綜采工作面超前支承壓力分布規(guī)律研究

王建輝

摘要：本文對文家坡煤礦41盤區(qū)4101綜采工作面的超前支承壓力進行理論分析，并對其分布規(guī)律進行研究，通過現(xiàn)場實測，證明理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：綜采工作面；超前支承壓力；分布規(guī)律

1引言

綜合機械化開采技術(shù)是目前我國煤炭開采行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的煤炭開采方法，其開采按超前支承壓力的分布對開采過程中出現(xiàn)的沖擊地壓、煤與瓦斯突出、頂煤（板）的冒落、支架的受力、巷道的維護等都有較大的關(guān)聯(lián)，所以研究綜采工作面超前支承壓力的分布規(guī)律，對工作面防突、采掘施工工藝的選取具有重要的作用。

2工作面概況

礦井位于陜西省彬縣，東南距西安150km，西北距長武縣40km。設(shè)計生產(chǎn)能力4.0Mt/a，設(shè)計服務(wù)年限61.7a。文家坡礦目前開采41盤區(qū)，該盤區(qū)布設(shè)8個采煤工作面，目前回采4101工作面，接替面為4102，順序開采方式。4101為綜采工作面，4104及以后煤層變厚為綜放工作面。礦井開拓大巷及盤區(qū)準(zhǔn)備巷道均沿煤層掘進。4101綜采工作面共布置4條巷道，分別為4101工作面帶式輸送機巷，4101工作面回風(fēng)巷，4101工作面泄水灌漿巷和4101工作面高位瓦斯抽放巷。4101工作面切眼長度240m，垂直于工作面回風(fēng)巷和帶式輸送機巷布置；高位瓦斯抽放巷布置在工作面內(nèi)側(cè)，距回風(fēng)巷水平距離為25m，距工作面煤層頂板垂直距離為3.5倍的采高且平行于巷道布置。

4101綜采工作面采用后退式走向長壁綜合機械化一次采全高開采，全部垮落法管理頂板。DSJ140/250/5×400可伸縮皮帶運煤。采用MG500/1330-WD型電牽引雙滾筒采煤機雙向割煤。工作面中間架ZF13000/21/40型132架。端頭采用ZTZ13000/25/38型端頭架1組支護，過渡架采用ZFG13000/24/40H支架7架支護，回風(fēng)巷超前液壓支架組采用ZTC39830/25/38B型4組支護，帶式輸送機巷超前液壓支架組為ZTC29870/25/38A型3組支護。準(zhǔn)備巷道支護方式為：錨網(wǎng)索+噴混凝土聯(lián)合支護，回采巷道支護方式為：錨網(wǎng)索支護。準(zhǔn)備巷道、回采巷道支護參數(shù)為：錨桿長度2.5米，拱部、直墻間排距800*800mm，錨索長度7.1米，間排距為1400*2100mm。

3超前支承壓力產(chǎn)生機理

3.1塑性區(qū)內(nèi)支承壓力計算

綜采工作面超前支承壓力影響范圍可以分為如圖1中的4個區(qū)域，分別為彈性區(qū)，塑性區(qū)，綜采工作面和采空區(qū)[1]。

圖中下方所示為極限平衡區(qū)和彈性區(qū)的受力狀態(tài)分析，其極限平衡方程可以表示為：

根據(jù)莫爾-庫侖強度定律，以及二維應(yīng)力狀態(tài)下的極限平衡關(guān)系，可以得出塑性區(qū)內(nèi)支承壓力的表達公式為：

其中：為層間的摩擦系數(shù)；為煤體內(nèi)摩擦角；為塑性區(qū)內(nèi)任一點到煤壁的距離，m；為煤層厚度，m；為煤體支承力，MPa。

令，則支承壓力峰值點到煤壁的距離可表示為：

由公式（2）和（3）可以看出，綜采工作面前方支承壓力峰值的大小與開采高度成反比例關(guān)系，隨開采高度的增加而降低，而支承壓力峰值點的位置則是隨著開采高度的增加而向煤體深部轉(zhuǎn)移[2]。

3.2彈性區(qū)內(nèi)支承壓力計算

綜采工作面前方的彈性區(qū)即為圖1中的區(qū)域，其支承壓力的公式可以表示為：

由公式5可以看出，綜采工作面前方的彈性區(qū)內(nèi)支承壓力的范圍與煤厚成正比關(guān)系。

4超前支承壓力的現(xiàn)場實測

4.1礦壓觀測內(nèi)容和測點布置

綜采工作面礦壓監(jiān)測主要分兩個部分，一是工作面礦壓監(jiān)測，另一是巷道礦壓監(jiān)測。礦壓觀測內(nèi)容包括工作面支架阻力觀測、兩端頭超前架及順槽超前支護范圍內(nèi)單體液壓支柱阻力觀測、巷道圍巖變形觀測以及支護質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測。4101工作面兩順槽由工作面端頭至停采線這段巷道內(nèi)，每40米布置1個測站，第一個測站布置于距工作面100米處，每個測站包括頂板離層、錨桿（錨索）監(jiān)測、鉆孔應(yīng)力等。每條巷道（按2000米監(jiān)測范圍）布置50個測站，兩條巷道共布置100個測站，每種傳感器需要100臺。

4.2離層儀的安裝和測量

每個測站在巷道正中頂板打一個深度為8.8米的頂板離層安裝孔，要求打孔規(guī)范（采用φ28mm-30mm鉆頭打孔）；頂板正中打孔安裝1根錨桿（或錨索，相鄰兩個測站交替布置，要求所用錨桿或錨索的材質(zhì)、長度、性能與之前已安裝的完全一致，安裝錨桿（索）的同時安裝好應(yīng)力傳感器）；在工作面巷道幫實體煤一側(cè)鉆孔安裝鉆孔應(yīng)力傳感器，要求打孔規(guī)范（采用φ42mm鉆頭水平打孔，打孔位置距底板1.0m，深度6m）。要求所打頂板離層安裝孔、新安裝的錨桿（或錨索）以及所打鉆孔應(yīng)力傳感器安裝孔盡量在巷道斷面同一條線上，不宜偏離過遠。兩條巷道均按此要求施工。測量頻度為：測站設(shè)計初，每天觀測一次，待變形穩(wěn)定后每周2～3次。

4.3實測數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過測量得出4101綜采工作面超前支承壓力分布曲線，如圖2所示。

由圖中可以看出，4101綜采工作面超前支承壓力較大的范圍為工作面之前40m左右的范圍內(nèi)，且支承壓力峰值出現(xiàn)在工作面前18m左右的位置，且峰值大小約為19MPa左右，實測數(shù)值與理論計算數(shù)值基本吻合，證明理論分析的正確性。

5結(jié)語

本文對文家坡煤礦41盤區(qū)4101綜采工作面的超前支承壓力進行理論計算分析，且在實際綜采過程中對其實際數(shù)據(jù)進行測量，證明了理論分析的正確性，并得出了綜采工作面超前支承壓力分布的規(guī)律為隨著距煤壁距離的增加，塑性區(qū)內(nèi)的支承壓力變化呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，并最終遞增至支承壓力峰值，彈性區(qū)內(nèi)支承壓力變化呈負指數(shù)函數(shù)關(guān)系，并最終遞減至原始支承壓力。根據(jù)實際測量，支承壓力峰值出現(xiàn)在工作面前18m左右，有利于頂煤的破碎冒落，但同時也應(yīng)該加強支護，防止出現(xiàn)漏冒頂事故。

參考文獻：

[1]陳青峰.綜采工作面超前支承壓力分布監(jiān)測研究[J].科技信息，2012（23）：408-409

[2]武月江.綜采工作面超前支承壓力分布規(guī)律研究[J].煤炭與化工，2014，37（2）：50-52