m、支護長度不得小于80m，四排單體液壓支柱排距為0.5m-1.5m（人行道）-0.5m。

3 工作面超前應(yīng)力產(chǎn)生機理理論推導(dǎo)

3.1 超前支承應(yīng)力產(chǎn)生機理

綜采工作面基本頂來壓時會造成下位巖梁及直接頂斷裂，上覆巖層對煤層的支承壓力分為內(nèi)應(yīng)力場和外應(yīng)力場[4]。煤體在內(nèi)應(yīng)力場作用下已被破壞，其承受應(yīng)力的大小與頂板的運動及作用力有關(guān);處外應(yīng)力場的煤體所受支承壓力的大小及范圍受頂板影響較小，支承應(yīng)力的大小是由煤體上覆巖層共同決定的。將綜采工作面采場覆巖假設(shè)為彈性梁，超前應(yīng)力影響即受采場上方“三帶”（斷裂帶、垮落帶、彎曲下沉帶）影響，根據(jù)武月江[5]對文克爾假設(shè)計算的各帶應(yīng)力公式為：

3.2 超前支承應(yīng)力分布規(guī)律

通過上述超前應(yīng)力產(chǎn)生機理的理論推導(dǎo)，并通過數(shù)據(jù)分析與經(jīng)驗實踐知：工作面超前支承應(yīng)力影響范圍可分為離工作面位置較近的應(yīng)力降低區(qū)（a）、應(yīng)力峰值所在區(qū)域的應(yīng)力增高區(qū)域（b）、應(yīng)力二次應(yīng)力下降區(qū)（c）與超前支承應(yīng)力影響較小區(qū)域（d：即原始應(yīng)力區(qū)），具體分布如圖1所示：

4 工作面超前支承應(yīng)力數(shù)據(jù)實測

為觀測研究巷道15110軌道順槽超前支承應(yīng)力分布情況，在軌道順槽每10m設(shè)置一巷幫收縮、頂?shù)捉苿恿坑^測站，交替觀測回采過程中巷道兩幫及頂?shù)装逡苿忧闆r，每5m設(shè)置一個頂板應(yīng)力傳感器，以觀測頂板應(yīng)力變化情況。本次選取2018年5月份15110工作面回采至600m時觀測數(shù)據(jù)為研究對象，因工作面回采至此位置，每天生產(chǎn)正常，產(chǎn)出煤量相對穩(wěn)定，且工作面前方100m范圍無大型斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，研究條件相對單一，容易研究工作面超前支承應(yīng)力與距工作面距離這單一因素的關(guān)系。

通過實測巷道兩幫收縮數(shù)據(jù)及頂板下沉、底板鼓起數(shù)據(jù)，分析巷道超前100m范圍巷道兩幫收縮情況及頂?shù)装逡苿幼兓闆r，繪制了15110軌道順槽兩幫收縮、頂?shù)滓平侩S工作面距離變化圖，可知：（1）15110軌道順槽位置距離工作面大于90m時，其巷道基本不收縮，頂?shù)谆緹o位移;（2）當(dāng)15110軌道順槽位置距離工作面小于等于90m時，其巷道兩幫收縮量及頂?shù)滓平侩S巷道距離降低而增大，且兩幫收縮量略大于頂?shù)捉屏?（3）15110軌道順槽位置離工作面10～30m時，巷道收縮量及頂?shù)捉屏孔兓俾首畲螅砻髟搮^(qū)段應(yīng)力變化最明顯;（4）巷道兩幫最大收縮距離為640mm，最大頂?shù)捉凭嚯x為520mm。

通過觀測工作面前方100m范圍應(yīng)力變化曲線，并剔除部分不合理數(shù)據(jù)，繪制了15110軌道順槽實測應(yīng)力隨距工作面距離變化圖（如圖2），因工作面旁的應(yīng)力傳感器受采動破壞影響，無法測得應(yīng)力數(shù)值，故應(yīng)力隨距工作面距離變化圖應(yīng)力值從距工作面5m開始繪制，通過該圖，可知：（1）0～25m時：15110工作面軌道巷超前支承應(yīng)力隨距離的增大而增大，尤其距工作面15～25m時，增長速率最大;（2）25m～75m時：15110工作面軌道巷超前支承應(yīng)力隨距離的增大而減小，尤其距工作面25～40m時，減小的速率最大，50m處有短暫回升，考慮由于該位置局部有一斷層所致;（3）15110軌道順槽頂板應(yīng)力峰值在距工作面25m處，應(yīng)力最大值為15MPa;（4）距工作面大于75m時，巷道頂板應(yīng)力基本保持著原巖應(yīng)力的穩(wěn)定狀態(tài)，受采動應(yīng)力影響不明顯。

5 結(jié)語

（1）分析了工作面超前支承應(yīng)力產(chǎn)生機理，并通過“彈性梁”假設(shè)及文克爾假設(shè)，推導(dǎo)出了超前支承應(yīng)力計算公式;

（2）繪制了兩幫收縮、頂?shù)滓平侩S工作面距離變化圖，得出了巷道兩幫收縮、頂?shù)滓平兓闆r及其相關(guān)規(guī)律;

（3）繪制了應(yīng)力隨變化趨勢圖，掌握了工作面超前支承應(yīng)力分布及其變化情況;

（4）通過對比圖1（15110綜采工作面超前應(yīng)力分布規(guī)律圖）與圖2（15110軌道順槽實測應(yīng)力隨工作面距離變化圖）知，此15110工作面軌道順槽應(yīng)力降低區(qū)（a）為0～15m、應(yīng)力峰值所在區(qū)域的應(yīng)力增高區(qū)域（b）為15～50m、應(yīng)力二次應(yīng)力下降區(qū)（c）為50～75m、超前支承應(yīng)力影響較小區(qū)域（d），即原始應(yīng)力區(qū)為大于75m;

（5）15110軌道順槽頂板應(yīng)力峰值為距離工作面25m處，峰值為15MPa，施工的作業(yè)規(guī)程要求超前支護不少于30m，滿足應(yīng)力分布規(guī)律要求。

參考文獻：

[1]李輝.綜采工作面回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析[J].煤，2018（6）：56-57.

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