興隆莊煤礦3305下工作面超前支承壓力分布研究

武 振 王桂洋 華 樂

（1.兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦，山東 兗州 272100；2.山東魯泰控股集團(tuán)有限公司太平煤礦，山東 鄒城 273500；3.兗礦集團(tuán)鮑店煤礦，山東 鄒城 273500）

興隆莊煤礦3305下工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，容易受到?jīng)_擊地壓的威脅。掌握工作面支承應(yīng)力分布規(guī)律，對工作面超前支護(hù)范圍的確定、工作面超前巷道沖擊地壓監(jiān)測和防治范圍、方式的確定提供了可靠參考和依據(jù)。

1 工程概況

3305下綜放工作面地面相對位置為日菏高速公路以南，苑莊以東，崇文大道以北。地面標(biāo)高+50.9～ +51.7m，平均+51.5m。工作面位于第三采區(qū)的下部，西面與3304下采煤面相鄰，南面為5307工作面采空區(qū)，西南為5306綜放工作面的采空區(qū)，北部為日菏高速公路的保護(hù)煤柱。工作面標(biāo)高-337～ -353m，埋藏深度387.9～404.7m。面長206m（兩順槽內(nèi)幫垂直平距），推進(jìn)長度384m，工作面面積79310m2。開采煤層為3煤，煤層厚度7.8～9.9 m，平均8.5m；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩層夾矸，煤層傾角1～10°，平均4.5°。

3305下工作面的煤層直接頂厚度為1.87～6.78m、平均2.67m的粉砂巖,巖石普氏硬度為f=5.7；基本頂為厚度9.79～31.24m、平均18.14m的中砂巖，巖石普氏硬度為f=6～9；直接底為厚度1.30～3.50m、平均1.5m的粉砂巖，巖石普氏硬度為f=5.7；基本底部為厚度6.80～19.36m、平均12.3m的中砂巖，巖石普氏硬度為f=6～11。

2 數(shù)值模擬研究

模型網(wǎng)格分為160×240，代表16000×240000mm，即每一個單元代表1000mm。模型上方的加載方法采用均勻載荷，在Y方向向上加載23MPa，X方向加零位移約束，計算步數(shù)為5步（不包括步驟），并加載自重進(jìn)行計算。

該模型是一個二維問題，并建立了平面應(yīng)變力學(xué)模型。在計算模型中，水平位移約束應(yīng)用于模型的兩側(cè)以限制其水平位移；底邊限制了垂直和水平方向的位移。假設(shè)巖石力學(xué)參數(shù)符合威布爾分布，巖石裂縫由庫侖-摩爾強(qiáng)度準(zhǔn)則判斷。

根據(jù)主應(yīng)力圖1中煤層變化趨勢可以看出，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，工作面頂板以及煤幫變形和破壞趨勢逐漸增大，并有向煤體深部移動的趨向；根據(jù)垂直應(yīng)力圖2應(yīng)力變化情況可以看出，工作面煤壁前62m處開始出現(xiàn)支承壓力顯現(xiàn)變化，并且在前方約25m處開始有應(yīng)力峰值。峰值應(yīng)力值約為34～36MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為 1.48～1.57。

圖1 主應(yīng)力圖

圖2 垂直應(yīng)力分布示意圖

3 現(xiàn)場實測研究

（1）儀器布置參數(shù)

鉆孔應(yīng)力計沿軌道順槽布置，監(jiān)測區(qū)域主要位于3305下工作面軌道順槽內(nèi)，用于觀測軌道順槽內(nèi)工作面前方煤體支撐壓力的分布情況和應(yīng)力增加區(qū)的峰值大小。在調(diào)查區(qū)域內(nèi)安裝10個鉆孔應(yīng)力計，編號為1～10。使用F3導(dǎo)線點做為參考點，將1～8號鉆孔應(yīng)力計沿著巷道下幫向著工作面方向布置，兩兩間距10m，1～8號應(yīng)力計的安裝深度分別為 9m、7m、5m、3m、3m、5m、7m、9m， 并 根據(jù)工作面煤壁確保1號鉆孔應(yīng)力計與其間距不小于100m；9號、10號兩只應(yīng)力計安裝在F6點附近，二者間距25～30m，距離底板1.2m，間距10m。

觀測周期：每2h觀測一次。

（2）實測數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)收集工作于2018年8月15日開始，應(yīng)力值以及測站內(nèi)部的綜合情況的記錄在超前187m開始進(jìn)行，其中包括附近鉆孔卸壓和煤層注水軟化等施工擾動，并在宏觀上進(jìn)行了描述。

由于鉆孔應(yīng)力計在運(yùn)輸、安裝、使用中可能存在一定的問題，導(dǎo)致出現(xiàn)一些讀數(shù)不合理、無法讀數(shù)等的情況。在實際數(shù)據(jù)分析中，應(yīng)根據(jù)實際情況排除不合理的讀數(shù)和無讀數(shù)的鉆孔應(yīng)力計數(shù)據(jù)，防止其影響數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。3305下工作面鉆孔應(yīng)力讀數(shù)如表1所示。

表1 3305工作面鉆孔應(yīng)力數(shù)據(jù)

通過對圖3中的第2#與5#鉆孔應(yīng)力計的應(yīng)力讀數(shù)比對可以看出，該工作面超前支撐壓力變化曲線與實際壓力分布變化曲線規(guī)律相似。本工作面超前支承壓力從超前煤壁80～90m處開始有明顯影響，在與頂板動態(tài)儀監(jiān)測數(shù)據(jù)所分析的支承壓力進(jìn)行比對后，鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測的顯著影響范圍更大。再結(jié)合3305下工作面的推進(jìn)計劃方案，在對該工作面進(jìn)行礦壓觀測期間，在超前煤壁前方80～100m處需要進(jìn)行擴(kuò)面工作，與此同時，該地段存有較大斷層構(gòu)造帶，支承壓力無法正常傳遞并集中在斷層邊界附近。上述影響因素相互疊加，增大了支撐應(yīng)力影響范圍。

圖3 應(yīng)力隨超前工作面距離變化曲線

根據(jù)應(yīng)力場疊加原理和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，再結(jié)合上述情況進(jìn)行分析，工作面超前支承壓力顯著影響范圍為55～60m；支承壓力峰值位置分別出現(xiàn)在21m、23m、28m，即其壓力峰值位置約為24m。

4 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，確定工作面超前支承壓力峰值位置和超前支承壓力影響范圍。在對1305工作面進(jìn)行數(shù)值模擬研究以及現(xiàn)場監(jiān)測的方法后，通過相互印證以及綜合分析表明，工作面超前支承壓力明顯影響范圍為60m，峰值位置在超前工作面25m處開始出現(xiàn)。