基于實測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、頂板懸梁長度和煤層強(qiáng)度等[8-11]。本文主要分析綜放開采時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

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)造簡單，工作面范圍內(nèi)無斷層，走向長度為1 520 m，傾向長度為240 m。j7401工作面煤層傾角變化范圍較大（圖1），開采過程中俯角最大達(dá)到32°，仰角最大達(dá)到16°，在整個煤層開采過程中也有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)計采高為3.4 m，放頂高度根據(jù)推進(jìn)不同位置時的煤層厚度而定。

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工作面為研究對象，分析不同綜放開采厚度時的超前支承壓力位置變化特征。在圖1中A段的長度為62 m，平均煤層厚度大約為9.6 m，開采過程中采高3.4 m，放頂高度為6.2 m；B段的長度為58 m，平均煤層厚度為8.4 m，設(shè)計采高3.4 m，放頂高度5.1 m；C段長度為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)置觀測線進(jìn)行觀測，在工作面推進(jìn)至距離各個觀測實驗段30～50 m時，在回風(fēng)巷開始布置超前支承壓力鉆孔測點(diǎn)，測點(diǎn)間距大約1 m（由于施工現(xiàn)場地質(zhì)條件限制不能完全保證間距都是1 m，但測點(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段布置的測點(diǎn)數(shù)為60個，測點(diǎn)編號為A1，A2，…，A60；B段測點(diǎn)數(shù)為56個，測點(diǎn)編號為B1，B2，…，B56；C段測點(diǎn)數(shù)為52個，測點(diǎn)編號為C1，C2，…，C52；D段測點(diǎn)數(shù)為47個，測點(diǎn)編號為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j7401綜放工作面的推進(jìn)情況安排觀測工作，當(dāng)工作面與第一個測點(diǎn)距離大約20 m時開始記錄超前支承壓力數(shù)據(jù)，每推進(jìn)一個循環(huán)（并且移架結(jié)束后）觀測一次數(shù)據(jù)。當(dāng)判斷發(fā)生周期來壓時，調(diào)取周期來壓前的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，記錄的內(nèi)容包括此時煤壁前方所有測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)，以及各測點(diǎn)距工作面煤壁距離。

2 觀測結(jié)果分析

工作面在A段、B段和C段推進(jìn)過程中都觀測到了3次周期來壓，在D段推進(jìn)過程中觀測到了2次周期來壓。整理每次周期來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個測點(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個監(jiān)測段的來壓數(shù)據(jù)繪制出來壓曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，在相同觀測段觀測得到的超前支承壓力峰值的位置近似相同，在不同觀測段觀測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個觀測段的采厚排序也是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)測到的超前支承壓力曲線Fig.3 Curve of the advancing abutment pressure

對4段監(jiān)測到的數(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)計關(guān)系。得到的4個觀測段的插值曲線，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

通過圖4的插值曲線可以得出，4個觀測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

采用拉格朗日插值的方法對觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出，當(dāng)采厚相同時，超前支承壓力峰值位置基本相同；當(dāng)采厚增加時，超前支承壓力位置與工作面煤壁距離變大。在生產(chǎn)中觀測相同地質(zhì)采礦條件工作面2個采厚對應(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)測相同地質(zhì)采礦條件下，不同采厚時超前支承壓力峰值位置，對巷道維護(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。