特厚煤層大型綜放面超前支承壓力實測研究

舒國青

(山西保利裕豐煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100)

綜放開采技術(shù)目前是我國厚及特厚煤層開采的主要采煤方法［1］。綜放開采的優(yōu)勢在于巷道準備工作量少、采煤工藝相對簡單、生產(chǎn)集中、材料及能耗相對較?。?］。但是由于我國煤炭資源分布與開采條件極不平衡，綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律也出現(xiàn)明顯的差別。尤其是在特厚煤層中應(yīng)用綜采放頂煤技術(shù)時，需要針對具體條件，研究分析工作面礦壓顯現(xiàn)特征，采取相應(yīng)技術(shù)措施，以保證工作面的安全高效開采［3］。

工作面超前支承壓力分布特征是確定工作面合理工藝參數(shù)、平巷支護參數(shù)和超前支護距離等的重要依據(jù)［4－6］。通過采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬的方法，研究特厚煤層千萬噸綜放面超前支承壓力分布規(guī)律，為特厚煤層綜放工作面合理工藝參數(shù)和平巷超前支護設(shè)計提供依據(jù)［7－8］。

1 工程概況

某礦B907特大型綜放工作面長300 m，順槽長1650 m，設(shè)計生產(chǎn)能力1080萬t/年，所采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組9#煤層。9#煤層厚8.9～13.6 m，平均厚度11.7 m，煤層傾角1.8°～3.8°，平均2.8°。直接頂板以中粗砂巖為主，有時為細砂巖，局部有灰黑色泥巖，灰白色，石英長石為主;直接底板以泥質(zhì)巖類為主，灰色～灰黑色，含植物葉片或根部化石，分選磨圓較好，性較脆，以灰色為主。

B907特大型綜放工作面采用傾斜長壁后退式全部垮落綜合機械化放頂采煤法。一次采全高，機采高度3.3 m，放煤5.6 ～10.3 m，割煤步距0.8 m。

2 超前支承壓力觀測

2.1 觀測儀器

超前支承壓力現(xiàn)場觀測采用KSE－II－1型鉆孔應(yīng)力傳感器，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。數(shù)據(jù)讀取采用KSE－III型鋼弦記錄采集系統(tǒng)在地面PC上進行。

圖1 鉆孔應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 觀測方案

根據(jù)采場礦山壓力理論，當采場推進長度≥工作面長度后，裂隙拱拱高將不再持續(xù)增加，此時的支承壓力及壓力峰值處于穩(wěn)定階段［9－10］，也是研究超前支承壓力分布規(guī)律較為理想的觀測階段。因此，在采場推進過一個工作面長度后再布置測站較為合理。

超前支承壓力測站布置在B907輔運平巷中，在工作面前方距工作面150 m、160 m和170 m處布置3個測站。3個鉆孔位于同一水平面，沿煤層傾向布置，深20 m，鉆孔起點距巷道底板1.75 m。超前支承壓力測站布置示意圖見圖2。

圖2 超前支承壓力測站布置示意圖

鉆孔應(yīng)力計的初始應(yīng)力值設(shè)定為初始地應(yīng)力，即γH。工作面埋深180～220 m，上覆巖層的平均容重取25 kN/m3，則初始地應(yīng)力為 4.4 ～5.4 MPa。本次觀測鉆孔應(yīng)力計的初始值設(shè)定為5.0 MPa。

2.3 觀測結(jié)果分析

測站中的KSE－Ⅲ－R型鋼弦記錄儀每隔30 min自動讀取、記錄1次應(yīng)力傳感器的數(shù)據(jù)。觀測人員每隔48 h用KSE－Ⅲ－C型采集儀采集1次鋼弦記錄儀所測數(shù)據(jù)，直至工作面推過測站。在地面PC上使用KSE－III型鋼弦記錄采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)讀取、處理，得到超前支承壓力的分布規(guī)律曲線。B907特大型綜放工作面的超前支承壓力分布曲線圖見圖3。

圖3 B907綜放面超前支承壓力分布曲線圖

由圖3可見，超前支承壓力曲線在工作面前方較遠處(平均約80.5 m處)比較平直，認為此時煤體處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，即超前支承壓力影響范圍為80.5 m，遠大于一般地質(zhì)條件下的影響范圍(20～30 m)。工作面煤壁前方7.2 m范圍內(nèi)的煤體處于塑性區(qū)，煤壁至前方4.4 m范圍煤體為破裂區(qū)，煤壁前方7.2～80.5 m范圍內(nèi)的煤體處于彈性區(qū)，工作面前方80.5 m以外為原巖應(yīng)力區(qū)。超前支承壓力峰值為7.3 MPa，應(yīng)力集中系統(tǒng)為1.48。由此得出B907綜放工作面超前支承壓力分布規(guī)律，見圖4。

圖4 超前支承壓力分布規(guī)律圖

由以上分析可知，B907特厚煤層特大型綜采放頂煤工作面的超前支承壓力分布規(guī)律較為特殊:支承壓力影響范圍較大、塑性區(qū)相對較窄、應(yīng)力集中系數(shù)較小。其主要原因由于9#煤層埋藏較淺、厚度較大、煤質(zhì)較硬、老頂容易斷裂、支承壓力峰值點較為靠近煤壁。

3 超前巷道變形觀測

3.1 觀測方案

在B907輔運平巷中距工作面100 m、130 m和160 m處各布置一個測站，測站間距為30 m，測站布置示意圖見圖5。

圖5 超前巷道變形測站布置示意圖

測點具體布置方法見圖6。在C、D之間拉緊測繩，A、B之間用測桿和測槍測讀 AO、AB值;在 A、B之間拉緊測繩，C、D之間用測桿和測槍，測讀CO、CD值。測量精度達到1 mm，并估讀0.5 mm。采用皮卷尺測量測站距回采工作面的距離。測站離工作面50 m以外時，每兩天測1次，距工作面50 m之內(nèi)時，每一天測1次。

圖6 超前巷道變形測點具體布置方法示意圖

3.2 觀測結(jié)果分析

巷道測站隨著回采工作面的臨近和支承壓力的增大，圍巖變形速度和變形值逐漸增大，在工作面附近達到最大值。觀測結(jié)果見圖7。巷道變形分3個區(qū)域:1)超前采面＞55 m的影響較小區(qū)。2)超前采面23～55 m的采動影響增強區(qū)。3)超前采面＜23 m的采動影響強烈區(qū)。

圖7 超前巷道變形曲線圖

由圖7可知，從測站布置到B907綜放面推過測站，巷道超前變形量整體較小，兩幫移近量最大不超過80 mm，頂?shù)装逡平孔畲蟛怀^25 mm。并且超前巷道變形量受采動影響的范圍要小于支承壓力的影響范圍。因此，B907特大型綜放工作面平巷超前支護距離20～25 m是合理的。

4 數(shù)值模擬

4.1 計算模型的建立

數(shù)值計算模型長300 m，高100 m。模型兩個側(cè)面施加法向約束，底部邊界施加垂直約束，頂部為自由邊界，根據(jù)地表至模型頂部距離施加相應(yīng)的荷載。模型從上往下依次為:上覆巖層(46 m)、基本頂(9 m)、直接頂(3 m)、煤層(12 m)、直接底(4 m)、基本底(26 m)。計算模型見圖8。

圖8 數(shù)值計算模型示意圖

4.2 模擬結(jié)果分析

由數(shù)值模擬得出的B907綜放工作面頂?shù)装宕怪睉?yīng)力分布圖，見圖9。工作面前方頂板發(fā)生應(yīng)力集中，即超前支承壓力顯現(xiàn)。

圖9 工作面垂直應(yīng)力模擬結(jié)果圖

由數(shù)值模擬得出的超前支承壓力分布規(guī)律可以看出:B907綜放面支承壓力峰值為8.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.64，影響范圍約為88.2 m，煤壁前方塑性區(qū)寬度約為7.6 m。數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果基本相符。

5 結(jié)論

1)現(xiàn)場實測B907綜放面超前支承壓力分布范圍為80.5 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.48，塑性區(qū)寬度為7.2 m。數(shù)值模擬超前支承壓力分布范圍為88.2 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.64?，F(xiàn)場實測超前巷道變形采動影響增強區(qū)為工作面前方23～55 m，采動影響強烈區(qū)為工作面前方0～23 m。B907綜放面平巷超前支護距離20～25 m是合理的。

2)實測及數(shù)值模擬結(jié)果表明，B907特厚煤層綜放面超前支承壓力分布范圍較大，但應(yīng)力集中系數(shù)較小，因而對平巷的超前變形影響較小。這種特殊分布規(guī)律主要是由于B907綜放面埋藏深度較淺，煤層厚度較大，老頂容易斷裂形成的。

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