浅埋深分层综放工作面超前支承压力特征

2018-12-01郝海明任耀飞

江西煤炭科技 2018年4期

郝海明，任耀飞

（1.山西阳泉煤业(集团)有限责任公司二矿，山西阳泉 045000；2.山西潞安矿业（集团）有限责任公司新疆公司，新疆伊宁 835000）

1 概述

受回采工作及自重应力的影响，工作面围岩丧失其原始的应力平衡并在回采工作面四周形成了应力集中现象［1-3］。工作面前超前支承压力的分布见图1。从图1中，能够看出在接近煤壁后侧的煤体极易破坏，从而失去承载能力，成为塑性区，导致支承压力不断向煤体的深部传递，并在某一位置形成应力集中［2-4］。

图1 工作面超前支承压力分布

通过现场监测工作面超前支承压力的分布规律，得出分层综放工作面在回采过程中前方支承压力分布范围和强度，研究工作面前方支承压力分布规律，以指导工作面超前支护参数选定与优化。工作面支承压力分布特征一般通过监测工作面前方煤体应力来研究，一般从工作面两顺槽在煤体内安装钻孔煤体应力计来开展监测工作［5-8］。

2 应力监测

2.1 18041工作面概况

山鑫煤矿18041工作面开采M8煤层，煤层埋藏深度80～130m，平均煤厚20 m，采用分层综放开采，开采的平均厚度是12m，其中割煤3m，放煤9 m。工作面循环开采的平均进度为0.8 m，采煤和放煤为一个循环，每天两个生产作业班，每个班完成两个循环。工作面选择的支架型号为ZFY13000/24/42及ZFG5400/18/33，适应采高在2.0～3.8 m、1.8～3.3 m，并跟顶回采。山鑫煤矿采用KJ-25煤体应力监测系统对18041综放工作面煤体进行应力监测，该系统由三部分组成，分别是矿用本安型压力监测分站、信号转换器、钻孔应力计等。通过工作面开采进尺和煤体的应力监测数据，可以确定出工作面周围应力集中区域。

2.2 监测点布置

在18041综放工作面回风顺槽切眼前方20 m煤帮侧安装有煤体应力计，每隔5 m安装一个钻孔应力计，总共安装了3个，但是在切眼前方20m煤帮侧安装的水平深度有所区别，由里向外分别是3 m、5 m和7m，测点编号分别为1#、2#和3#。18041综放工作面煤体应力计测点布置见图2。

图2 18041综放工作面煤体应力计测点布置

3 超前支承压力分布特征分析

1#～3#钻孔应力计测得的煤体应力曲线分别见图3（a）～（c），钻孔应力计在三个测点的观测结果统计见表1。

图3 18041工作面各测点煤体应力曲线

表1 钻孔应力计观测数据统计

由煤体应力曲线和观测结果统计表可以得出18041工作面超前支承压力服从如下规律：

1）应力集中系数分布区间为1.2～1.4，平均约1.2，因此，超前支承压力应力集中系数较低，超前支承压力整体缓和。

2）超前支承压力影响范围为7～10 m，平均约8.3m，远低于一般工作面的20～70 m。因此，超前支承压力影响范围小。

3）2#测点的超前压力峰值超前煤壁距离为3.1 m，而1#和3#测点观测的应力峰值超前煤壁距离为0 m，即直接位于煤壁上，应力曲线表现为单一的弹性分布，即工作面前方煤体不存在塑性区，超前支承压力峰值超前煤壁距离平均为1.1 m，因此，超前支承压力峰值超前煤壁距离较小，峰值靠近煤壁。

4 原因分析

煤层的埋藏深度、煤体强度和采出厚度等因素对工作面超前支承压力的分布都有一定的影响，对于18041综放工作面而言，超前支撑压力分布规律的原因为：

1）根本原因是工作面的埋藏深度较浅。18041工作面最小埋藏深度约80 m，根据经验公式，超前支承压力峰值距煤壁距离x与埋深H的关系满足：x=0.015，H=1.2 m，这与实测结果基本相符。

2）支承压力峰值超前煤壁距离与顶板的强度成正比，与煤体强度成反比。根据煤岩物理力学测试结果，18041工作面煤层顶板平均天然抗压强度为12.2～16.27 MPa，而煤层的天然单轴抗压强度11.16～14.23 MPa，两者测试的强度相差无几，但根据现场观测来看，直接顶在较长时间曝露后风化松散或遇水软化，其强度反不如煤层强度。因此，当顶板在采动影响下发生离层、断裂时，煤体往往还处于弹性状态，变形量较小。另外，由于顶板松软也决定了其周期破断步距较小，其破断失稳时作用在煤体上的动载也较小，不足于使煤体或煤壁发生塑性破坏。

3）根据巷道围岩移动的监测结果，在开采过程中，煤壁前方的巷道顶板始终没有明显离层或下沉；而且，煤壁没有出现明显的破坏，片帮和冒顶现象较少。所以这些动力显现均佐证了浅埋深工作面超前支承压力整体缓和、影响范围小、应力峰值近甚至呈单一弹性状态的特征。