2-126工作面覆巖移動及超前支承壓力分布規(guī)律

周寶江

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2-126工作面位于+80水平一采區(qū)，工作面北側(cè)為F14斷層，西側(cè)為2-112工作面采空區(qū)，南側(cè)為2-118C工作面采空區(qū)，東側(cè)為F23斷層，工作面主采2#煤層，煤層均厚3.75 m，平均夾矸層厚度為0.5 m，平均傾角為9°，硬度系數(shù)為1.5，直接頂板為細(xì)粒砂巖，厚2.45 m，基本頂為K8中粒砂巖，厚4.8 m，直接底板為炭質(zhì)泥巖，厚2.9 m，老底為K7中粒砂巖，厚3.1 m。頂板裂隙發(fā)育，底板泥巖遇水易膨脹，本文擬分析2-216工作面回采過程中覆巖的移動規(guī)律和超前支承壓力分布規(guī)律，以為后續(xù)工作面回采作業(yè)提供參考借鑒。

2 覆巖移動規(guī)律分析

2.1 基本頂來壓步距計算

在進(jìn)行基本頂來壓步距分析時，通常將工作面上覆巖層看作是兩端固支的板來進(jìn)行研究，巖層所受載荷按均布載荷進(jìn)行考慮，采用材料力學(xué)的方法進(jìn)行相關(guān)計算分析，進(jìn)而得到巖層破斷變形的判別方法，即基本頂巖梁所承受的拉應(yīng)力值超過強(qiáng)度極限值時，便會產(chǎn)生破斷變形［1-2］，具體基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗉爸芷趤韷翰骄喾治龅牧W(xué)模型見圖1。

圖1 基本頂初次及周期來壓步距力學(xué)模型

通過對上述力學(xué)模型進(jìn)行分析能夠得出，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗪椭芷趤韷翰骄喾謩e為：

式中：LC為基本頂初次來壓步距；Lz為基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄?；［σt］為基本頂巖層的極限抗拉強(qiáng)度；q為巖梁所承受的載荷；l為巖梁長度，h為基本頂巖梁的厚度，根據(jù)工作面的具體地質(zhì)條件取q=1.17 MPa，［σt］=38.18 MPa，h=4.8 m；代入式（1）中，能夠計算得出2-126工作面基本頂初次來壓步距LC=38.9 m，周期來壓步距LZ=16.7 m。

2.2 圍巖應(yīng)力塑性區(qū)分布規(guī)律分析

為有效分析2-126工作面回采過程中上覆巖層的移動規(guī)律，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析。根據(jù)2-126工作面的地質(zhì)條件，建立模型尺寸為：長×寬×高=400 m×200 m×99 m，模型頂部邊界施加7.5 MPa載荷，設(shè)置前后、左右邊界橫向位移及速度為零［3］，底部邊界豎向位移及速度為零。模型建立后進(jìn)行工作面回采巷道的開挖，隨后進(jìn)行工作面的回采作業(yè)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果具體分析采動影響下圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)的發(fā)育特征。

（1）圍巖應(yīng)力分布

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出，在2-126工作面推進(jìn)不同長度下，圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律。根據(jù)圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律，能夠得出超前支承壓力及側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律?，F(xiàn)具體對工作面推進(jìn)40 m、55 m、72 m和86 m時圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行分析，見圖2。

圖2 工作面推進(jìn)不同長度下圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律

通過分析圖2可知，工作面回采會在其前方及兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中。2-126工作面超前支承壓力影響區(qū)為工作面前方10～55 m范圍，應(yīng)力峰值處于其前方15～25 m范圍，其垂直應(yīng)力可達(dá)到29.93 MPa，動壓影響系數(shù)為1.8左右；自工作面煤壁開始，其后方20～50 m范圍為覆巖離層區(qū)，再往后50 m后為采空區(qū)壓實區(qū)；工作面兩側(cè)的側(cè)向支承壓力影響區(qū)域為5～10 m范圍，應(yīng)力峰值處于6～8 m范圍，動壓影響系數(shù)1.7左右。

（2）圍巖塑性區(qū)分布

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，同樣能夠得出工作面在推進(jìn)不同長度下圍巖塑性區(qū)的分布形態(tài)?，F(xiàn)具體對工作面推進(jìn)40 m、55 m、72 m和86 m時圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律進(jìn)行分析，見圖3。

圖3 工作面推進(jìn)不同長度下圍巖塑性區(qū)分布

2-126工作面在兩側(cè)都為實體煤情況下推進(jìn)過程中上覆巖層的破斷變形情況見圖3，由上述模擬結(jié)果可得出如下結(jié)論：

①2-126工作面直接頂巖層隨著工作面的向前推進(jìn)及時發(fā)生垮落，當(dāng)工作面向前推進(jìn)40 m時，基本頂上部產(chǎn)生離層破斷，發(fā)生工作面的初次來壓，見圖3（a），即2-126在正常推進(jìn)情況下，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?0 m。隨后對工作面進(jìn)行循環(huán)開挖推進(jìn)，當(dāng)工作面向前推進(jìn)55 m、72 m、86 m時，見圖3（b）～（d），頂板發(fā)生周期性的破斷變形，即基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄酁?4～17 m，平均為16 m左右。

②2-126向前推進(jìn)過程中，受工作面回采動壓影響，頂板發(fā)生破斷變形后向工作面采空區(qū)發(fā)生垮落，覆巖自下而上產(chǎn)生離層裂隙，直接頂隨采隨垮落，充填采空區(qū)。工作面推進(jìn)至40 m時，基本頂初次來壓，并發(fā)生垮落，垮落高度約10 m左右，覆巖裂隙發(fā)育高度為16.2 m；當(dāng)工作面繼續(xù)向前55 m、72 m、86 m時，頂板最大垮落高度達(dá)到25 m，頂板覆巖裂隙繼續(xù)向上發(fā)育，裂隙發(fā)育高度最大可達(dá)到75 m；隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，工作面后方垮落的矸石逐漸壓實，覆巖裂隙也不再向上發(fā)展。即工作面垮落帶高度約為25 m左右，裂隙帶發(fā)育高度約為75 m左右，再向上為覆巖彎曲下沉帶。

3 超前支承壓力分布實測

3.1 監(jiān)測方案

工作面超前支承力是礦壓顯現(xiàn)的重要組成部分，也是巷道超前支護(hù)的主要依據(jù)。在工作面回采期間，通過在單體液壓支柱上安裝YHY60礦用本安型壓力表［4］，對2-126工作面回風(fēng)巷和膠運巷超前支護(hù)段支承壓力的分布規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測，壓力表分別安設(shè)在工作面回風(fēng)巷和膠運巷超前支護(hù)段最前方單體上，分別距工作面46 m處和27.5 m處，隨著工作面回采作業(yè)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測作業(yè)。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

通過礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠得出超前段支承壓力在工作面推進(jìn)過程中的壓力分布情況，分析2-126工作面回風(fēng)巷和膠運巷頂板壓力分布情況，為巷道超前支護(hù)、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)提供依據(jù)。工作面超前支承壓力與到工作面位置關(guān)系見圖4。

圖4 工作面超前支承壓力與工作面位置關(guān)系

分析圖4可知，2-126回風(fēng)巷、膠運巷超前支承壓力在工作面煤壁逐漸推進(jìn)中的變化趨勢如下：

①回風(fēng)巷工作面前方100～50 m的范圍內(nèi)，單體支柱壓力表讀數(shù)基本未發(fā)生變化，均為初始壓力值9.73 MPa，之后隨著工作面的推進(jìn)，其幅度逐漸增加，但是，當(dāng)工作面推進(jìn)至11.7 m處時壓力值由19.25 MPa迅速降低，推測該處支柱工作阻力降低是由墊木壓裂，支柱無法正常接頂引起的；在此之后，隨著巷道頂板繼續(xù)下降，支柱再次接頂，支柱工作阻力經(jīng)歷一段平穩(wěn)期后繼續(xù)上升，在距工作面煤壁1.2 m處達(dá)到23 MPa的支柱安全閥開啟值。

②膠運巷超前工作面100～46 m范圍內(nèi)，單體柱壓力數(shù)值基本不發(fā)生變化，壓力表數(shù)值為初始壓力17.2 MPa，當(dāng)單體柱壓力測點與工作面距離小于46 m時，此時隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，單體柱的壓力數(shù)值出現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，測點與工作面距離小于30 m時，單體柱壓力值增幅速度陡然增加，直到在距工作面位置8.9 m 處時達(dá)到一個高峰30.46 MPa，之后隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，支架工作阻力平穩(wěn)，平均值維持在30 MPa，直到工作面推進(jìn)至0 m處時壓力值達(dá)到最大值31.07 MPa。

基于上述分析，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果可知，超前支承壓力的影響范圍約為工作面前方50 m范圍，超前支承壓力的峰值在23～30 MPa的范圍內(nèi)，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.8，超前支承壓力的峰值出現(xiàn)在在工作面前方約15 m的位置處。

4 結(jié)語

根據(jù)2-126工作面的具體地質(zhì)條件，通過理論分析與數(shù)值模擬分析工作面回采時上覆巖層的移動規(guī)律，得出基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗉s為38.9 m，周期來壓步距約為15 m，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果可知，工作面超前支承壓力影響范圍約為50 m，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在超前工作面15 m的位置處，數(shù)值為23～30 MPa。