厚煤層綜放工作面支承壓力觀測(cè)及應(yīng)用

王超

引言：依據(jù)某煤礦綜放面開(kāi)采地質(zhì)及技術(shù)條件，采用鉆孔應(yīng)力計(jì)對(duì)工作面回采過(guò)程中應(yīng)力變化的觀測(cè)，得出工作面在采動(dòng)影響下，支承壓力的影響范圍，并且依據(jù)埋設(shè)不同深度的鉆孔應(yīng)力計(jì)的應(yīng)力變化情況，分析出工作面傾向支承壓力的峰值點(diǎn)及影響范圍。

前言

眾所周知，綜采放頂煤采煤法是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效、既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的有效途徑?！?】但對(duì)于厚煤層的綜放開(kāi)采，與單一煤層開(kāi)采相比，支承壓力的影響范圍和峰值點(diǎn)都不盡相同【2】【3】，巷道開(kāi)掘的合理位置和開(kāi)掘時(shí)間的選擇、底板巷道合理位置與維護(hù)等巷道礦壓控制設(shè)計(jì)，采場(chǎng)頂板來(lái)壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等問(wèn)題，其共同點(diǎn)都是依據(jù)采場(chǎng)支承應(yīng)力分布及傳播規(guī)律，特別是煤體上支承壓力高峰位置以及內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)的分布范圍等。掌握采掘工作面支承壓力分布規(guī)律，對(duì)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(jià)值和實(shí)際意義【4】。

一、工作面概況

某煤礦13210工作面設(shè)計(jì)為綜采放頂煤工作面，煤層平均厚度10.9m，平均采深達(dá)604余米。煤層整體呈一向南東傾斜的單斜構(gòu)造。采用走向長(zhǎng)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(cè)

工作面超前支承壓力是礦山壓力顯現(xiàn)的重要組成部分，留設(shè)煤柱的大小和超前支護(hù)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(xiàn)場(chǎng)測(cè)定主要是確定其分布特征，如分布范圍、高峰位置、低應(yīng)力區(qū)范圍等重要的特征參數(shù)，這些重要的特征參數(shù)也正是有關(guān)礦山壓力控制設(shè)計(jì)的依據(jù)。超前支承壓力觀測(cè)站設(shè)在工作面下順槽，超前支承壓力的觀測(cè)使用北京科技大學(xué)研制的KJ550煤礦沖擊地壓預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。KJ550煤礦沖擊地壓預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面和巷道周圍煤巖體的應(yīng)力，并診斷和預(yù)報(bào)發(fā)生沖擊地壓與瓦斯區(qū)域和危險(xiǎn)程度。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括地面監(jiān)測(cè)主站、井下監(jiān)測(cè)分站、鉆孔應(yīng)力計(jì)等部件及相應(yīng)的軟件組成。

（一）觀測(cè)站位置

根據(jù)實(shí)際需要以及工作面的開(kāi)采情況，共布設(shè)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(shè)在不同的深度，測(cè)量煤體不同深度范圍超前支承壓力的變化情況。在安設(shè)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(shí)，盡量保持鉆桿垂直煤壁，打完后，吹出孔內(nèi)煤粉，而且盡量使孔壁光滑，然后在進(jìn)行安裝。采用鉆孔測(cè)力計(jì)測(cè)定支承壓力分布特征的關(guān)鍵是測(cè)力計(jì)的預(yù)緊，否則只能給出很低的壓力變化或根本測(cè)不出壓力。用手壓油泵通過(guò)三通閥將應(yīng)力探頭加壓標(biāo)定壓力后，關(guān)閉三通閥，拆除手壓泵。

（二）觀測(cè)方法

KJ550沖擊地壓預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以通過(guò)地面終端實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)井下煤巖體內(nèi)鉆孔應(yīng)力計(jì)的應(yīng)力變化情況。

（三）觀測(cè)結(jié)論

通過(guò)工作面推進(jìn)過(guò)程中對(duì)應(yīng)力傳感器的應(yīng)力變化情況的觀測(cè)，確定超前支承壓力的峰值點(diǎn)和影響范圍。

本觀測(cè)從2012年9月30日開(kāi)始至10月20日結(jié)束，工作面共采80m。各傳感應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)下圖1，由圖可知由于安裝過(guò)程中，應(yīng)立計(jì)未和孔壁充分接觸及安裝時(shí)的其他外在因素使05#等幾組應(yīng)力計(jì)失效，在此不做分析。從圖中可見(jiàn)煤壁應(yīng)力隨工作面采動(dòng)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(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，得出工作面在推進(jìn)過(guò)程中，超前支承壓力的影響范圍、劇烈影響范圍以及峰值點(diǎn)位置，如表1所示。

采用的油壓式應(yīng)力傳感器測(cè)量的支承壓力值是相對(duì)值，而不是絕對(duì)值，能反映超前支承壓力的變化規(guī)律和應(yīng)力集中程度，而不能反映煤體內(nèi)超前支承壓力的實(shí)際大小。

在距巷道煤壁12m孔深的煤體內(nèi)布置了10#鉆孔應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)安裝時(shí)的初始應(yīng)力為9.05MPa，當(dāng)測(cè)試點(diǎn)距工作面33.33m時(shí)，應(yīng)力計(jì)開(kāi)始檢測(cè)到采動(dòng)應(yīng)力，隨著工作面的推進(jìn)，采動(dòng)應(yīng)力逐漸緩慢增大，隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)測(cè)試點(diǎn)距工作面12.11m時(shí)，應(yīng)力計(jì)測(cè)應(yīng)力達(dá)到最大值11.05MPa，此時(shí)工作面采動(dòng)應(yīng)力為11.05-9.05=2MPa，即工作面前方在采動(dòng)擾動(dòng)下，煤體內(nèi)壓力增加了2MPa，由此可見(jiàn)，重視和加強(qiáng)巷道超前支護(hù)是非常至關(guān)重要的。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)，采動(dòng)應(yīng)力開(kāi)采回落，在工作面靠近應(yīng)力計(jì)4m后，采動(dòng)應(yīng)力逐漸消失，表明此處煤體均處于破碎狀態(tài)，喪失了對(duì)頂板的支護(hù)能力，易于產(chǎn)生煤壁片幫顯現(xiàn)。

三、傾向支承壓力觀測(cè)

（一）鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)

由于15個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝在巷道煤壁的不同孔深處，因此可以得到煤體內(nèi)不同深度的應(yīng)力分布情況，從而得到沿工作面傾向的支承壓力的應(yīng)力分布規(guī)律，

經(jīng)分析沿工作面傾斜方向最大采動(dòng)應(yīng)力發(fā)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(jù)，對(duì)于沖擊地壓的防治具有指導(dǎo)意義。取每個(gè)應(yīng)力計(jì)的最大值繪圖得圖3。

（二）鉆屑法監(jiān)測(cè)

鉆屑法根據(jù)鉆孔過(guò)程中單位孔深排出煤屑的煤粉量來(lái)判斷采煤工作面煤體應(yīng)力是一種簡(jiǎn)便方法。在鉆孔過(guò)程中，收集鉆出的煤屑，每鉆進(jìn)一米測(cè)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(kāi)始稱煤粉量，每鉆進(jìn)1米稱一次煤粉量，依次施工。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，煤粉量最大出現(xiàn)在第12根鉆桿，這說(shuō)明鉆孔排出的煤屑重量與煤壁內(nèi)應(yīng)力增高有明顯變化關(guān)系。如圖4所示：

四、結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院）