王 凱，楊雙鎖

(1.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西陽(yáng)泉045000;2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024)

在煤巖體內(nèi)進(jìn)行人工采掘后，采掘空間圍巖內(nèi)必然出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，一般將采掘空間周圍煤巖體側(cè)壁內(nèi)改變后的切向應(yīng)力稱為支承壓力。支承壓力是導(dǎo)致煤礦各類巷道變形、破壞的重要原因，而研究工作面支承壓力的分布規(guī)律對(duì)回采巷道超前支護(hù)、區(qū)段煤柱合理寬度留設(shè)、瓦斯運(yùn)移規(guī)律以及各種礦井動(dòng)力災(zāi)害的防治具有重要意義［1－6］。對(duì)采場(chǎng)周圍支承壓力的分布規(guī)律研究方法有數(shù)值模擬、理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法包括圍巖位移測(cè)定法、圍巖應(yīng)力測(cè)定法、鉆孔煤粉量變化測(cè)定法、微震測(cè)定法等［6－10］。

目前，對(duì)中厚煤層單一回采工作面、淺埋超長(zhǎng)工作面、孤島工作面支承壓力分布特征的研究較多［10－12］，而對(duì)同時(shí)具備“淺埋”與“兩硬”條件煤層的綜放工作面支承壓力分布規(guī)律研究甚少?；夭晒ぷ髅嬷車С袎毫Ψ植继卣髋c頂板巖性、采深、煤層厚度及其強(qiáng)度等因素相關(guān)，淺埋兩硬煤層綜放工作面支承壓力分布特征與一般工作面相比必然存在較大差異。因此，深入研究淺埋兩硬煤層綜放工作面支承壓力分布特征，對(duì)于充分發(fā)揮綜放開采工藝的優(yōu)勢(shì)和實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)具有重大意義。本文以安家?guī)X井工礦4102工作面為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法分析淺埋兩硬煤層綜放工作面支承壓力分布特征，為確定超前支護(hù)距離、區(qū)段煤柱合理寬度留設(shè)及巷道基本支護(hù)參數(shù)確定提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

4102工作面蓋山厚度平均139m，屬于淺埋煤層 (厚度小于150m)，煤層平均厚度為7.02m，采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤法開采。煤層直接頂是7.53～11.28m厚的淺灰色粗砂巖，其單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)98MPa，屬于堅(jiān)硬巖層;基本頂為4.2～6.2m厚灰黑色砂質(zhì)泥巖，含較多植物化石，薄層中含少量炭質(zhì)，下部含高嶺土質(zhì)，局部為粉砂巖;煤層的單軸抗壓強(qiáng)度34.6MPa，屬于堅(jiān)硬煤層。底板是灰褐色砂質(zhì)泥巖和4－2煤層，砂質(zhì)泥巖含少量炭質(zhì)和植物根化石 (局部地段下部有0.67m厚的高嶺巖)，厚度0.65～2.10m，平均1.42m，4－2煤層，黑色，厚度3.44～4.58m，平均3.87m。

2 礦山壓力實(shí)測(cè)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)站均布于工作面回風(fēng)巷，在距開切眼50m位置的巷道兩幫煤體內(nèi)分別布置測(cè)站Ⅰ和測(cè)站Ⅱ，在距離開切眼70m的位置設(shè)測(cè)站Ⅲ，距開切眼90m的位置巷道兩幫內(nèi)設(shè)測(cè)站Ⅳ和測(cè)站Ⅴ。在Ⅱ，Ⅲ和Ⅴ測(cè)站內(nèi)分別打2個(gè)深度為5m的鉆孔，孔間距200mm;Ⅰ和Ⅳ測(cè)站分別打6個(gè)鉆孔，相鄰孔間距為100mm，1號(hào)孔深0.5m，2號(hào)孔深1m，3號(hào)孔深1.5m，4號(hào)孔深3m，5號(hào)孔深5m及6號(hào)孔深8m。在每一鉆孔底部安裝1枚鉆孔應(yīng)力計(jì)作為測(cè)點(diǎn)。

2.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

2.2.1 工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植家?guī)律

工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ^察是通過布置于回風(fēng)巷道的測(cè)站Ⅰ和測(cè)站Ⅳ實(shí)現(xiàn)的。以工作面與測(cè)點(diǎn)間的距離為橫坐標(biāo)、測(cè)點(diǎn)鉆孔應(yīng)力計(jì)讀數(shù)為縱坐標(biāo)，繪出測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系曲線。通過每一測(cè)站不同測(cè)點(diǎn)壓力變化以及測(cè)點(diǎn)之間表現(xiàn)出的差異，分析總結(jié)出壓力變化特征及其規(guī)律。

如圖1所示，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)在距離工作27m時(shí)出現(xiàn)一個(gè)小峰值，這是由直接頂板臨近初次垮落時(shí)引起工作面前方應(yīng)力增高 (工作面直接頂來(lái)壓歩距34m)所致;工作面推至距測(cè)站4m左右時(shí)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)峰值，最大應(yīng)力達(dá)5.1MPa，這是由基本頂初次斷裂擾動(dòng)引起。工作面推至1號(hào)測(cè)點(diǎn)后方18m時(shí)，測(cè)力計(jì)顯示為0，推測(cè)該測(cè)點(diǎn)所在位置已片幫塌落;隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，2號(hào)測(cè)點(diǎn)、3號(hào)測(cè)點(diǎn)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)在工作面后方24.3m處出現(xiàn)峰值，最大值均在5.2MPa左右，而后2號(hào)測(cè)點(diǎn)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而4號(hào)測(cè)點(diǎn)一直保持髙應(yīng)力狀態(tài)，5號(hào)和6號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力基本無(wú)變化。

從圖1可以看出，1號(hào)測(cè)點(diǎn)在距離工作面4m處出現(xiàn)峰值后，應(yīng)力迅速下降，說明這一范圍內(nèi)的煤體已進(jìn)入破碎狀態(tài);而2號(hào)測(cè)點(diǎn)在達(dá)到峰值之后，應(yīng)力仍然高于原巖應(yīng)力，且在工作面后方又出現(xiàn)一個(gè)峰值，由此可見，該測(cè)點(diǎn)位置在工作面前方時(shí)，煤體進(jìn)入塑性狀態(tài)。所以，工作面前方煤柱側(cè)巷幫的松動(dòng)圈厚度 (破碎區(qū)厚度與塑性區(qū)厚度之和)為1m。

圖1 測(cè)站Ⅰ各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

圖2是測(cè)站Ⅰ進(jìn)入采空區(qū)距離工作面24.3m時(shí)各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值所繪制曲線，該曲線基本反映了受采動(dòng)擾動(dòng)穩(wěn)定后，煤柱上側(cè)向支承壓力的分布特征。側(cè)向支承壓力峰值位于煤柱內(nèi)3m的位置。

圖2 測(cè)站Ⅰ煤柱內(nèi)側(cè)向支承壓力曲線

綜上所述，在煤柱一側(cè)的超前支承壓力峰值在工作面前方4m左右;采空區(qū)支承壓力峰值出現(xiàn)在工作面后方24.3m左右;側(cè)向支承壓力峰值在煤柱內(nèi)2m處(由巷幫表面向煤柱內(nèi)垂直深度);工作面前方煤柱側(cè)巷幫松動(dòng)圈厚度1m;工作面推過測(cè)站24m后，煤柱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的煤柱破碎垮落區(qū)厚度在0.5m左右，塑性區(qū)厚度為1.5m，應(yīng)力增高區(qū)與塑性區(qū)分界面位于煤柱內(nèi)2m的位置，大于5m的區(qū)域?yàn)樵瓗r應(yīng)力區(qū)。

2.2.2 工作面超前支承壓力分布特征

為觀察工作面超前支承壓力分布規(guī)律，共布置了3個(gè)測(cè)站。在觀察過程中，Ⅱ測(cè)站和Ⅲ測(cè)站均采集到完整數(shù)據(jù)，Ⅴ測(cè)站應(yīng)力計(jì)電纜遭到損毀而未能取得數(shù)據(jù)，Ⅱ測(cè)站曲線較為典型，如圖3所示。

圖3 Ⅱ測(cè)站各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

圖3所示，測(cè)站Ⅱ距工作面較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)力變化緩慢，工作面與測(cè)站距離27m時(shí)出現(xiàn)一個(gè)小的應(yīng)力峰值，推測(cè)由工作面直接頂初次垮落引起，測(cè)站與工作面距離為3.4m時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力突然增加到極值，而后迅速下降。超前支承壓力影響范圍約為30m。

由以上分析可知，工作面的超前支承壓力影響范圍為30m左右，峰值在煤壁前方3.4～4m之間，這一點(diǎn)不同于普通煤層綜采放頂煤工作面超前支承壓力峰值點(diǎn)前移的特征，是淺埋兩硬煤層綜放面的特有規(guī)律。

3 支承壓力分布特征力學(xué)分析

在煤體內(nèi)開掘后形成的采掘空間 (巷道或采場(chǎng))圍巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布形成支承壓力，當(dāng)支承壓力超過圍巖體的強(qiáng)度時(shí)，采掘空間圍巖表面將發(fā)生變形、破壞，形成一定范圍的松動(dòng)圈，支承壓力峰值隨即向煤巖體深部轉(zhuǎn)移。巷道側(cè)方支承壓力峰值及工作面前方支承壓力峰值位于圍巖松動(dòng)圈與彈性應(yīng)力升高區(qū)的交界面的位置，如圖4所示，煤柱內(nèi)側(cè)方支承壓力峰值及工作面前方支承壓力峰值與煤巖體邊緣的距離x0，即為松動(dòng)圈的厚度 (包括破裂區(qū)與塑性區(qū))。

圖4 煤體的彈塑性變形區(qū)及支承壓力分布

松動(dòng)圈內(nèi)的煤巖體內(nèi)的巖體處于極限平衡狀態(tài)，根據(jù)極限平衡理論，松動(dòng)圈的厚度x0可表示為:［13］

式中，K為應(yīng)力集中系數(shù);M為煤層開采厚度;C為煤體黏聚力;φ為煤體內(nèi)摩擦角;F為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù);ζ為三軸應(yīng)力系數(shù)，ζ= (1+sinφ)/(1－sinφ)。

一般情況下，煤體的內(nèi)摩擦角在30°左右，因此，上式可近似為:

式中，當(dāng)采高m和摩擦因子f確定后，松動(dòng)圈厚度與煤層的埋藏深度H及煤體的黏聚力C相關(guān)。

煤層強(qiáng)度一定時(shí)，煤層埋藏越淺，則巷道圍巖松動(dòng)圈厚度越小，煤柱側(cè)方支承壓力峰值與煤幫距離就小，反之則大;煤層埋藏深度一定時(shí)，煤體強(qiáng)度越大，松動(dòng)圈厚度則越小。對(duì)于安家?guī)X礦4102工作面而言，同時(shí)具備煤層強(qiáng)度高及煤層埋藏深度淺兩個(gè)條件，故此，回風(fēng)巷煤柱側(cè)方支承壓力峰值及工作面超前支承壓力峰值與煤體表面之間的距離較小，這與實(shí)測(cè)所得結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過對(duì)淺埋兩硬煤層的礦壓實(shí)測(cè)結(jié)果分析，除了體現(xiàn)出一些與普通放頂煤工作面相似的現(xiàn)象外，如超前支承壓力影響范圍廣，同時(shí)得到了其獨(dú)有的特征。

(1)煤層的直接頂大面積懸頂對(duì)超前支承壓力的分布產(chǎn)生影響，初次垮落前在巷道兩側(cè)的煤體內(nèi)均造成應(yīng)力峰值，在垮落后應(yīng)力有所下降。

(2)超前支承壓力峰值點(diǎn)到煤壁的距離小(3.5～4m)，這一點(diǎn)與普通煤層綜放面超前支承壓力峰值點(diǎn)前移不同。

(3)煤柱上側(cè)方支承壓力峰值點(diǎn)到煤幫距離較小 (3m)，不同于普通煤層側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律。

(4)煤柱受采動(dòng)影響穩(wěn)定之后，煤柱表現(xiàn)出明顯的破碎垮落區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。

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