厚煤层综放工作面支承压力观测及应用

王超

引言：依据某煤矿综放面开采地质及技术条件，采用钻孔应力计对工作面回采过程中应力变化的观测，得出工作面在采动影响下，支承压力的影响范围，并且依据埋设不同深度的钻孔应力计的应力变化情况，分析出工作面倾向支承压力的峰值点及影响范围。

前言

众所周知，综采放顶煤采煤法是实现高产高效、既经济又实用的有效途径。【1】但对于厚煤层的综放开采，与单一煤层开采相比，支承压力的影响范围和峰值点都不尽相同【2】【3】，巷道开掘的合理位置和开掘时间的选择、底板巷道合理位置与维护等巷道矿压控制设计，采场顶板来压预测预报等问题，其共同点都是依据采场支承应力分布及传播规律，特别是煤体上支承压力高峰位置以及内外应力场的分布范围等。掌握采掘工作面支承压力分布规律，对工作面冲击地压防治、采掘施工工艺的选取等均具有重要的理论价值和实际意义【4】。

一、工作面概况

某煤矿13210工作面设计为综采放顶煤工作面，煤层平均厚度10.9m，平均采深达604余米。煤层整体呈一向南东倾斜的单斜构造。采用走向长壁后退式采煤方法、一次采全高，综采放顶煤回采工艺，自然垮落法管理顶板。

二、超前支承压力观测

工作面超前支承压力是矿山压力显现的重要组成部分，留设煤柱的大小和超前支护的范围主要依靠超前支承压力的影响范围和峰值位置【5】。支承压力现场测定主要是确定其分布特征，如分布范围、高峰位置、低应力区范围等重要的特征参数，这些重要的特征参数也正是有关矿山压力控制设计的依据。超前支承压力观测站设在工作面下顺槽，超前支承压力的观测使用北京科技大学研制的KJ550煤矿冲击地压预警监测系统。KJ550煤矿冲击地压预警监测系统，实时监测工作面和巷道周围煤岩体的应力，并诊断和预报发生冲击地压与瓦斯区域和危险程度。监测系统包括地面监测主站、井下监测分站、钻孔应力计等部件及相应的软件组成。

（一）观测站位置

根据实际需要以及工作面的开采情况，共布设15组传感器，每5米一组，每组布置在不同深度的孔深中，主要目的是将传感器安设在不同的深度，测量煤体不同深度范围超前支承压力的变化情况。在安设前，首先距巷道底板1m-2m的位置，垂直煤壁用Φ42的煤电钻分别打不同深度的钻孔。打孔时，尽量保持钻杆垂直煤壁，打完后，吹出孔内煤粉，而且尽量使孔壁光滑，然后在进行安装。采用钻孔测力计测定支承压力分布特征的关键是测力计的预紧，否则只能给出很低的压力变化或根本测不出压力。用手压油泵通过三通阀将应力探头加压标定压力后，关闭三通阀，拆除手压泵。

（二）观测方法

KJ550冲击地压预警监测系统是一套实时在线监测系统，可以通过地面终端实时在线监测井下煤岩体内钻孔应力计的应力变化情况。

（三）观测结论

通过工作面推进过程中对应力传感器的应力变化情况的觀测，确定超前支承压力的峰值点和影响范围。

本观测从2012年9月30日开始至10月20日结束，工作面共采80m。各传感应力计监测数据通过统计见下图1，由图可知由于安装过程中，应立计未和孔壁充分接触及安装时的其他外在因素使05#等几组应力计失效，在此不做分析。从图中可见煤壁应力随工作面采动变化是非常明显的，煤壁的超前支承压力变化曲线很清晰。

通过对监测数据进行分析总结，得出工作面在推进过程中，超前支承压力的影响范围、剧烈影响范围以及峰值点位置，如表1所示。

采用的油压式应力传感器测量的支承压力值是相对值，而不是绝对值，能反映超前支承压力的变化规律和应力集中程度，而不能反映煤体内超前支承压力的实际大小。

在距巷道煤壁12m孔深的煤体内布置了10#钻孔应力计，应力计安装时的初始应力为9.05MPa，当测试点距工作面33.33m时，应力计开始检测到采动应力，随着工作面的推进，采动应力逐渐缓慢增大，随着工作面的推进，当测试点距工作面12.11m时，应力计测应力达到最大值11.05MPa，此时工作面采动应力为11.05-9.05=2MPa，即工作面前方在采动扰动下，煤体内压力增加了2MPa，由此可见，重视和加强巷道超前支护是非常至关重要的。当工作面继续推进，采动应力开采回落，在工作面靠近应力计4m后，采动应力逐渐消失，表明此处煤体均处于破碎状态，丧失了对顶板的支护能力，易于产生煤壁片帮显现。

三、倾向支承压力观测

（一）钻孔应力计监测

由于15个钻孔应力计安装在巷道煤壁的不同孔深处，因此可以得到煤体内不同深度的应力分布情况，从而得到沿工作面倾向的支承压力的应力分布规律，

经分析沿工作面倾斜方向最大采动应力发生在距巷道壁12m处，这为施工卸压钻孔的钻孔深度提供了依据，对于冲击地压的防治具有指导意义。取每个应力计的最大值绘图得图3。

（二）钻屑法监测

钻屑法根据钻孔过程中单位孔深排出煤屑的煤粉量来判断采煤工作面煤体应力是一种简便方法。在钻孔过程中，收集钻出的煤屑，每钻进一米测量一次煤屑重量。在13210工作面下巷，利用Φ42的煤电钻打30米钻孔，从第3根钻杆开始称煤粉量，每钻进1米称一次煤粉量，依次施工。经过数据统计分析，煤粉量最大出现在第12根钻杆，这说明钻孔排出的煤屑重量与煤壁内应力增高有明显变化关系。如图4所示：

四、结论

从总体上讲，13210工作面采动支承压力超前影响范围平均为31.1m，最大采动支承压力发生在工作面前方10m处，最大采动应力为1.38MPa。沿工作面倾斜方向最大采动应力发生在距巷道壁12m处，在峰值两侧采动应力均体现逐渐减弱趋势。

参考文献

[1] 王永秀，齐庆新，陈兵，等.煤柱应力分布规律的数值模拟分析[J].煤炭科学技术，2004（10）.

[2] 石平五，许少东.综放沿空掘巷矿压显现规律研究[J].矿山压力与顶板管理，2004（1）.

[3] 贾光胜，康立军.综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性研究[J].煤炭学报，2002（1）.

[4] 姚爱军，黄福昌，张宗社.宽厚煤柱煤岩体流变力学特性试验研究[J].中国矿业，2003（2）.

[5] 刘爱国，苗田，王云方，等.综放工作面回采巷道煤柱应力分析与参数优化[J].煤炭科学技术，2002（1）.

（作者单位：太原理工大学矿业工程学院）