復(fù)雜地質(zhì)條件下炮采工作面超前支承壓力的研究＊

李英強，袁瑞甫

（河南理工大學(xué)能源學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

炮采工藝是我國目前采用較多的一種采煤工藝，其具有技術(shù)裝備投資少、適應(yīng)性強、操作技術(shù)容易掌握、生產(chǎn)技術(shù)管理比較簡單等主要優(yōu)點。雖然炮采技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是劉河礦復(fù)雜地質(zhì)條件下的炮采工作面仍然存在幾個問題:一是工作面地質(zhì)保障技術(shù)不夠成熟；二是復(fù)雜地質(zhì)條件對單體液壓支柱合理支護(hù)強度及工作面礦壓顯現(xiàn)之間的關(guān)系尚未明確；三是對于工作面超前支撐壓力的影響范圍沒有準(zhǔn)確的論斷。

劉河礦13031炮采長壁工作面開采后，垮落的直接頂巖石往往不能填滿采空區(qū)，而在堅硬巖層的下方出現(xiàn)較大的自由空間，折斷后的老頂巖梁往往難以形成“砌體梁”式的平衡，在其回轉(zhuǎn)運動的過程中往往對下位巖層和工作面支護(hù)系統(tǒng)形成沖擊載荷并在工作面前方的煤體中形成較高的支承壓力，并在工作面引起強烈的周期來壓，引起巷道嚴(yán)重變形［1－2］。雖然針對炮采工作面超前頂板管理已經(jīng)提出相關(guān)的措施，但是根據(jù)現(xiàn)場觀測情況，治理效果并不理想，因此有必要研究復(fù)雜地質(zhì)條件下工作面超前支承壓力的影響范圍和強度，為工作面的超前支護(hù)提供依據(jù)。文中以現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬的方法對該條件下工作面超前支承壓力進(jìn)行了研究。

1 工作面概況

劉河礦田范圍內(nèi)資源相對有限，煤層傾角3°～30°，煤層厚度2.0～4.0 m，采用全部垮落法管理頂板，支護(hù)方式為單體液壓支柱配合交接頂梁。此礦目前采用爆破采煤，人工攉煤，并且煤層厚度起伏不定，薄煤層為1 m，厚煤層為4.5 m，平均厚度為2.67 m.

劉河礦地質(zhì)條件極為復(fù)雜，13031工作面走向長1040 m，傾向長150 m.在掘進(jìn)過程中會揭露大小不等的斷層20～30條，工作面上下平巷過斷層全巖長度可達(dá)30 m.在采煤工作面正常推進(jìn)過程中也會揭露上下巷沒有揭露的斷層。煤層底板含水豐富，已做底板加固但效果不明顯。

2 礦壓觀測方案及測點布置

工作面超前支承壓力觀測的重點在于弄清支承壓力隨工作面推進(jìn)演化規(guī)律、影響范圍和峰值位置，可以通過觀測工作面超前支柱的載荷和支柱活柱下縮量實現(xiàn)［3－5］。觀測采用煤礦井下單體液壓支柱工作阻力固定式測量儀器(KBY－60D)單體柱數(shù)字監(jiān)測儀，如圖1所示，測定單體支柱工作阻力變化情況。在13031工作面進(jìn)風(fēng)及回風(fēng)順槽超前支護(hù)范圍內(nèi)，每隔2～3個循環(huán)利用該儀器測一次超前單體柱的載荷，同時利用鋼卷尺測量支柱的活柱下縮量，并認(rèn)真做好記錄方便分析處理。測點布置如圖2所示。

圖1 單體柱數(shù)字監(jiān)測儀Fig.1 Digital monitor of monomer column

圖2 工作面超前支承壓力觀測方案示意圖Fig.2 Observation schematic diagram of advancing abutment pressure

3 觀測結(jié)果分析

工作人員集中觀測了13031進(jìn)風(fēng)巷超前單體支柱的載荷情況，觀測范圍為13031進(jìn)風(fēng)巷工作面前方20 m左右。不同工作面推進(jìn)距離條件下超前支柱載荷曲線如圖3，4所示。

圖3 工作面推進(jìn)30 m時超前支柱載荷曲線Fig.3 Advancing abutment pressure curve of forwards 30 m

圖4 工作面推進(jìn)75 m時超前支柱載荷曲線Fig.4 Advancing abutment pressure curve of forwards 75 m

圖5 工作面推進(jìn)120 m時超前支柱載荷曲線Fig.5 Advancing abutment pressure curve of forwards 120 m

經(jīng)對單體柱載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，并結(jié)合圖5，6，可分析得出

圖6 工作面推進(jìn)165 m時超前支柱載荷曲線Fig.6 Advancing abutment pressure curve of forwards 165 m

整體而言，由于工作面的不斷向前推進(jìn)，13031進(jìn)風(fēng)巷超前單體支柱載荷分布可以劃分為典型的增高區(qū)、集中區(qū)和逐漸降低區(qū)域。這表明工作面前方支承壓力隨著工作面前方距離的增大出現(xiàn)短暫的降低之后急劇增大，直至增大至峰值后，支承壓力值開始急劇降低，降低至一定值后開始緩慢過渡至原巖應(yīng)力值。

由以上不同工作面推進(jìn)度時支柱載荷分布曲線對比可知，單體柱載荷最大值由工作面推進(jìn)30 m時的13.7 MPa慢慢增大至工作面推進(jìn)120 m時的14.9 MPa，隨后基本穩(wěn)定。由此也可以判斷，至工作面推進(jìn)至120 m時，工作面采動充分，工作面上覆巖層載荷達(dá)到最大，并保持穩(wěn)定，不再隨著工作面的向前推進(jìn)而繼續(xù)增大。

經(jīng)過對比分析還可以得知，隨著工作面的向前推進(jìn)，工作面超前支承壓力峰值距工作面前方煤壁的距離也逐漸增大。工作面推進(jìn)至30 m時，超前支承壓力峰值位置為工作面前方煤壁7.2 m，之后隨著工作面的向前推進(jìn)而逐漸增大，直至工作面推進(jìn)至120 m處時，超前支承壓力峰值距工作面前方煤壁距離增大至10 m，之后隨著工作面的推進(jìn)無太大變化。峰值之后，超前應(yīng)力值則隨著距離的增大而下降。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過FLAC3D數(shù)值模擬計算軟件計算工作面分別推進(jìn)至 20，40，60，80，100 m 時工作面超前支承壓力的分布情況，對比分析工作面推進(jìn)過程中超前支承壓力的分布及演化特征，并與工作面超前支柱觀測結(jié)果進(jìn)行對比分析，進(jìn)而為工作面管理工作，尤其是超前支護(hù)工作面提供指導(dǎo)依據(jù)［6－10］。對不同計算模型中的工作面超前支承壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行提取處理，得到不同工作面推進(jìn)度時工作面超前支承壓力分布曲線，如圖7～11所示。

經(jīng)數(shù)值模擬，并結(jié)合圖7～11可分析得出工作面開挖后，工作面超前支承壓力分布曲線可明顯劃分為應(yīng)力降低區(qū)、急劇增高區(qū)、急劇降低區(qū)及緩慢降低區(qū)。

圖7 工作面推進(jìn)20 m時超前支承壓力分布曲線Fig.7 Advancing abutment pressure curve of forwards 20 m

圖8 工作面推進(jìn)40 m時超前支承壓力分布曲線Fig.8 Advancing abutment pressure curve of forwards 40 m

圖9 工作面推進(jìn)60 m時超前支承壓力分布曲線Fig.9 Advancing abutment pressure curve of forwards 60 m

圖10 工作面推進(jìn)80 m時超前支承壓力分布曲線Fig.10 Advancing abutment pressure curve of forwards 80 m

圖11 工作面推進(jìn)100 m時超前支承壓力分布曲線Fig.11 Advancing abutment pressure curve of forwards 100 m

當(dāng)工作面推進(jìn)至20 m時，工作面前方只有約1 m的應(yīng)力降低區(qū)，隨后應(yīng)力急劇增大至峰值，應(yīng)力峰值約為14 MPa，位置為工作面前方4 m.之后，應(yīng)力值隨著工作面前方距離的增加而急劇減小，至工作面前方12 m處后，應(yīng)力值緩慢降低至原巖應(yīng)力值，曲線趨于水平；當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m時，工作面超前支承壓力經(jīng)過短暫的應(yīng)力降低區(qū)域急劇增大至峰值處，此時峰值大小為17 MPa，位置為工作面前方6 m，而后急劇降低，直至工作面前方15 m后緩慢下降至原巖應(yīng)力值。由此可以看出，此時工作面超前支承壓力影響范圍為30 m，其中劇烈影響范圍為15 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至60 m時，工作面超前支承壓力峰值增大至18.5 MPa，峰值位置前移至工作面前方7 m，應(yīng)力影響范圍增大至45 m，其中劇烈影響范圍約為20 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至80 m時，工作面超前支承壓力峰值增大至20 MPa，峰值位置前移至工作面前方10 m，應(yīng)力影響范圍增大至50 m，其中劇烈影響范圍為23 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至100 m時，工作面超前支承壓力峰值大小基本保持在20 MPa，峰值位置也保持在工作面前方10 m，應(yīng)力影響范圍也沒有太大變化，為50 m，其中劇烈影響范圍基本仍為23 m.

5 結(jié)論

綜合現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論:工作面超前支承壓力分布曲線可明顯劃分為應(yīng)力降低區(qū)、急劇增高區(qū)、急劇降低區(qū)及緩慢降低區(qū)。工作面推進(jìn)至80 m后，超前支承壓力分布基本達(dá)到穩(wěn)定，超前支承壓力峰值位置為工作面前方10 m，峰值壓力為20 MPa，超前支承壓力影響范圍為工作面前方0～50 m，其中劇烈影響區(qū)域為工作面前方0～23 m.因此，在現(xiàn)場工作中，應(yīng)重點對工作面前方0～23 m加強支護(hù)。

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