基于實(shí)測(cè)分析的采厚與超前支承壓力峰值位置關(guān)系研究

李志強(qiáng)，蘇 禮，李 洋

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 三元石窟煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000；2.華北科技學(xué)院，北京 101601）

0 引 言

超前支承壓力是指工作面煤層采出后，由于覆巖壓力的轉(zhuǎn)移，在前方煤壁形成的集中應(yīng)力。超前支承壓力的分布特征將對(duì)工作面和上下順槽的圍巖控制產(chǎn)生較大的影響。近些年我國(guó)現(xiàn)代化礦井的生產(chǎn)技術(shù)和裝備發(fā)展十分迅速[1-4]，綜合機(jī)械化放頂煤開采在我國(guó)的發(fā)展和成果顯著[5,7]，在世界范圍內(nèi)也處于前列。掌握超前支承壓力的分布規(guī)律和特征對(duì)巷道維護(hù)和支護(hù)方案選擇十分重要。然而影響超前支承壓力的因素很多，主要因素有煤層埋藏深度、采厚、頂板懸梁長(zhǎng)度和煤層強(qiáng)度等[8-11]。本文主要分析綜放開采時(shí)采厚與超前支承壓力峰值位置的關(guān)系，其中峰值位置指的是峰值位置與工作面煤壁的距離。

1 超前支承壓力觀測(cè)

河林煤礦的主采煤層為7（4）煤層，j7401工作面范圍內(nèi)的頂板巖性屬于中等偏硬巖層，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作面范圍內(nèi)無(wú)斷層，走向長(zhǎng)度為1 520 m，傾向長(zhǎng)度為240 m。j7401工作面煤層傾角變化范圍較大（圖1），開采過(guò)程中俯角最大達(dá)到32°，仰角最大達(dá)到16°，在整個(gè)煤層開采過(guò)程中也有4段屬于近水平煤層，分別為圖中的A段、B段、C段和D段。工作面范圍內(nèi)地表標(biāo)高為+255—+310 m，工作面水平標(biāo)高-150—-270 m，煤層厚度為7.8～16.3 m，平均煤層厚度大約是11.4 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，設(shè)計(jì)采高為3.4 m，放頂高度根據(jù)推進(jìn)不同位置時(shí)的煤層厚度而定。

圖1 j 7401工作面煤層分布Fig.1 Coal seam distribution of No.j7401 face

以河林礦j7401工作面為研究對(duì)象，分析不同綜放開采厚度時(shí)的超前支承壓力位置變化特征。在圖1中A段的長(zhǎng)度為62 m，平均煤層厚度大約為9.6 m，開采過(guò)程中采高3.4 m，放頂高度為6.2 m；B段的長(zhǎng)度為58 m，平均煤層厚度為8.4 m，設(shè)計(jì)采高3.4 m，放頂高度5.1 m；C段長(zhǎng)度為53 m，平均煤層厚度為11.2 m，采高3.4 m，放頂高度7.8 m；D段長(zhǎng)度為48 m，平均煤層厚度12.9 m，采高3.4 m，放頂高度9.5 m。

在工作面的A段、B段、C段和D段分別設(shè)置觀測(cè)線進(jìn)行觀測(cè)，在工作面推進(jìn)至距離各個(gè)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)段30～50 m時(shí)，在回風(fēng)巷開始布置超前支承壓力鉆孔測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距大約1 m（由于施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件限制不能完全保證間距都是1 m，但測(cè)點(diǎn)間距控制在0.9～1.1 m），鉆孔深度3 m（鉆孔深度控制在2.9～3.1 m），鉆孔距離巷道底板1.5 m（鉆孔與巷道底板距離控制在1.4～1.6 m），鉆孔參數(shù)和布置位置如圖2所示。其中A段布置的測(cè)點(diǎn)數(shù)為60個(gè)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為A1，A2，…，A60；B段測(cè)點(diǎn)數(shù)為56個(gè)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為B1，B2，…，B56；C段測(cè)點(diǎn)數(shù)為52個(gè)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為C1，C2，…，C52；D段測(cè)點(diǎn)數(shù)為47個(gè)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為D1，D2，…，D47。

圖2 鉆孔參數(shù)和布置位置示意Fig.2 Parameters and layout position of drilling

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)j7401綜放工作面的推進(jìn)情況安排觀測(cè)工作，當(dāng)工作面與第一個(gè)測(cè)點(diǎn)距離大約20 m時(shí)開始記錄超前支承壓力數(shù)據(jù)，每推進(jìn)一個(gè)循環(huán)（并且移架結(jié)束后）觀測(cè)一次數(shù)據(jù)。當(dāng)判斷發(fā)生周期來(lái)壓時(shí)，調(diào)取周期來(lái)壓前的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，記錄的內(nèi)容包括此時(shí)煤壁前方所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)，以及各測(cè)點(diǎn)距工作面煤壁距離。

2 觀測(cè)結(jié)果分析

工作面在A段、B段和C段推進(jìn)過(guò)程中都觀測(cè)到了3次周期來(lái)壓，在D段推進(jìn)過(guò)程中觀測(cè)到了2次周期來(lái)壓。整理每次周期來(lái)壓前一次的超前支承壓力數(shù)據(jù)，整理的數(shù)據(jù)為煤壁前方40個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，即大約為煤壁前方40 m范圍內(nèi)超前支承壓力。分別將4個(gè)監(jiān)測(cè)段的來(lái)壓數(shù)據(jù)繪制出來(lái)壓曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，在相同觀測(cè)段觀測(cè)得到的超前支承壓力峰值的位置近似相同，在不同觀測(cè)段觀測(cè)得到的超前支承壓力峰值的位置不同，超前支承壓力峰值與工作面煤壁距離由小到大依次是B段、A段、C段、D段，4個(gè)觀測(cè)段的采厚排序也是B段、A段、C段、D段，隨著采厚的增加，超前 支承壓力峰值的位置與工作面煤壁的距離變大。

圖3 監(jiān)測(cè)到的超前支承壓力曲線Fig.3 Curve of the advancing abutment pressure

對(duì)4段監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)分別采用拉格朗日插值方法進(jìn)行分析，在插值區(qū)間內(nèi)選擇分析的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，過(guò)這些數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造插值函數(shù)，使得到的插值函數(shù)值與插值區(qū)間內(nèi)原函數(shù)各節(jié)點(diǎn)值差值最?。ㄆ渲?，為插值區(qū)間內(nèi)選擇的節(jié)點(diǎn)數(shù)）。拉格朗日插值的實(shí)質(zhì)是根據(jù)已知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)或函數(shù)曲線，構(gòu)造一個(gè)統(tǒng)一的、具有足夠精度的插值函數(shù)，利用插值函數(shù)分析原有數(shù)據(jù)的線性關(guān)系或統(tǒng)計(jì)關(guān)系。得到的4個(gè)觀測(cè)段的插值曲線，如圖4所示。

圖4 超前支承壓力插值曲線Fig.4 Interpolation curve of advancing abutment pressure

通過(guò)圖4的插值曲線可以得出，4個(gè)觀測(cè)段超前支承壓力峰值位置距離工作面煤壁的距離分別是12.67、11.58、14.94和17.38 m。

3 結(jié) 語(yǔ)

采用拉格朗日插值的方法對(duì)觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出，當(dāng)采厚相同時(shí)，超前支承壓力峰值位置基本相同；當(dāng)采厚增加時(shí)，超前支承壓力位置與工作面煤壁距離變大。在生產(chǎn)中觀測(cè)相同地質(zhì)采礦條件工作面2個(gè)采厚對(duì)應(yīng)超前支承壓力峰值位置，可以得到采厚與超值支承壓力峰值位置的一次關(guān)系式，此關(guān)系式可以用于預(yù)測(cè)相同地質(zhì)采礦條件下，不同采厚時(shí)超前支承壓力峰值位置，對(duì)巷道維護(hù)和支護(hù)方案的選擇，具有很好的指導(dǎo)作用和借鑒意義。