馮衛(wèi)國

【摘 要】 隨著采高的增大，工作面超前支承壓力與普通采高工作面相比會有較大變化。針對此現(xiàn)象，以山西某礦22203大采高工作面為背景，采用理論計(jì)算對超前支承壓力大小和影響范圍進(jìn)行了分析，并通過現(xiàn)場實(shí)測方法確定22203工作面采場超前支承壓力峰值點(diǎn)與煤壁的距離在3.5～5m內(nèi)，大小為6.5MPa，超前支承壓力影響范圍約為26m。實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算所得相近，表明該理論計(jì)算方法可對現(xiàn)場工作起到一定指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】 大采高;超前支承壓力;極限平衡理論;現(xiàn)場實(shí)測

【中圖分類號】 TD32 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）03-0001-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

大采高工作面推進(jìn)后，回采空間周圍巖體的受力壞境會受到影響，形成新的平衡狀態(tài)。支承應(yīng)力的分布對工作面的礦壓顯現(xiàn)有著決定性作用，由于大采高工作面采高的增大，工作面周圍的應(yīng)力水平與普通采高相比有著很大的變化。王陸軍等以神東礦區(qū)大采高工作面條件為基礎(chǔ)，對工作面來壓影響因素進(jìn)行了分析，確定頂板關(guān)鍵塊體是影響來壓的主導(dǎo)因素;宋選民等對大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了實(shí)測，得到工作面長度與工作面來壓強(qiáng)度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系。目前大多數(shù)研究成果多集中在工作面礦壓規(guī)律實(shí)測方面，對工作面周圍應(yīng)力分布的理論定性仍有一定的缺陷，因此對工作面超前支承壓力分布特征進(jìn)行研究對指導(dǎo)工作面安全生產(chǎn)有著重要的作用。

1 礦井概況

山西某礦開采煤層為2號煤層，煤層埋深平均為150m，傾角平均為3°，在井田開采范圍內(nèi)煤層無大型結(jié)構(gòu)存在，煤層賦存穩(wěn)定。22203工作面為大采高工作面，工作面采高為6.0m，工作面傾斜長度為240m，推進(jìn)長度為1400m。煤層的直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度平均為2.7m，基本頂為粉砂巖，厚度平均為5.8m，底板為砂質(zhì)泥巖與細(xì)砂巖互層，厚度平均為14.3m（如圖1）。

2工作面超前支承應(yīng)力計(jì)算

由于工作面煤層開采以后，回采空間周圍巖體的受力壞境會受到影響，形成新的平衡狀態(tài)，在工作面煤壁位置，受到頂板巖層彎曲下沉形成的載荷，煤壁常出現(xiàn)塑性破壞，一般將塑性破壞區(qū)稱作極限平衡區(qū)，而在煤壁深部位置，煤體依次為彈性區(qū)與原巖應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，對工作面超前支承壓力的計(jì)算多采用極限平衡區(qū)與彈性區(qū)理論。

2.1極限平衡區(qū)內(nèi)超前支承壓力分析

對煤壁前方超前支承應(yīng)力的計(jì)算需將煤層視作均質(zhì)連續(xù)的各向同性體，從煤層內(nèi)抽取一單元體，假設(shè)該單元體的長度為1，寬度為dx。在x方向上，單元體兩側(cè)的應(yīng)力分別為σx和σx+dx，單元體在y方向上支承壓力為σy，受力分析情況如圖2所示。

當(dāng)煤體位于極限平衡區(qū)時，對單元體受力進(jìn)行計(jì)算，x方向極限平衡方程為：

對支承壓力σy進(jìn)行計(jì)算可得：

式中，M為工作面開采高度，m;f為煤層與頂板巖層之間的摩擦系數(shù);φ為煤層的內(nèi)摩擦角，°;x為單元體到工作面煤壁的距離，m;τ0cotφ為煤體內(nèi)部的支撐力。

當(dāng)煤體承受的應(yīng)力達(dá)到最大時，應(yīng)力為σymax=KγH，因此支承壓力峰值位置x0為：

式中，k為煤體內(nèi)的應(yīng)力集中系數(shù);γ為煤層的容重，kN/m3;H為煤層的埋深。

上述公式可以得出，煤體在極限平衡區(qū)時，超前支承壓力峰值大小與位置和工作面煤層埋深呈現(xiàn)對數(shù)增長關(guān)系。當(dāng)煤層埋深在較小范圍內(nèi)時，煤體內(nèi)的支承壓力隨著埋深的增大，支承壓力變化幅度較大;當(dāng)埋深增大到一定值后，其對煤體承受的支承壓力影響作用減弱，主要表現(xiàn)為峰值的位置向深部轉(zhuǎn)移。

2.2彈性區(qū)內(nèi)支承壓力分析

一般采場彈性區(qū)內(nèi)的超前支承壓力計(jì)算公式為：

由上式可得彈性區(qū)寬度x1為：

其中：

式中，β為非凈水應(yīng)力，β0為凈水應(yīng)力，MPa;λ為煤體的測壓系數(shù)，λ=μ/（1-μ），μ為泊松比。

從上述公式可以看出，當(dāng)煤體在彈性區(qū)時，對于采場超前支承壓力、應(yīng)力大小同樣主要受煤層埋深影響，但彈性區(qū)范圍主要由采高決定，采高越大，彈性區(qū)范圍越大。

該礦井煤層條件如表1所示。將數(shù)據(jù)帶入，對22203工作面超前煤壁內(nèi)承受的應(yīng)力大小、位置以及其影響范圍進(jìn)行計(jì)算，可得煤壁超前應(yīng)力最大為6.9MPa，位于煤體內(nèi)3.9m，影響范圍為25.3m。

3超前支承壓力現(xiàn)場觀測

上文通過理論方法對工作面超前支承壓力峰值點(diǎn)與進(jìn)行了計(jì)算，確定采場超前支承壓力峰值點(diǎn)位于煤體內(nèi)3.9m，受超前支承壓力影響區(qū)域約為25.3m。為驗(yàn)證該理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在22203工作面現(xiàn)場對采場超前支承壓力進(jìn)行了實(shí)測，超前支承壓力主要通過鉆孔應(yīng)力計(jì)與錨桿測力計(jì)測量，鉆孔應(yīng)力計(jì)與錨桿測力計(jì)布置在與工作面煤壁50m距離的位置，可監(jiān)測工作面推進(jìn)50m內(nèi)的超前支承壓力變化情況。

圖3、4為輔助運(yùn)輸巷實(shí)體煤側(cè)鉆孔應(yīng)力計(jì)與錨桿測力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)圖，該圖反應(yīng)了工作面推進(jìn)過程中應(yīng)力的變化特征，根據(jù)上圖數(shù)據(jù)，以超前支承壓力的變化情況與原巖應(yīng)力大小為基礎(chǔ)，可將工作面前方受到回采影響的煤體分為三個區(qū)域，各個區(qū)域的主要特征如下：

第一影響區(qū)域：超前支承壓力影響嚴(yán)重區(qū)域，該區(qū)域?yàn)楣ぷ髅婷罕谇胺?m內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)，超前支承壓力先增大再降低，增大速度較快，在煤壁前方3.5～5m范圍達(dá)到最大，峰值為6.5MPa，達(dá)到峰值后開始降低，并且降低速度較快。受到超前支承壓力的劇烈影響，巷道內(nèi)局部位置由片幫情況出現(xiàn)。

第二影響區(qū)域：超前支承壓力采動減弱區(qū)域，該區(qū)域?yàn)楣ぷ髅婷罕谇胺?～26m內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)，超前支承壓力均大于原巖應(yīng)力，超前支承壓力呈現(xiàn)降低過程，但降低速度已經(jīng)趨于平緩。

第三影響區(qū)域：無采動影響區(qū)域，該區(qū)域與煤壁的距離大于26m，此范圍內(nèi)，超前支承壓力基本無變化出現(xiàn)，壓力比較穩(wěn)定。

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以得出，超前支承壓力最大值位于煤壁前方3.5～5m位置，大小為6.5MPa，影響區(qū)域主要為0～26m范圍內(nèi)，而大于26m后，煤體受到工作面開采的影響較小。這與理論計(jì)算所得結(jié)果相近，表明該理論計(jì)算超前支承壓力的方法能夠?qū)ぷ髅娆F(xiàn)場工作起到一定的指導(dǎo)作用。

4結(jié)論

本文以山西某礦大采高工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對工作面超前支承壓力進(jìn)行了理論計(jì)算與實(shí)測研究，研究結(jié)果具體如下：

（1）根據(jù)極限平衡區(qū)理論與彈性區(qū)理論，對工作面超前支承壓力峰值與峰值位置進(jìn)行了分析，確定影響壓力大小的因素包括煤層的埋深與工作面的采高。理論計(jì)算得出22203工作面最大超前支承壓力為6.9MPa，峰值位置位于煤壁前方3.9m，影響范圍為25.3m。

（2）通過現(xiàn)場實(shí)測得出22203工作面采場超前支承壓力峰值在煤壁前方3.5～5m內(nèi)，大小為6.5MPa，超前支承壓力影響范圍約為26m?，F(xiàn)場實(shí)測與理論計(jì)算結(jié)果相近，表明該理論計(jì)算方法能夠?qū)ぷ髅娆F(xiàn)場工作起到一定的指導(dǎo)作用。

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