武甲煤礦3101綜采工作面支承壓力分布規律

楊建龍

(山西陽泰集團 晶鑫煤業公司，山西 晉城 048100)

在煤礦開采過程中，隨著工作面的推進，在煤壁前方會形成超前支承壓力，其峰值位置與大小直接影響著工作面頂板的控制和支架受力。多年來，許多專家學者采用理論計算、數值模擬和現場實測的方法，對綜采工作面煤壁前方超前支承壓力的分布規律進行了研究，取得了許多實踐成果，為綜采工作面的支護參數和煤柱留設提供了依據[1-3]。本文以武甲煤礦3101綜采工作面地質條件為背景，采用理論計算的方法，對該工作面煤壁前方超前支承壓力分布規律進行分析，以期為工作面的安全生產奠定基礎。

1 工程概況

武甲煤礦是一個兼并重組整合礦井，隸屬于山西陽泰集團晶鑫煤業公司，距陽城縣城30 km，該礦井田大部分處于陽城縣的西北部，另有一小部分位于沁水縣境內，行政區劃屬陽城縣芹池鎮與沁水縣龍港鎮管轄。礦井以+437 m水平開發井田內3號煤層，設計生產能力為120萬t/a,采用兩個斜井(主、副斜井)與一個立井(副井)的開拓方式，實現長壁式綜合機械化采煤。在主、副斜井落底附近沿正西向至井田中部邊界8號拐點，布置西集中開拓大巷先期開采一采區，西集中膠帶運輸大巷、西集中軌道運輸大巷和西集中回風大巷均沿著3號煤層底板下15 m處的巖層布置。一采區東西長1.85 km，南北寬1.79 km，采區面積為3.312 km2，設計可采儲量為1 280萬t，可服務年限約7.6 a。

3101工作面是礦井一采區首采工作面，采用綜合機械化一次采全高回采工藝。煤層蓋山厚度340 m，煤層平均厚度為4.49 m，平均傾角為5°。煤層直接頂為細砂巖和砂質泥巖，厚度為0.9 m～13.0 m，平均6.8 m；偽頂為深灰色泥巖，含植物化石，不穩定，開采時隨煤層一起脫層垮落,厚度為0.7 m；直接底為灰黑色粉砂質泥巖，厚度為6.52 m，含植物化石。

2 影響支承壓力分布的主要因素

煤層開采后，由于煤體產生支承壓力使圍巖應力狀態發生改變，進而降低了煤壁的穩定性。一般來講，影響工作面支承壓力分布的主要因素有煤層厚度、煤體硬度與工作面推進速度三個方面。

1) 煤體硬度。通常用普氏系數f來表示煤體的軟硬程度，其大小與煤體的單軸抗壓強度Rc成正比，一般將其表示為f=Rc/10。煤體的單軸抗壓強度Rc又反映支承壓力峰值與煤壁距離關系，由以上公式可知，普氏系數反映了煤體單軸抗壓強度的變化,普氏系數增大說明煤體硬度大,反映支承壓力的峰值位置接近煤壁；普氏系數小說明煤體硬度小,反映支承壓力峰值位置將遠離煤壁。

2) 煤層厚度。煤層厚度對煤體的支承壓力分布規律有著較大影響，通常情況下煤層厚度越小，支承壓力峰值位置與煤壁的距離越近；煤層厚度越大，支承壓力峰值位置與煤壁的距離越遠。

3) 工作面推進速度。煤體的支承壓力分布規律與工作面推進速度存在相互影響，工作面的推進速度慢，支承壓力峰值位置距離煤壁趨遠；工作面的推進速度快，支承壓力峰值位置越趨向煤壁方向；當工作面推進速度達到一定值時，其對支承壓力峰值位置的影響將消失。

3 支承壓力的分布規律

3.1 支承壓力峰值點位置計算

為了準確掌握支承壓力峰值位置與煤壁的距離，采用理論計算和回歸分析法，驗證并確定支承壓力峰值位置。

1) 理論計算。工作面支承壓力峰值位置，一般用下式計算：

(1)

將以上各數據代入(1)式，即得到3101工作面支承壓力峰值與煤壁的距離：

L=5.24 m

2) 回歸法分析。由上面的分析顯示，工作面支承壓力峰值位置與煤體硬度f和煤層厚度M及工作面推進速率v三個因素相關。根據相關研究，在總結大量實驗數據基礎上，建立了關于支承壓力峰值位置的多元回歸分析方程：

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

(2)

式中：f為普氏系數，取2.3；v為工作面推進速度，取5.5 m/d。

將上述數據代入公式(2)，得到支承壓力峰值位置與煤壁的距離：

L=33.72-6.42×2.3-0.01×4.49-2.25×5.5

=6.53 m

3) 確定支承壓力峰值位置。由以上理論計算和回歸分析法確定，3101工作面的支承壓力峰值位置距離煤壁約在5.24～6.53 m之間。

3.2 支承壓力峰值計算

根據巖石力學理論，通常煤壁承受支承壓力與超前支承壓力峰值的關系，可用下式表示：

σf=2.729(ηRc)0.729

(3)

式中：σf為支承壓力峰值的大小，MPa；η為煤巖流變系數，取0.45；Rc為煤體單軸抗壓強度，取23 MPa。

將數據代入式(3)得：

σf=2.729×(0.45×23)0.729=14.99 MPa

計算得知，3101工作面煤壁所承受的超前支承壓力，其峰值大小為14.99 MPa。

3.3 支承壓力影響范圍

煤層開采后，煤體周圍巖體在支承壓力的影響下產生塑性區和彈性區兩個區域，設支承壓力影響范圍為：

x=T+G

(4)

式中:x為支承壓力影響范圍，m；T為塑性區寬度，m；G為彈性區寬度，m。

支承壓力塑性區寬度T，即是煤壁與支承壓力峰值位置的距離，由公式(1)、(2)的計算可知，T=L=5.24～6.53 m。

支承壓力彈性區的寬度G，可以通過公式(5)計算得：

(5)

式中：β為側壓系數，取β=1.2；其它符號的含義同前。

將相關數據代入公式(5)，得到支承壓力彈性區的寬度為：

G=10.37 m

將上述計算結果代入公式(4)得：X=(5.24～6.53)+10.37=15.61～16.9 m。

由此可以看出，武甲煤礦3101工作面支承壓力的影響范圍處于15.61～16.9 m之間。

4 結 語

1) 分析了煤體硬度、煤層厚度和工作面推進速度與支承壓力的相互關系。

2) 通過理論計算和回歸分析法，得出了武甲煤礦3101工作面支承壓力的峰值位置在距離煤壁5.24～6.53 m處、峰值大小為14.99 MPa、支承壓力影響范圍為15.61～16.90 m。為合理確定護巷煤柱參數和超前支護設計提供參考。

3) 由于煤體硬度和煤層厚度是不可改變的因素，因此，在工作面回采過程中，要掌握好推進速度對支承壓力的影響，避免出現超前或滯后來壓，保證工作面生產安全。