兴隆庄煤矿3305下工作面超前支承压力分布研究

2019-07-15王桂洋

山东煤炭科技 2019年6期

武振王桂洋华乐

（1.兖矿集团兴隆庄煤矿，山东兖州 272100；2.山东鲁泰控股集团有限公司太平煤矿，山东邹城 273500；3.兖矿集团鲍店煤矿，山东邹城 273500）

兴隆庄煤矿3305下工作面地质构造复杂，容易受到冲击地压的威胁。掌握工作面支承应力分布规律，对工作面超前支护范围的确定、工作面超前巷道冲击地压监测和防治范围、方式的确定提供了可靠参考和依据。

1 工程概况

3305下综放工作面地面相对位置为日菏高速公路以南，苑庄以东，崇文大道以北。地面标高+50.9～ +51.7m，平均+51.5m。工作面位于第三采区的下部，西面与3304下采煤面相邻，南面为5307工作面采空区，西南为5306综放工作面的采空区，北部为日菏高速公路的保护煤柱。工作面标高-337～ -353m，埋藏深度387.9～404.7m。面长206m（两顺槽内帮垂直平距），推进长度384m，工作面面积79310m2。开采煤层为3煤，煤层厚度7.8～9.9 m，平均8.5m；煤层结构复杂，含两层夹矸，煤层倾角1～10°，平均4.5°。

3305下工作面的煤层直接顶厚度为1.87～6.78m、平均2.67m的粉砂岩,岩石普氏硬度为f=5.7；基本顶为厚度9.79～31.24m、平均18.14m的中砂岩，岩石普氏硬度为f=6～9；直接底为厚度1.30～3.50m、平均1.5m的粉砂岩，岩石普氏硬度为f=5.7；基本底部为厚度6.80～19.36m、平均12.3m的中砂岩，岩石普氏硬度为f=6～11。

2 数值模拟研究

模型网格分为160×240，代表16000×240000mm，即每一个单元代表1000mm。模型上方的加载方法采用均匀载荷，在Y方向向上加载23MPa，X方向加零位移约束，计算步数为5步（不包括步骤），并加载自重进行计算。

该模型是一个二维问题，并建立了平面应变力学模型。在计算模型中，水平位移约束应用于模型的两侧以限制其水平位移；底边限制了垂直和水平方向的位移。假设岩石力学参数符合威布尔分布，岩石裂缝由库仑-摩尔强度准则判断。

根据主应力图1中煤层变化趋势可以看出，随着工作面不断向前推进，工作面顶板以及煤帮变形和破坏趋势逐渐增大，并有向煤体深部移动的趋向；根据垂直应力图2应力变化情况可以看出，工作面煤壁前62m处开始出现支承压力显现变化，并且在前方约25m处开始有应力峰值。峰值应力值约为34～36MPa，应力集中系数约为 1.48～1.57。

图1 主应力图

图2 垂直应力分布示意图

3 现场实测研究

（1）仪器布置参数

钻孔应力计沿轨道顺槽布置，监测区域主要位于3305下工作面轨道顺槽内，用于观测轨道顺槽内工作面前方煤体支撑压力的分布情况和应力增加区的峰值大小。在调查区域内安装10个钻孔应力计，编号为1～10。使用F3导线点做为参考点，将1～8号钻孔应力计沿着巷道下帮向着工作面方向布置，两两间距10m，1～8号应力计的安装深度分别为 9m、7m、5m、3m、3m、5m、7m、9m，并根据工作面煤壁确保1号钻孔应力计与其间距不小于100m；9号、10号两只应力计安装在F6点附近，二者间距25～30m，距离底板1.2m，间距10m。

观测周期：每2h观测一次。

（2）实测数据分析

数据收集工作于2018年8月15日开始，应力值以及测站内部的综合情况的记录在超前187m开始进行，其中包括附近钻孔卸压和煤层注水软化等施工扰动，并在宏观上进行了描述。

由于钻孔应力计在运输、安装、使用中可能存在一定的问题，导致出现一些读数不合理、无法读数等的情况。在实际数据分析中，应根据实际情况排除不合理的读数和无读数的钻孔应力计数据，防止其影响数据分析的准确性。3305下工作面钻孔应力读数如表1所示。

表1 3305工作面钻孔应力数据

通过对图3中的第2#与5#钻孔应力计的应力读数比对可以看出，该工作面超前支撑压力变化曲线与实际压力分布变化曲线规律相似。本工作面超前支承压力从超前煤壁80～90m处开始有明显影响，在与顶板动态仪监测数据所分析的支承压力进行比对后，钻孔应力计监测的显著影响范围更大。再结合3305下工作面的推进计划方案，在对该工作面进行矿压观测期间，在超前煤壁前方80～100m处需要进行扩面工作，与此同时，该地段存有较大断层构造带，支承压力无法正常传递并集中在断层边界附近。上述影响因素相互叠加，增大了支撑应力影响范围。