浅埋两硬煤层综放面支承压力分布规律研究

2014-04-18杨双锁

采矿与岩层控制工程学报 2014年3期

王凯，杨双锁

(1.山西工程技术学院，山西阳泉045000;2.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024)

在煤岩体内进行人工采掘后，采掘空间围岩内必然出现应力重新分布，一般将采掘空间周围煤岩体侧壁内改变后的切向应力称为支承压力。支承压力是导致煤矿各类巷道变形、破坏的重要原因，而研究工作面支承压力的分布规律对回采巷道超前支护、区段煤柱合理宽度留设、瓦斯运移规律以及各种矿井动力灾害的防治具有重要意义［1－6］。对采场周围支承压力的分布规律研究方法有数值模拟、理论计算和现场实测。现场实测法包括围岩位移测定法、围岩应力测定法、钻孔煤粉量变化测定法、微震测定法等［6－10］。

目前，对中厚煤层单一回采工作面、浅埋超长工作面、孤岛工作面支承压力分布特征的研究较多［10－12］，而对同时具备“浅埋”与“两硬”条件煤层的综放工作面支承压力分布规律研究甚少。回采工作面周围支承压力分布特征与顶板岩性、采深、煤层厚度及其强度等因素相关，浅埋两硬煤层综放工作面支承压力分布特征与一般工作面相比必然存在较大差异。因此，深入研究浅埋两硬煤层综放工作面支承压力分布特征，对于充分发挥综放开采工艺的优势和实现安全生产具有重大意义。本文以安家岭井工矿4102工作面为工程背景，采用现场实测的方法分析浅埋两硬煤层综放工作面支承压力分布特征，为确定超前支护距离、区段煤柱合理宽度留设及巷道基本支护参数确定提供依据。

1 地质概况

4102工作面盖山厚度平均139m，属于浅埋煤层 (厚度小于150m)，煤层平均厚度为7.02m，采用综合机械化放顶煤采煤法开采。煤层直接顶是7.53～11.28m厚的浅灰色粗砂岩，其单轴抗压强度达98MPa，属于坚硬岩层;基本顶为4.2～6.2m厚灰黑色砂质泥岩，含较多植物化石，薄层中含少量炭质，下部含高岭土质，局部为粉砂岩;煤层的单轴抗压强度34.6MPa，属于坚硬煤层。底板是灰褐色砂质泥岩和4－2煤层，砂质泥岩含少量炭质和植物根化石 (局部地段下部有0.67m厚的高岭岩)，厚度0.65～2.10m，平均1.42m，4－2煤层，黑色，厚度3.44～4.58m，平均3.87m。

2 矿山压力实测

2.1 测点布置

测站均布于工作面回风巷，在距开切眼50m位置的巷道两帮煤体内分别布置测站Ⅰ和测站Ⅱ，在距离开切眼70m的位置设测站Ⅲ，距开切眼90m的位置巷道两帮内设测站Ⅳ和测站Ⅴ。在Ⅱ，Ⅲ和Ⅴ测站内分别打2个深度为5m的钻孔，孔间距200mm;Ⅰ和Ⅳ测站分别打6个钻孔，相邻孔间距为100mm，1号孔深0.5m，2号孔深1m，3号孔深1.5m，4号孔深3m，5号孔深5m及6号孔深8m。在每一钻孔底部安装1枚钻孔应力计作为测点。

2.2 实测结果分析

2.2.1 工作面侧向支承压力分布规律

工作面侧向支承压力观察是通过布置于回风巷道的测站Ⅰ和测站Ⅳ实现的。以工作面与测点间的距离为横坐标、测点钻孔应力计读数为纵坐标，绘出测点应力随工作面推进距离之间的关系曲线。通过每一测站不同测点压力变化以及测点之间表现出的差异，分析总结出压力变化特征及其规律。

如图1所示，1号、2号和3号测点在距离工作27m时出现一个小峰值，这是由直接顶板临近初次垮落时引起工作面前方应力增高 (工作面直接顶来压歩距34m)所致;工作面推至距测站4m左右时，1号、2号、3号和4号测点均出现峰值，最大应力达5.1MPa，这是由基本顶初次断裂扰动引起。工作面推至1号测点后方18m时，测力计显示为0，推测该测点所在位置已片帮塌落;随着工作面继续向前推进，2号测点、3号测点和4号测点在工作面后方24.3m处出现峰值，最大值均在5.2MPa左右，而后2号测点和3号测点应力呈现下降趋势，而4号测点一直保持髙应力状态，5号和6号测点应力基本无变化。

从图1可以看出，1号测点在距离工作面4m处出现峰值后，应力迅速下降，说明这一范围内的煤体已进入破碎状态;而2号测点在达到峰值之后，应力仍然高于原岩应力，且在工作面后方又出现一个峰值，由此可见，该测点位置在工作面前方时，煤体进入塑性状态。所以，工作面前方煤柱侧巷帮的松动圈厚度 (破碎区厚度与塑性区厚度之和)为1m。

图1 测站Ⅰ各测点应力变化曲线

图2是测站Ⅰ进入采空区距离工作面24.3m时各测点对应的应力值所绘制曲线，该曲线基本反映了受采动扰动稳定后，煤柱上侧向支承压力的分布特征。侧向支承压力峰值位于煤柱内3m的位置。

图2 测站Ⅰ煤柱内侧向支承压力曲线

综上所述，在煤柱一侧的超前支承压力峰值在工作面前方4m左右;采空区支承压力峰值出现在工作面后方24.3m左右;侧向支承压力峰值在煤柱内2m处(由巷帮表面向煤柱内垂直深度);工作面前方煤柱侧巷帮松动圈厚度1m;工作面推过测站24m后，煤柱达到稳定状态，此时的煤柱破碎垮落区厚度在0.5m左右，塑性区厚度为1.5m，应力增高区与塑性区分界面位于煤柱内2m的位置，大于5m的区域为原岩应力区。

2.2.2 工作面超前支承压力分布特征

为观察工作面超前支承压力分布规律，共布置了3个测站。在观察过程中，Ⅱ测站和Ⅲ测站均采集到完整数据，Ⅴ测站应力计电缆遭到损毁而未能取得数据，Ⅱ测站曲线较为典型，如图3所示。

图3 Ⅱ测站各测点应力变化曲线

图3所示，测站Ⅱ距工作面较远时，应力变化缓慢，工作面与测站距离27m时出现一个小的应力峰值，推测由工作面直接顶初次垮落引起，测站与工作面距离为3.4m时，测点应力突然增加到极值，而后迅速下降。超前支承压力影响范围约为30m。

由以上分析可知，工作面的超前支承压力影响范围为30m左右，峰值在煤壁前方3.4～4m之间，这一点不同于普通煤层综采放顶煤工作面超前支承压力峰值点前移的特征，是浅埋两硬煤层综放面的特有规律。

3 支承压力分布特征力学分析

在煤体内开掘后形成的采掘空间 (巷道或采场)围岩体内应力重新分布形成支承压力，当支承压力超过围岩体的强度时，采掘空间围岩表面将发生变形、破坏，形成一定范围的松动圈，支承压力峰值随即向煤岩体深部转移。巷道侧方支承压力峰值及工作面前方支承压力峰值位于围岩松动圈与弹性应力升高区的交界面的位置，如图4所示，煤柱内侧方支承压力峰值及工作面前方支承压力峰值与煤岩体边缘的距离x0，即为松动圈的厚度 (包括破裂区与塑性区)。

图4 煤体的弹塑性变形区及支承压力分布

松动圈内的煤岩体内的岩体处于极限平衡状态，根据极限平衡理论，松动圈的厚度x0可表示为:［13］

式中，K为应力集中系数;M为煤层开采厚度;C为煤体黏聚力;φ为煤体内摩擦角;F为煤层与顶底板接触面的摩擦因数;ζ为三轴应力系数，ζ= (1+sinφ)/(1－sinφ)。

一般情况下，煤体的内摩擦角在30°左右，因此，上式可近似为:

式中，当采高m和摩擦因子f确定后，松动圈厚度与煤层的埋藏深度H及煤体的黏聚力C相关。

煤层强度一定时，煤层埋藏越浅，则巷道围岩松动圈厚度越小，煤柱侧方支承压力峰值与煤帮距离就小，反之则大;煤层埋藏深度一定时，煤体强度越大，松动圈厚度则越小。对于安家岭矿4102工作面而言，同时具备煤层强度高及煤层埋藏深度浅两个条件，故此，回风巷煤柱侧方支承压力峰值及工作面超前支承压力峰值与煤体表面之间的距离较小，这与实测所得结果一致。