特厚煤层大型综放面超前支承压力实测研究

舒国青

(山西保利裕丰煤业有限公司，山西 临汾 042100)

综放开采技术目前是我国厚及特厚煤层开采的主要采煤方法［1］。综放开采的优势在于巷道准备工作量少、采煤工艺相对简单、生产集中、材料及能耗相对较小［2］。但是由于我国煤炭资源分布与开采条件极不平衡，综放工作面的矿压显现规律也出现明显的差别。尤其是在特厚煤层中应用综采放顶煤技术时，需要针对具体条件，研究分析工作面矿压显现特征，采取相应技术措施，以保证工作面的安全高效开采［3］。

工作面超前支承压力分布特征是确定工作面合理工艺参数、平巷支护参数和超前支护距离等的重要依据［4－6］。通过采用现场实测和数值模拟的方法，研究特厚煤层千万吨综放面超前支承压力分布规律，为特厚煤层综放工作面合理工艺参数和平巷超前支护设计提供依据［7－8］。

1 工程概况

某矿B907特大型综放工作面长300 m，顺槽长1650 m，设计生产能力1080万t/年，所采煤层为石炭系上统太原组9#煤层。9#煤层厚8.9～13.6 m，平均厚度11.7 m，煤层倾角1.8°～3.8°，平均2.8°。直接顶板以中粗砂岩为主，有时为细砂岩，局部有灰黑色泥岩，灰白色，石英长石为主;直接底板以泥质岩类为主，灰色～灰黑色，含植物叶片或根部化石，分选磨圆较好，性较脆，以灰色为主。

B907特大型综放工作面采用倾斜长壁后退式全部垮落综合机械化放顶采煤法。一次采全高，机采高度3.3 m，放煤5.6 ～10.3 m，割煤步距0.8 m。

2 超前支承压力观测

2.1 观测仪器

超前支承压力现场观测采用KSE－II－1型钻孔应力传感器，结构示意图见图1。数据读取采用KSE－III型钢弦记录采集系统在地面PC上进行。

图1 钻孔应力传感器结构示意图

2.2 观测方案

根据采场矿山压力理论，当采场推进长度≥工作面长度后，裂隙拱拱高将不再持续增加，此时的支承压力及压力峰值处于稳定阶段［9－10］，也是研究超前支承压力分布规律较为理想的观测阶段。因此，在采场推进过一个工作面长度后再布置测站较为合理。

超前支承压力测站布置在B907辅运平巷中，在工作面前方距工作面150 m、160 m和170 m处布置3个测站。3个钻孔位于同一水平面，沿煤层倾向布置，深20 m，钻孔起点距巷道底板1.75 m。超前支承压力测站布置示意图见图2。

图2 超前支承压力测站布置示意图

钻孔应力计的初始应力值设定为初始地应力，即γH。工作面埋深180～220 m，上覆岩层的平均容重取25 kN/m3，则初始地应力为 4.4 ～5.4 MPa。本次观测钻孔应力计的初始值设定为5.0 MPa。

2.3 观测结果分析

测站中的KSE－Ⅲ－R型钢弦记录仪每隔30 min自动读取、记录1次应力传感器的数据。观测人员每隔48 h用KSE－Ⅲ－C型采集仪采集1次钢弦记录仪所测数据，直至工作面推过测站。在地面PC上使用KSE－III型钢弦记录采集系统将数据读取、处理，得到超前支承压力的分布规律曲线。B907特大型综放工作面的超前支承压力分布曲线图见图3。

图3 B907综放面超前支承压力分布曲线图

由图3可见，超前支承压力曲线在工作面前方较远处(平均约80.5 m处)比较平直，认为此时煤体处于原岩应力状态，即超前支承压力影响范围为80.5 m，远大于一般地质条件下的影响范围(20～30 m)。工作面煤壁前方7.2 m范围内的煤体处于塑性区，煤壁至前方4.4 m范围煤体为破裂区，煤壁前方7.2～80.5 m范围内的煤体处于弹性区，工作面前方80.5 m以外为原岩应力区。超前支承压力峰值为7.3 MPa，应力集中系统为1.48。由此得出B907综放工作面超前支承压力分布规律，见图4。

图4 超前支承压力分布规律图

由以上分析可知，B907特厚煤层特大型综采放顶煤工作面的超前支承压力分布规律较为特殊:支承压力影响范围较大、塑性区相对较窄、应力集中系数较小。其主要原因由于9#煤层埋藏较浅、厚度较大、煤质较硬、老顶容易断裂、支承压力峰值点较为靠近煤壁。

3 超前巷道变形观测

3.1 观测方案

在B907辅运平巷中距工作面100 m、130 m和160 m处各布置一个测站，测站间距为30 m，测站布置示意图见图5。

图5 超前巷道变形测站布置示意图

测点具体布置方法见图6。在C、D之间拉紧测绳，A、B之间用测杆和测枪测读 AO、AB值;在 A、B之间拉紧测绳，C、D之间用测杆和测枪，测读CO、CD值。测量精度达到1 mm，并估读0.5 mm。采用皮卷尺测量测站距回采工作面的距离。测站离工作面50 m以外时，每两天测1次，距工作面50 m之内时，每一天测1次。

图6 超前巷道变形测点具体布置方法示意图

3.2 观测结果分析

巷道测站随着回采工作面的临近和支承压力的增大，围岩变形速度和变形值逐渐增大，在工作面附近达到最大值。观测结果见图7。巷道变形分3个区域:1)超前采面＞55 m的影响较小区。2)超前采面23～55 m的采动影响增强区。3)超前采面＜23 m的采动影响强烈区。

图7 超前巷道变形曲线图

由图7可知，从测站布置到B907综放面推过测站，巷道超前变形量整体较小，两帮移近量最大不超过80 mm，顶底板移近量最大不超过25 mm。并且超前巷道变形量受采动影响的范围要小于支承压力的影响范围。因此，B907特大型综放工作面平巷超前支护距离20～25 m是合理的。

4 数值模拟

4.1 计算模型的建立

数值计算模型长300 m，高100 m。模型两个侧面施加法向约束，底部边界施加垂直约束，顶部为自由边界，根据地表至模型顶部距离施加相应的荷载。模型从上往下依次为:上覆岩层(46 m)、基本顶(9 m)、直接顶(3 m)、煤层(12 m)、直接底(4 m)、基本底(26 m)。计算模型见图8。

图8 数值计算模型示意图

4.2 模拟结果分析

由数值模拟得出的B907综放工作面顶底板垂直应力分布图，见图9。工作面前方顶板发生应力集中，即超前支承压力显现。

图9 工作面垂直应力模拟结果图

由数值模拟得出的超前支承压力分布规律可以看出:B907综放面支承压力峰值为8.2 MPa，应力集中系数为1.64，影响范围约为88.2 m，煤壁前方塑性区宽度约为7.6 m。数值模拟结果和现场实测结果基本相符。

5 结论

1)现场实测B907综放面超前支承压力分布范围为80.5 m，应力集中系数为1.48，塑性区宽度为7.2 m。数值模拟超前支承压力分布范围为88.2 m，应力集中系数为1.64。现场实测超前巷道变形采动影响增强区为工作面前方23～55 m，采动影响强烈区为工作面前方0～23 m。B907综放面平巷超前支护距离20～25 m是合理的。

2)实测及数值模拟结果表明，B907特厚煤层综放面超前支承压力分布范围较大，但应力集中系数较小，因而对平巷的超前变形影响较小。这种特殊分布规律主要是由于B907综放面埋藏深度较浅，煤层厚度较大，老顶容易断裂形成的。

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