特厚煤层超前支承压力分布面长效应实测研究

马海军

（山西西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052）

受到巷道掘进与工作面推进的影响，煤体内部原有的应力平衡，形成二次应力场分布。在工作面推进方向形成超前支承压力影响区，在工作面煤壁前方形成塑性区，易造成煤壁垮落等影响工作面正常生产的情况。同时，在回采顺槽靠近工作面的部分，在超前支承压力的影响下巷道围岩极易失稳，威胁作业人员安全、影响顺槽安全使用、增加巷道维护成本[1-2]。随着采矿装备技术的进步，生产效率逐步提高，工作面长度也逐渐加长，众多学者针对工作面加长后的工作面矿压显现规律进行了研究：史超、李鹏[3]运用现场实测的方法对比研究了赵庄矿两个长度不同、工程地质条件相近的综采工作面矿压显现强度规律，认为面长增加是采场覆岩结构失稳、工作面强矿压显现的重要诱因。刘俊峰[4]采用数值模拟方法，对比研究了面长增加后所需支护强度变化规律与超前支承压力分布特征，验证韩家洼矿原有工作面液压支架的适用性。刘闯、李化敏、常发展[5]结合理论计算与数值模拟的方法，对比研究了不同面长工作面冒落带高度、工作面所需支护强度等差异，确定了苏家沟煤矿工作面最佳工作面长度为200 m[5]。这些研究成果为采场矿压显现规律的面长效应探索提供了坚实基础。

但现有研究成果多数针对厚及中厚煤层，采用数值模拟方法对比研究工作面长度对超前支承压力的影响规律，不具有在特厚煤层中的普适性。结合韩家洼矿22401 工作面为特厚煤层分三个不同面长开采阶段工作面的工程技术条件，通过现场实测方法，可以得出工作面长度对特厚煤层综放工作面超前支承压力的影响范式。对该矿的其他工作面的超前支承压力影响防治提供预测模型。

1 工程背景

韩家洼矿22401 工作面主采煤层为22 号煤，煤层厚度14.8 m，平均夹矸厚度为1.99 m，夹矸率为13.45%，煤层平均倾角6°，平均埋深210 m。工作面采用大采高综放采煤工艺，割煤高度为3.0 m，放顶煤高度为8.6 m，采放比为1∶2.87，工作面循环进尺0.6 m，一刀一放，每日三刀。采用全部垮落法管理顶板。22 号煤层伪顶为1.43 m 厚的细粒砂岩，随采随垮；直接顶为2.4 m厚的砂质泥岩； 基本顶为厚度13.4 m 的细粒砂岩。煤层柱状图如图1 所示。工作面地质与水文地质条件简单。由于该矿属于资源整合矿井，井田内22 号煤层存在数量较多的小窑破坏区。22401 工作面在回采设计时为有效避免小窑区影响，同时有效回收煤炭资源，设计工作面为图2 中所示多面长工作面。22401 工作面回采分为3 阶段，第一阶段工作面推进长度268 m，面长240 m；第二阶段工作面推进长度174 m，面长180 m；第三阶段工作面推进长度372 m，面长150 m。

图1 22401 工作面22 号煤层柱状图

2 工作面超前支承压力影响因素分析

现有的工作面超前支承压力理论推导方法，采用了弹塑性力学理论结合煤壁前方煤体稳定性分段计算，其中塑性区超前支承压力计算公式见式（1），弹性区内超前支承压力计算见式（2）[6]。

式中：σ1y为塑性区内超前支承压力，MPa；p 为塑性区煤体支承强度，MPa；φ 为煤体内摩擦角，°；f为煤层与顶底板间综合摩擦系数；x 为距煤壁距离，m；M 为煤层厚度，m。

式中：σ2y为弹性区内超前支承压力，MPa；K 为应力集中系数，MPa；H 为煤体埋藏深度，m；γ 为上覆岩层综合容重，kN/m3；X 为距超前支撑应力峰值距离，m； β 为侧压系数。

由式（1）、式（2）可知，在使用弹塑性理论计算超前支承压力时，并未有工作面面长相关参数，但在三维视角下可知工作面长度广泛影响了公式中的各项参数数值。为厘清工作面长度对超前支承压力的影响范式，在比较不同工作面长度超前支承压力分布规律时采用现场实测的方法进行研究。

3 工作面超前支承压力现场实测与比较

由于理论计算中没有体现工作面面长因素对超前支承压力的影响，结合22401 工作面不同面长的有利条件，采用现场实测的方法进行超前支承压力分布规律面长效应研究。在回风顺槽中，于每阶段切眼前方70 m 处安设超前支承压力测站，如图3 所示。为保证测量准确性，每个测站包含3 个HCZ450 型钻孔油枕应力计，应力计间距1.5 m，应力计钻孔高度为巷帮中部，钻孔直径0.45 m，孔深7 m。

图3 超前支承压力监测站位置与安装

由图4（a）中，22401 工作面不同长度工作面推进时，工作面超前支承压力分布规律差别较大。当22401 工作面第一阶段推进时 （0～268 m），即工作面长度为240 m，工作面超前支承压力峰值为9.57 MPa，应力集中系数为1.82，峰值位置距离煤壁10 m，工作面超前支承压力影响范围63 m。当22401 工作面第二阶段推进时 （268～442 m），即工作面长度为180 m，工作面超前支承压力峰值为8.21 MPa，应力集中系数为1.56，峰值位置距离煤壁8.9 m，工作面超前支承压力影响范围55 m。当22401 工作面第三阶段推进时 （442～814 m），即工作面长度为150 m，工作面超前支承压力峰值为7.58 MPa，应力集中系数为1.44，峰值位置距离煤壁5 m，工作面超前支承压力影响范围46 m。

图4 22401 工作面超前支承压力实测与分析

在图4（b）、（c）、（d）中可知超前支承压力峰值位置、超前支承压力峰值大小以及超前支承压力影响范围与工作面长度均呈对数函数关系，见表1。随着工作面长度的增加，超前支承压力峰值位置、超前支承压力峰值大小以及超前支承压力影响范围均出现增加趋势，但增加幅度越来越小。说明工作面长度在一定范围内对于超前支承压力存在显著影响，但工作面长度增加到相当长度后则变化不大。

表1 22401 工作面超前支承压力实测与分析

4 结论

为厘清工作面长度对特厚煤层综放工作面超前支承压力的影响规律，结合韩家洼矿22401 工作面为特厚煤层工作面的工程技术条件，采用现场实测的方法对工作面不同面长超前支承压力的大小、位置影响范围进行了实测研究，并通过曲线拟合法进行了解析，得出了如下结论：

1）通过对现有工作面超前支承压力计算公式进行参数分析，认为现有计算方法中终端参数与工作面长度有着紧密联系，但工作面长度对超前支承压力分布规律的具体影响现有公式没有表达出来。

2）通过超前支承压力现场实测研究可知，随着工作面长度由150 m 增加至240 m 时，超前支承压力峰值增加了4.57 MPa、峰值位置增加5 m，影响范围增加17 m。

3）通过曲线拟合法，分别得出了工作面长度与超前支承压力峰值大小、峰值位置以及影响范围的函数表达式，为该矿今后在相似条件下的工作面回采超前支承压力的预测提供了基础数据。