武甲煤矿3101综采工作面支承压力分布规律

杨建龙

(山西阳泰集团 晶鑫煤业公司，山西 晋城 048100)

在煤矿开采过程中，随着工作面的推进，在煤壁前方会形成超前支承压力，其峰值位置与大小直接影响着工作面顶板的控制和支架受力。多年来，许多专家学者采用理论计算、数值模拟和现场实测的方法，对综采工作面煤壁前方超前支承压力的分布规律进行了研究，取得了许多实践成果，为综采工作面的支护参数和煤柱留设提供了依据[1-3]。本文以武甲煤矿3101综采工作面地质条件为背景，采用理论计算的方法，对该工作面煤壁前方超前支承压力分布规律进行分析，以期为工作面的安全生产奠定基础。

1 工程概况

武甲煤矿是一个兼并重组整合矿井，隶属于山西阳泰集团晶鑫煤业公司，距阳城县城30 km，该矿井田大部分处于阳城县的西北部，另有一小部分位于沁水县境内，行政区划属阳城县芹池镇与沁水县龙港镇管辖。矿井以+437 m水平开发井田内3号煤层，设计生产能力为120万t/a,采用两个斜井(主、副斜井)与一个立井(副井)的开拓方式，实现长壁式综合机械化采煤。在主、副斜井落底附近沿正西向至井田中部边界8号拐点，布置西集中开拓大巷先期开采一采区，西集中胶带运输大巷、西集中轨道运输大巷和西集中回风大巷均沿着3号煤层底板下15 m处的岩层布置。一采区东西长1.85 km，南北宽1.79 km，采区面积为3.312 km2，设计可采储量为1 280万t，可服务年限约7.6 a。

3101工作面是矿井一采区首采工作面，采用综合机械化一次采全高回采工艺。煤层盖山厚度340 m，煤层平均厚度为4.49 m，平均倾角为5°。煤层直接顶为细砂岩和砂质泥岩，厚度为0.9 m～13.0 m，平均6.8 m；伪顶为深灰色泥岩，含植物化石，不稳定，开采时随煤层一起脱层垮落,厚度为0.7 m；直接底为灰黑色粉砂质泥岩，厚度为6.52 m，含植物化石。

2 影响支承压力分布的主要因素

煤层开采后，由于煤体产生支承压力使围岩应力状态发生改变，进而降低了煤壁的稳定性。一般来讲，影响工作面支承压力分布的主要因素有煤层厚度、煤体硬度与工作面推进速度三个方面。

1) 煤体硬度。通常用普氏系数f来表示煤体的软硬程度，其大小与煤体的单轴抗压强度Rc成正比，一般将其表示为f=Rc/10。煤体的单轴抗压强度Rc又反映支承压力峰值与煤壁距离关系，由以上公式可知，普氏系数反映了煤体单轴抗压强度的变化,普氏系数增大说明煤体硬度大,反映支承压力的峰值位置接近煤壁；普氏系数小说明煤体硬度小,反映支承压力峰值位置将远离煤壁。

2) 煤层厚度。煤层厚度对煤体的支承压力分布规律有着较大影响，通常情况下煤层厚度越小，支承压力峰值位置与煤壁的距离越近；煤层厚度越大，支承压力峰值位置与煤壁的距离越远。

3) 工作面推进速度。煤体的支承压力分布规律与工作面推进速度存在相互影响，工作面的推进速度慢，支承压力峰值位置距离煤壁趋远；工作面的推进速度快，支承压力峰值位置越趋向煤壁方向；当工作面推进速度达到一定值时，其对支承压力峰值位置的影响将消失。

3 支承压力的分布规律

3.1 支承压力峰值点位置计算

为了准确掌握支承压力峰值位置与煤壁的距离，采用理论计算和回归分析法，验证并确定支承压力峰值位置。

1) 理论计算。工作面支承压力峰值位置，一般用下式计算：

(1)

将以上各数据代入(1)式，即得到3101工作面支承压力峰值与煤壁的距离：

L=5.24 m

2) 回归法分析。由上面的分析显示，工作面支承压力峰值位置与煤体硬度f和煤层厚度M及工作面推进速率v三个因素相关。根据相关研究，在总结大量实验数据基础上，建立了关于支承压力峰值位置的多元回归分析方程：

L=33.72-6.42f-0.01M-2.25v

(2)

式中：f为普氏系数，取2.3；v为工作面推进速度，取5.5 m/d。

将上述数据代入公式(2)，得到支承压力峰值位置与煤壁的距离：

L=33.72-6.42×2.3-0.01×4.49-2.25×5.5

=6.53 m

3) 确定支承压力峰值位置。由以上理论计算和回归分析法确定，3101工作面的支承压力峰值位置距离煤壁约在5.24～6.53 m之间。

3.2 支承压力峰值计算

根据岩石力学理论，通常煤壁承受支承压力与超前支承压力峰值的关系，可用下式表示：

σf=2.729(ηRc)0.729

(3)

式中：σf为支承压力峰值的大小，MPa；η为煤岩流变系数，取0.45；Rc为煤体单轴抗压强度，取23 MPa。

将数据代入式(3)得：

σf=2.729×(0.45×23)0.729=14.99 MPa

计算得知，3101工作面煤壁所承受的超前支承压力，其峰值大小为14.99 MPa。

3.3 支承压力影响范围

煤层开采后，煤体周围岩体在支承压力的影响下产生塑性区和弹性区两个区域，设支承压力影响范围为：

x=T+G

(4)

式中:x为支承压力影响范围，m；T为塑性区宽度，m；G为弹性区宽度，m。

支承压力塑性区宽度T，即是煤壁与支承压力峰值位置的距离，由公式(1)、(2)的计算可知，T=L=5.24～6.53 m。

支承压力弹性区的宽度G，可以通过公式(5)计算得：

(5)

式中：β为侧压系数，取β=1.2；其它符号的含义同前。

将相关数据代入公式(5)，得到支承压力弹性区的宽度为：

G=10.37 m

将上述计算结果代入公式(4)得：X=(5.24～6.53)+10.37=15.61～16.9 m。

由此可以看出，武甲煤矿3101工作面支承压力的影响范围处于15.61～16.9 m之间。

4 结 语

1) 分析了煤体硬度、煤层厚度和工作面推进速度与支承压力的相互关系。

2) 通过理论计算和回归分析法，得出了武甲煤矿3101工作面支承压力的峰值位置在距离煤壁5.24～6.53 m处、峰值大小为14.99 MPa、支承压力影响范围为15.61～16.90 m。为合理确定护巷煤柱参数和超前支护设计提供参考。

3) 由于煤体硬度和煤层厚度是不可改变的因素，因此，在工作面回采过程中，要掌握好推进速度对支承压力的影响，避免出现超前或滞后来压，保证工作面生产安全。