复杂地质条件下炮采工作面超前支承压力的研究＊

李英强，袁瑞甫

（河南理工大学能源学院，河南 焦作 454000）

0 引言

炮采工艺是我国目前采用较多的一种采煤工艺，其具有技术装备投资少、适应性强、操作技术容易掌握、生产技术管理比较简单等主要优点。虽然炮采技术已经非常成熟，但是刘河矿复杂地质条件下的炮采工作面仍然存在几个问题:一是工作面地质保障技术不够成熟；二是复杂地质条件对单体液压支柱合理支护强度及工作面矿压显现之间的关系尚未明确；三是对于工作面超前支撑压力的影响范围没有准确的论断。

刘河矿13031炮采长壁工作面开采后，垮落的直接顶岩石往往不能填满采空区，而在坚硬岩层的下方出现较大的自由空间，折断后的老顶岩梁往往难以形成“砌体梁”式的平衡，在其回转运动的过程中往往对下位岩层和工作面支护系统形成冲击载荷并在工作面前方的煤体中形成较高的支承压力，并在工作面引起强烈的周期来压，引起巷道严重变形［1－2］。虽然针对炮采工作面超前顶板管理已经提出相关的措施，但是根据现场观测情况，治理效果并不理想，因此有必要研究复杂地质条件下工作面超前支承压力的影响范围和强度，为工作面的超前支护提供依据。文中以现场实测和数值模拟的方法对该条件下工作面超前支承压力进行了研究。

1 工作面概况

刘河矿田范围内资源相对有限，煤层倾角3°～30°，煤层厚度2.0～4.0 m，采用全部垮落法管理顶板，支护方式为单体液压支柱配合交接顶梁。此矿目前采用爆破采煤，人工攉煤，并且煤层厚度起伏不定，薄煤层为1 m，厚煤层为4.5 m，平均厚度为2.67 m.

刘河矿地质条件极为复杂，13031工作面走向长1040 m，倾向长150 m.在掘进过程中会揭露大小不等的断层20～30条，工作面上下平巷过断层全岩长度可达30 m.在采煤工作面正常推进过程中也会揭露上下巷没有揭露的断层。煤层底板含水丰富，已做底板加固但效果不明显。

2 矿压观测方案及测点布置

工作面超前支承压力观测的重点在于弄清支承压力随工作面推进演化规律、影响范围和峰值位置，可以通过观测工作面超前支柱的载荷和支柱活柱下缩量实现［3－5］。观测采用煤矿井下单体液压支柱工作阻力固定式测量仪器(KBY－60D)单体柱数字监测仪，如图1所示，测定单体支柱工作阻力变化情况。在13031工作面进风及回风顺槽超前支护范围内，每隔2～3个循环利用该仪器测一次超前单体柱的载荷，同时利用钢卷尺测量支柱的活柱下缩量，并认真做好记录方便分析处理。测点布置如图2所示。

图1 单体柱数字监测仪Fig.1 Digital monitor of monomer column

图2 工作面超前支承压力观测方案示意图Fig.2 Observation schematic diagram of advancing abutment pressure

3 观测结果分析

工作人员集中观测了13031进风巷超前单体支柱的载荷情况，观测范围为13031进风巷工作面前方20 m左右。不同工作面推进距离条件下超前支柱载荷曲线如图3，4所示。

图3 工作面推进30 m时超前支柱载荷曲线Fig.3 Advancing abutment pressure curve of forwards 30 m

图4 工作面推进75 m时超前支柱载荷曲线Fig.4 Advancing abutment pressure curve of forwards 75 m

图5 工作面推进120 m时超前支柱载荷曲线Fig.5 Advancing abutment pressure curve of forwards 120 m

经对单体柱载荷数据进行研究，并结合图5，6，可分析得出

图6 工作面推进165 m时超前支柱载荷曲线Fig.6 Advancing abutment pressure curve of forwards 165 m

整体而言，由于工作面的不断向前推进，13031进风巷超前单体支柱载荷分布可以划分为典型的增高区、集中区和逐渐降低区域。这表明工作面前方支承压力随着工作面前方距离的增大出现短暂的降低之后急剧增大，直至增大至峰值后，支承压力值开始急剧降低，降低至一定值后开始缓慢过渡至原岩应力值。

由以上不同工作面推进度时支柱载荷分布曲线对比可知，单体柱载荷最大值由工作面推进30 m时的13.7 MPa慢慢增大至工作面推进120 m时的14.9 MPa，随后基本稳定。由此也可以判断，至工作面推进至120 m时，工作面采动充分，工作面上覆岩层载荷达到最大，并保持稳定，不再随着工作面的向前推进而继续增大。

经过对比分析还可以得知，随着工作面的向前推进，工作面超前支承压力峰值距工作面前方煤壁的距离也逐渐增大。工作面推进至30 m时，超前支承压力峰值位置为工作面前方煤壁7.2 m，之后随着工作面的向前推进而逐渐增大，直至工作面推进至120 m处时，超前支承压力峰值距工作面前方煤壁距离增大至10 m，之后随着工作面的推进无太大变化。峰值之后，超前应力值则随着距离的增大而下降。

4 数值模拟结果分析

通过FLAC3D数值模拟计算软件计算工作面分别推进至 20，40，60，80，100 m 时工作面超前支承压力的分布情况，对比分析工作面推进过程中超前支承压力的分布及演化特征，并与工作面超前支柱观测结果进行对比分析，进而为工作面管理工作，尤其是超前支护工作面提供指导依据［6－10］。对不同计算模型中的工作面超前支承压力数据进行提取处理，得到不同工作面推进度时工作面超前支承压力分布曲线，如图7～11所示。

经数值模拟，并结合图7～11可分析得出工作面开挖后，工作面超前支承压力分布曲线可明显划分为应力降低区、急剧增高区、急剧降低区及缓慢降低区。

图7 工作面推进20 m时超前支承压力分布曲线Fig.7 Advancing abutment pressure curve of forwards 20 m

图8 工作面推进40 m时超前支承压力分布曲线Fig.8 Advancing abutment pressure curve of forwards 40 m

图9 工作面推进60 m时超前支承压力分布曲线Fig.9 Advancing abutment pressure curve of forwards 60 m

图10 工作面推进80 m时超前支承压力分布曲线Fig.10 Advancing abutment pressure curve of forwards 80 m

图11 工作面推进100 m时超前支承压力分布曲线Fig.11 Advancing abutment pressure curve of forwards 100 m

当工作面推进至20 m时，工作面前方只有约1 m的应力降低区，随后应力急剧增大至峰值，应力峰值约为14 MPa，位置为工作面前方4 m.之后，应力值随着工作面前方距离的增加而急剧减小，至工作面前方12 m处后，应力值缓慢降低至原岩应力值，曲线趋于水平；当工作面推进至40 m时，工作面超前支承压力经过短暂的应力降低区域急剧增大至峰值处，此时峰值大小为17 MPa，位置为工作面前方6 m，而后急剧降低，直至工作面前方15 m后缓慢下降至原岩应力值。由此可以看出，此时工作面超前支承压力影响范围为30 m，其中剧烈影响范围为15 m；当工作面推进至60 m时，工作面超前支承压力峰值增大至18.5 MPa，峰值位置前移至工作面前方7 m，应力影响范围增大至45 m，其中剧烈影响范围约为20 m；当工作面推进至80 m时，工作面超前支承压力峰值增大至20 MPa，峰值位置前移至工作面前方10 m，应力影响范围增大至50 m，其中剧烈影响范围为23 m；当工作面推进至100 m时，工作面超前支承压力峰值大小基本保持在20 MPa，峰值位置也保持在工作面前方10 m，应力影响范围也没有太大变化，为50 m，其中剧烈影响范围基本仍为23 m.

5 结论

综合现场观测数据分析和数值模拟分析，得出以下结论:工作面超前支承压力分布曲线可明显划分为应力降低区、急剧增高区、急剧降低区及缓慢降低区。工作面推进至80 m后，超前支承压力分布基本达到稳定，超前支承压力峰值位置为工作面前方10 m，峰值压力为20 MPa，超前支承压力影响范围为工作面前方0～50 m，其中剧烈影响区域为工作面前方0～23 m.因此，在现场工作中，应重点对工作面前方0～23 m加强支护。

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