向斜構(gòu)造區(qū)域綜采面超前支承壓力分布規(guī)律研究

金志遠(yuǎn)，高林生

(1.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003； 2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 廊坊 065201)

向斜是煤礦常見的一種構(gòu)造，由于地應(yīng)力的影響和向斜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，向斜軸部和兩翼受力及應(yīng)力分布存在差異，而采煤工作面推采通過向斜構(gòu)造過程中，由于受超前支承壓力影響，回采巷道會發(fā)生變形破壞。為了使回采巷道斷面能夠達(dá)到滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求，就需要在采煤工作面前方一定范圍內(nèi)對回采巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，也就是超前支護(hù)，目前常用的超前支護(hù)方式主要有單體液壓支護(hù)+鉸接頂梁，或單體液壓支護(hù)+Π型鋼梁，或者超前支架。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，采煤工作面超前支護(hù)范圍不得小于20 m，但是由于各個(gè)礦區(qū)的地質(zhì)條件、煤層賦存條件存在差異，超前支護(hù)范圍也存在差異。另外，由于受超前支承壓力影響，回采巷道超前支護(hù)段的應(yīng)力分布也存在差異，而研究回采巷道超前支護(hù)段的應(yīng)力分布規(guī)律是超前支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。針對某礦1204綜采面通過向斜構(gòu)造過程中回采巷道的超前支護(hù)問題，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立與1204綜采面覆巖地層相似的模型，模擬實(shí)際煤層開采，研究采煤工作面推采通過向斜構(gòu)造過程中俯采階段、向斜軸部階段和仰采階段的超前支承壓力分布規(guī)律，與此同時(shí)采用壓力表測試方式，測定超前支護(hù)段的單體液壓支柱壓力，實(shí)測采煤工作面的超前支承壓力，并與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析，為合理的超前支護(hù)方案制定奠定基礎(chǔ)。

1 工作面概況

1204工作面布置在二疊系下統(tǒng)山西組2號煤層中，地面大部分被第三、四系黃土覆蓋，東部為上示嶺丘陵地帶，北部為南嶺和正溝的山坡地帶，由2個(gè)向斜和1個(gè)背斜構(gòu)成，工作面整體為南東高、北西低，煤層蓋山厚334～487 m。該綜采面西鄰一采區(qū)邊界，南為已開采的1202綜采面，東鄰集中軌道巷，北為正在開采的1206綜采面。1204工作面對應(yīng)的地面標(biāo)高為+948～+1 103 m，井下標(biāo)高為+495～+541 m；走向長度1 980 m，傾向長度167 m。

2號煤層厚度為2.50～3.95 m，平均為3.20 m；傾角為3°～8°，平均為6°。基本頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為6.5 m；直接頂為泥質(zhì)頁巖，厚度為1.6 m；直接底為砂質(zhì)頁巖，厚度為2.4 m；基本底為細(xì)粒砂巖，厚度2.42 m。工作面采用綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法控制頂板。

2 超前支護(hù)方式的選擇

目前我國煤礦綜采面采用的超前支護(hù)方式主要有：單體液壓支柱+金屬頂梁方式(包括“單體液壓支柱+一字金屬鉸接頂梁”、“單體液壓支柱+十字金屬鉸接頂梁”和“單體液壓支柱+Π型鋼梁”)和超前支架。不同超前支護(hù)方式對比見表1。

表1 不同超前支護(hù)方式對比Tab.1 Comparison of different advanced supporting methods

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，通過對不同超前支護(hù)方式的缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析，確定1204綜采面超前支護(hù)方式為“單體液壓支柱+Π型鋼梁”。單體液壓支柱選用DZ-35型，Π型鋼梁選用DFB4000-300型，超前支護(hù)設(shè)計(jì)為40 m，單體液壓支柱穿鞋。

3 數(shù)值模型建立

采煤工作面推進(jìn)距離不同時(shí)，覆巖結(jié)構(gòu)特征不同，在其自重壓力和采動影響共同作用下，綜采面超前支承壓力分布規(guī)律存在差異性[1-5]；另一方面，綜采面受構(gòu)造影響時(shí)，基本頂和直接頂結(jié)構(gòu)特征及受力特點(diǎn)不同，引起綜采面超前支承壓力分布規(guī)律不同[6-7]。根據(jù)1204綜采面的生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用FLAC3D三維數(shù)值模擬軟件，針對向斜構(gòu)造區(qū)域(包括過向斜軸部階段、俯采階段和仰采階段)，開展了超前支承壓力分布規(guī)律研究。

根據(jù)1204綜采面的生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立向斜模型(圖1)，模擬綜采面向斜構(gòu)造區(qū)域回采，研究向斜構(gòu)造區(qū)域綜采面超前支承壓力分布規(guī)律?？紤]邊界影響、綜采面預(yù)期可能達(dá)到的超前支承壓力影響范圍及此次研究需要開挖的最大尺寸，確定模型長×寬×高=300 m×300 m×100 m。模型的左、右及下邊界均為位移固定約束邊界，上邊界為應(yīng)力邊界，按上覆巖層厚度施加均布載荷。為使模擬結(jié)果真實(shí)反映客觀實(shí)際，煤層本構(gòu)關(guān)系采用應(yīng)變軟化模型，巖層本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumb模型。采用界面單元模擬巖層層面。

圖1 向斜模型Fig.1 Syncline model

向斜構(gòu)造區(qū)域綜采面開采模擬設(shè)計(jì)如下：綜采面推進(jìn)30 m，模擬俯采階段(俯采角度為10°)；綜采面推進(jìn)50 m，模擬過向斜軸部階段(傾角為0°)；綜采面推進(jìn)78 m，模擬仰采階段(仰采角度為10°)。測線布置：在綜采面內(nèi)，靠近材料巷一側(cè)布置1條測線A-A，在運(yùn)輸巷一側(cè)布置1條測線B-B，監(jiān)測采煤面超前支承應(yīng)力變化，測線布置如圖2所示。

圖2 測線布置Fig.2 Survey line layout

4 超前支承壓力分布規(guī)律

4.1 俯采階段

俯采階段超前支承壓力分布云圖如圖3所示，綜采面超前支承壓力變化曲線如圖4所示。

圖3 俯采階段綜采面超前支承應(yīng)力分布云圖Fig.3 Cloud map of leading support stress distribution in fully-mechanized mining face in subduction working stage

圖4 俯采階段綜采面超前支承壓力分布曲線Fig.4 Distribution curve of advanced abutment pressure in fully-mechanized mining face in subduction working stage

(1)運(yùn)輸巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍為42.4 m，綜采面前方0～23.6m為劇烈影響區(qū)，23.6～42.4 m為微弱影響區(qū)，應(yīng)力峰值為18.6 MPa，在綜采面前方14.4 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為1.86；材料巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍為41.7 m，綜采面前方0～22.8 m為劇烈影響區(qū)，22.8～41.7 m為微弱影響區(qū)，應(yīng)力峰值為18 MPa，在綜采面前方13.9 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為1.8。與材料巷相比，運(yùn)輸巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍增大0.5 m，應(yīng)力峰值增大了0.6 MPa，距綜采面的距離增大了0.5 m，應(yīng)力集中系數(shù)增大了0.06。

(2)俯采時(shí)，在基本頂結(jié)構(gòu)及上覆巖層的重力作用下，與沿水平方向回采時(shí)相比，力的作用點(diǎn)前移，使得超前支承壓力影響范圍和應(yīng)力峰值位置距綜采面的距離都變大，根據(jù)俯采時(shí)基本頂受力特點(diǎn)，作用在基本頂?shù)牧κ菐r層自重的分力，因此，超前支承壓力應(yīng)力集中程度相對較小。

4.2 過向斜軸部階段

過向斜軸部階段超前支承壓力分布云圖如圖5所示，超前支承壓力變化曲線如圖6所示。

圖6 過向斜軸部綜采面超前支承壓力分布曲線Fig.6 Distribution curve of advanced abutment pressure in fully-mechanized working face when crossing syncline axis

(1)運(yùn)輸巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍為35.6 m，綜采面前方0～20.6 m為劇烈影響區(qū)，20.6～39.7 m為微弱影響區(qū)，應(yīng)力峰值為24.9 MPa，在綜采面前方11.8 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為2.46；材料巷的超前支承壓力影響范圍為35.3m，綜采面前方0～19.8 m為劇烈影響區(qū)，19.8～39.3 m為微弱影響區(qū)，應(yīng)力峰值為24 MPa，在綜采面前方11.2 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為2.4。與材料巷相比，運(yùn)輸巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍增大了0.4 m，應(yīng)力峰值增大了0.9 MPa，距綜采面的距離增大了0.6 m，應(yīng)力集中系數(shù)增大了0.09。

(2)過向斜軸部時(shí)，由于受構(gòu)造影響，圍巖應(yīng)力集中程度較大，且圍巖比較破碎，綜采面超前支承壓力影響程度較俯采時(shí)大，但影響范圍較俯采時(shí)小。與正常回采時(shí)相比，超前支承壓力影響范圍和應(yīng)力集中程度都大[8-12]。

4.3 仰采階段

仰采階段綜采面超前支承壓力分布云圖如圖7所示，超前支承壓力變化曲線如圖8所示。

圖7 仰采階段綜采面超前支承應(yīng)力分布云圖Fig.7 Cloud map of leading support stress distribution in fully-mechanized mining face in upward working stage

(1)運(yùn)輸巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍為32.6 m，綜采面前方0～19.1 m為劇烈影響區(qū)，19.1～32.6 m為微弱影響區(qū)，應(yīng)力峰值為23.3 MPa，在綜采面前方8.8 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為2.33；材料巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍為31.9 m，綜采面前方0～18.8 m為劇烈影響區(qū)，18.8～31.9 m為微弱影響區(qū)，應(yīng)力峰值為23.1 MPa，在綜采面前方8.6 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為2.31。與材料巷相比，運(yùn)輸巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍增大0.7 m，應(yīng)力峰值增大了0.2 MPa，距綜采面的距離增大了0.2 m，應(yīng)力集中系數(shù)增大了0.02。

圖8 仰采階段綜采面超前支承壓力分布曲線Fig.8 Distribution curve of advanced abutment pressure in fully-mechanized mining face in upward working stage

(2)仰采時(shí)，綜采面超前支承壓力向采空區(qū)方向傾斜，因此支承壓力影響范圍較俯采時(shí)的小，但直接頂隨著綜采面的向前推進(jìn)，隨采隨冒，基本頂巖層斷裂成的巖塊在重力的作用下向采空區(qū)方向旋轉(zhuǎn)、下滑，使得綜采面液壓支架上方巖層結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，引起礦壓顯現(xiàn)極其劇烈，使得超前支承壓力集中程度較俯采時(shí)大[13-15]。

5 現(xiàn)場實(shí)測

由于運(yùn)輸巷安裝有帶式輸送機(jī)，空間受限不方便實(shí)測，因此只在材料巷用壓力表對超前支護(hù)范圍內(nèi)的單體液壓支護(hù)壓力進(jìn)行了實(shí)測。實(shí)測結(jié)果如圖9所示。

圖9 單體液壓支柱壓力分布曲線Fig.9 Pressure distribution curve of single hydraulic prop

由圖9可知：①俯采階段，工作面前方0～21.4 m為劇烈影響區(qū)，21.4～40.0 m為微弱影響區(qū)，應(yīng)力峰值在工作面前方12.3m處，應(yīng)力集中系數(shù)為1.71；②過向斜軸部階段，工作面前方0～18.3 m為劇烈影響區(qū)，18.3～35.0 m為微弱影響區(qū)，應(yīng)力峰值在工作面前方10.5 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為2.48；③仰采階段，工作面前方0～18m為劇烈影響區(qū)，18～33 m為微弱影響區(qū)，應(yīng)力峰值在工作面前方8.95 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為2.22。

6 結(jié)論

(1)對比分析不同超前支護(hù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合1204綜采面的工程地質(zhì)條件，確定超前支護(hù)方式為“單體液壓支柱+Π型鋼梁”，單體液壓支柱選用DZ-35型，Π型鋼梁選用DFB4000-300型。

(2)數(shù)值模擬得出：向斜構(gòu)造區(qū)域回采時(shí)：俯采階段，工作面超前支承壓力影響范圍為42 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.83；過向斜軸部階段，工作面超前支承壓力影響范圍為35.4 m，應(yīng)力集中系數(shù)為2.45；仰采階段，超前支承壓力影響范圍為32.2 m，應(yīng)力集中系數(shù)為2.32。

(3)現(xiàn)場實(shí)測得出：俯采階段，工作面超前支承壓力影響范圍為40 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.71；過向斜軸部階段，工作面超前支承壓力影響范圍為35 m，應(yīng)力集中系數(shù)為2.48；仰采階段，工作面超前支承壓力影響范圍為33 m，應(yīng)力集中系數(shù)為2.22。

(4)向斜構(gòu)造區(qū)域回采時(shí)，過向斜軸部階段的應(yīng)力集中程度最大，仰采階段的次之，俯采階段的最??；但俯采階段的支承壓力影響范圍最大，過向斜軸部階段的次之，仰采階段的最小。