工作面前方支承壓力分布情況的研究

田 帥，劉如鵬

（1.晉能控股集團(tuán)荊寶煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046299；2.陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727306）

綜采工作面在進(jìn)入末采階段時(shí)，要考慮回撤通道是否需要補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及采動(dòng)壓力對(duì)大巷的影響，摸清綜采工作面末采階段超前壓力影響范圍及強(qiáng)度，采取合理的措施進(jìn)行預(yù)控、管控，減小對(duì)安全回撤以及對(duì)大巷壓力的影響，保證礦井安全生產(chǎn)[1-3]。本文以某礦209綜采工作面末采階段為研究對(duì)象，基于煤體應(yīng)力在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)在煤體內(nèi)埋設(shè)高精度應(yīng)力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采動(dòng)圍巖近場(chǎng)系統(tǒng)內(nèi)靜態(tài)載荷的急劇變化，從而掌握末采階段的區(qū)域應(yīng)力演化規(guī)律，對(duì)綜采工作面安全回撤及合理留設(shè)大巷保護(hù)煤柱具有借鑒意義[4-6]。

1 工作面概況

礦井井田采用盤(pán)區(qū)式劃分，209 智能化綜采工作面是二盤(pán)區(qū)右翼第五個(gè)工作面，采用智能機(jī)械化走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高的采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。工作面東北部、西北部為未采區(qū)，西南緊鄰207 采空區(qū)，東北部緊鄰211 工作面，煤層平均厚度為3 m，平均傾角為2°，開(kāi)采深度為465～707 m，工作面傾向長(zhǎng)度300.5 m，走向長(zhǎng)度4 281 m，可采長(zhǎng)度4 103 m。煤層頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。留設(shè)保護(hù)煤柱150 m（膠帶巷停采點(diǎn)垂直距大巷距離），當(dāng)工作面回采距停采線500 m時(shí)，對(duì)膠帶巷、回風(fēng)巷停采線以外50～150 m范圍進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，防止采動(dòng)壓力對(duì)超前巷道的破壞，保證工作面回撤安全。209 工作面液壓支架采用SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)控制，通過(guò)紅外傳感對(duì)位等方式，感知采煤機(jī)位置與方向，液壓支架跟隨采煤機(jī)自動(dòng)移架、自動(dòng)推移刮板輸送機(jī)、自動(dòng)噴霧等作業(yè)。209工作面選用ZY10000/23/45D型液壓支架（過(guò)渡液壓支架：ZYG10000/23/45D；端頭液壓支架：ZYT12000/23/45D）對(duì)工作面頂板進(jìn)行自動(dòng)跟機(jī)移架支護(hù)。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

2 煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案

1）鉆孔應(yīng)力計(jì)布置。鉆孔應(yīng)力計(jì)共計(jì)布置測(cè)站2組，一組布置在209膠帶巷實(shí)體煤側(cè)，距209工作面停采線100 m位置處布置4個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，鉆孔深度依次為5 m、7 m、9 m、11 m；另一組布置在209 回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)，距209工作面停采線100 m位置處布置2個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，鉆孔深度依次為5 m、9 m。鉆孔應(yīng)力計(jì)具體布置見(jiàn)圖1。

圖1 鉆孔應(yīng)力計(jì)具體布置圖

2）鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝。鉆孔孔徑48 mm，開(kāi)孔點(diǎn)距底板1.5 m，垂直于巷道兩幫，鉆孔傾角與煤層傾角保持一致。安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)時(shí)要保持壓力枕垂直于走向的方向，并保持傳感器水平位置，至孔底后使用手動(dòng)壓力泵將油壓枕壓力調(diào)節(jié)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。209膠帶巷實(shí)體煤側(cè)（距停采線100 m）鉆孔4 個(gè)，孔深分別為5 m、7 m、9 m、11 m，孔徑為48 mm，角度為0°，鉆孔間距為1 m；209 回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)（距停采線100 m）鉆孔2 個(gè)，孔深分別為5 m、9 m，孔徑為48 mm，角度為0°，鉆孔間距為2 m。鉆孔應(yīng)力計(jì)見(jiàn)圖2，鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝剖面圖見(jiàn)圖3。

圖2 鉆孔應(yīng)力計(jì)

圖3 鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝剖面圖

3 末采區(qū)域應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析

3.1 膠帶巷鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)分析

1）5 m測(cè)點(diǎn)。鉆孔應(yīng)力計(jì)孔深5 m，設(shè)備初始應(yīng)力5.6 MPa。由應(yīng)力變化曲線圖4可知：當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)41.6 m時(shí)，該測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)應(yīng)力開(kāi)始升高，表明該測(cè)點(diǎn)受到采動(dòng)壓力的作用進(jìn)入超前支承壓力初始應(yīng)力增長(zhǎng)階段；當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)14.4 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化梯度顯著增加，表明該測(cè)點(diǎn)進(jìn)入超前支承壓力顯著增長(zhǎng)階段；最終該測(cè)點(diǎn)達(dá)到支承壓力峰值時(shí)，監(jiān)測(cè)應(yīng)力為11.31 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.02。

圖4 膠帶巷5 m測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

2）7 m測(cè)點(diǎn)。鉆孔應(yīng)力計(jì)孔深7 m，設(shè)備初始應(yīng)力6.8 MPa。由應(yīng)力變化曲線圖5可知：當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)42.0 m時(shí)，該測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)應(yīng)力開(kāi)始升高，表明該測(cè)點(diǎn)受到采動(dòng)壓力的作用進(jìn)入超前支承壓力初始應(yīng)力增長(zhǎng)階段；當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)15.0 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化梯度顯著增加，表明該測(cè)點(diǎn)進(jìn)入超前支承壓力顯著增長(zhǎng)階段；最終該測(cè)點(diǎn)達(dá)到支承壓力峰值時(shí)，監(jiān)測(cè)應(yīng)力為9.31 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.37。

圖5 膠帶巷7 m測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

3）9 m測(cè)點(diǎn)。鉆孔應(yīng)力計(jì)孔深9 m，設(shè)備初始應(yīng)力6.4 MPa。由應(yīng)力變化曲線圖6可知：當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)42.0 m時(shí)，該測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)應(yīng)力開(kāi)始升高，表明該測(cè)點(diǎn)受到采動(dòng)壓力的作用進(jìn)入超前支承壓力初始應(yīng)力增長(zhǎng)階段；當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)15.0 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化梯度顯著增加，表明該測(cè)點(diǎn)進(jìn)入超前支承壓力顯著增長(zhǎng)階段；最終該測(cè)點(diǎn)達(dá)到支承壓力峰值時(shí)，監(jiān)測(cè)應(yīng)力為10.74 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.68。

圖6 膠帶巷9 m測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

4）11 m測(cè)點(diǎn)。鉆孔應(yīng)力計(jì)孔深11 m，設(shè)備初始應(yīng)力4.6 MPa。由應(yīng)力變化曲線圖7可知：當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)42.0 m時(shí)，該測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)應(yīng)力開(kāi)始升高，表明該測(cè)點(diǎn)受到采動(dòng)壓力的作用進(jìn)入超前支承壓力初始應(yīng)力增長(zhǎng)階段；當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)15.0 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化梯度顯著增加，表明該測(cè)點(diǎn)進(jìn)入超前支承壓力顯著增長(zhǎng)階段；最終該測(cè)點(diǎn)達(dá)到支承壓力峰值時(shí)，監(jiān)測(cè)應(yīng)力為5.95 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.30。

圖7 膠帶巷11 m測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

綜上所述，膠帶巷末采區(qū)域工作面超前支承壓力影響范圍41～42 m，平均41.9 m；應(yīng)力集中系數(shù)1.37～2.02，平均1.59；支承壓力顯著變化區(qū)14.0～15.0 m，平均14.9 m。

3.2 回風(fēng)巷鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)分析

1）5 m測(cè)點(diǎn)。鉆孔應(yīng)力計(jì)孔深5 m，設(shè)備初始應(yīng)力4.6 MPa。由應(yīng)力變化曲線圖8可知：當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)121.5 m 時(shí)，該測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)應(yīng)力開(kāi)始升高，表明該測(cè)點(diǎn)受到采動(dòng)壓力的作用進(jìn)入超前支承壓力初始應(yīng)力增長(zhǎng)階段；當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)42.3 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化梯度顯著增加，表明該測(cè)點(diǎn)進(jìn)入超前支承壓力顯著增長(zhǎng)階段；最終該測(cè)點(diǎn)達(dá)到支承壓力峰值時(shí)，監(jiān)測(cè)應(yīng)力為13.11 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.85。

圖8 回風(fēng)巷5 m測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

2）9 m測(cè)點(diǎn)。鉆孔應(yīng)力計(jì)孔深9 m，設(shè)備初始應(yīng)力3.0 MPa。由應(yīng)力變化曲線圖9可知：當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)147 m 時(shí)，表明該測(cè)點(diǎn)受到采動(dòng)壓力的作用進(jìn)入超前支承壓力初始應(yīng)力增長(zhǎng)階段；當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)60 m 時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化梯度顯著增加，表明該測(cè)點(diǎn)進(jìn)入超前支承壓力顯著增長(zhǎng)階段；當(dāng)工作面煤壁距離測(cè)點(diǎn)18 m 時(shí)，該測(cè)點(diǎn)達(dá)到支承壓力峰值，監(jiān)測(cè)應(yīng)力為10.85 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.70。

圖9 回風(fēng)巷9 m測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

綜上所述，回風(fēng)巷末采區(qū)域工作面超前支承壓力影響范圍121～147 m，平均134.3 m；應(yīng)力峰值超前工作面18 m；應(yīng)力集中系數(shù)2.85～3.70，平均3.28；支承壓力顯著變化區(qū)43.2～60.0 m，平均51.6 m。

4 結(jié)論

1）209膠帶巷末采區(qū)域工作面超前支承壓力影響范圍41～42 m，平均41.9 m，支承壓力顯著變化區(qū)14.0～15.0 m，平均14.9 m，故209 工作面末采回撤前需對(duì)停采線外0～42m進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，保證頂板安全。

2）209回風(fēng)巷末采區(qū)域工作面超前支承壓力影響范圍121～147 m，平均134.3 m；應(yīng)力峰值超前工作面18 m，支承壓力顯著變化區(qū)43.2～60.0 m，平均51.6 m，故209 工作面末采回撤前需對(duì)停采線外0～147 m 進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，保證頂板安全。

3）根據(jù)209 膠帶巷以及回風(fēng)巷煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)，留設(shè)大巷保護(hù)煤柱必須大于147 m，方可避免工作面回采壓力對(duì)大巷的影響。