堅(jiān)硬頂板綜采面支撐壓力分布規(guī)律研究

陳萌萌 劉輝 霍曉林

摘 要：為了研究堅(jiān)硬頂板工作面支承壓力分布規(guī)律，以1113工作面為研究對象，采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測等手段，分析了回采面超前支承壓力、傾向支承壓力分布規(guī)律。結(jié)果表明，在走向方向上，回采面超前支承壓力顯著影響范圍為30m;在傾向方向上，回采面中下部受到影響顯著，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對進(jìn)風(fēng)巷的超前支護(hù)。

關(guān)鍵詞：堅(jiān)硬頂板;支承壓力;超前支護(hù);應(yīng)力集中

中圖分類號：TD323文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2019）11-0068-03

Abstract： In order to study the distribution law of abutment pressure in hard roof working face， taking 1113 working face as the research object， the distribution law of advance abutment pressure and inclined abutment pressure in mining face was analyzed by means of numerical simulation and field measurement. The results show that in the direction of strike， the influence range of advance abutment pressure in mining face is 30m， and in the direction of inclination， the middle and lower parts of mining face are affected. To have a significant impact， we should focus on strengthening the advance support of the air intake roadway.

Keywords： hard roof;abutment pressure; advance support;stress concentration

萬峰礦開采的1#煤層頂板較為堅(jiān)硬，若采空區(qū)頂板突然斷裂，會給回采工作帶來嚴(yán)重影響。加強(qiáng)對回采面礦壓分布規(guī)律的研究，不僅可以掌握回采面頂板垮落情況，而且有利于指導(dǎo)采面頂板管理、回采巷道超前支護(hù)，對保證回采的正常開展具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

1113回采工作面北側(cè)為1111回采工作采空區(qū)，南側(cè)為實(shí)體煤，埋藏深度約為580m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，1113回風(fēng)采區(qū)間會受到F113回-01、F113回-03等多條斷層的影響，1號煤層傾角在2°～10°，平均傾角為6°，煤層厚度在1.6m，礦井水文地質(zhì)條件中等。1113回采工作面基本頂為細(xì)砂巖，較為堅(jiān)硬，厚度在16.5m;直接頂為泥巖，層狀結(jié)構(gòu)，厚度在1.47m;直接底為泥巖，厚度1.2m;基本底為粉砂巖，厚度在12.3m[1]。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

建立的模型中，x軸表示煤層的走向方向，y軸表示煤層傾向，z軸為豎向方向。模擬模型x、y、z方向長度分別為250、250和125m，采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算[2]。受到建立的模型高度的限制，在模型的上邊界施加豎向的等效應(yīng)力q。豎向等效應(yīng)力可以根據(jù)煤層埋深以及上覆巖層厚度計(jì)算確定，具體的計(jì)算公式為[3]：

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 走向支承應(yīng)力。在模擬的1113回采面前方設(shè)定應(yīng)力測點(diǎn)，對開采引起的超前支承壓力分布情況進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，不同層位回采引起的支承壓力范圍及壓力集中系數(shù)各有不同。在1#層頂板上部60m位置處，最大支承應(yīng)力值為13.9MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.16，超前支承壓力峰值位置位于回采面前方14m位置處，劇烈影響范圍為回采面前方8～18m，超前支承壓力影響范圍約為58m[4]。

在煤層頂板30m位置處，最大支承應(yīng)力值為15.4MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.23，超前支承壓力峰值位置位于回采面前方13m位置處，劇烈影響范圍為回采面前方6～23m，超前支承壓力影響范圍約為60m。

在煤層頂板5m位置處，最大的支承應(yīng)力值為21.4MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.69，超前支承壓力峰值位置位于回采面前方10m位置處，劇烈影響范圍在回采面前方6～35m，超前支承壓力影響范圍約為60m。

在煤層底板2m位置處，最大的支承應(yīng)力值為24.3MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.92，超前支承壓力峰值位置位于回采面前方12～14m位置處，劇烈影響范圍在回采面前方6～36m，超前支承壓力影響范圍約為60m。

2.2.2 傾向支承應(yīng)力。回采工作面回風(fēng)巷受到的回采影響較小。回風(fēng)巷側(cè)基本無應(yīng)力集中峰值，工作面的進(jìn)風(fēng)巷受回采影響較大，側(cè)向支承壓力峰值在回采面前方煤壁上方9m位置處，在進(jìn)風(fēng)巷下側(cè)應(yīng)力集中峰值位置距離巷道煤壁距離在5m左右。在回采面頂板5m位置處的測點(diǎn)側(cè)得的側(cè)向應(yīng)力集中程度較為明顯，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.89，其余的底板5m，頂板30m以及60m測點(diǎn)測定的應(yīng)力集中不明顯[5]。

在工作面前方實(shí)體煤傾斜方向上支承壓力表現(xiàn)為中上部受到開采影響不明顯，中下部支承壓力顯著增加;在回采面前放15m左右，支承壓力處于峰值;在回采面前方30m以外基本不受開采影響。

3 現(xiàn)場實(shí)測分析

在回采面進(jìn)風(fēng)側(cè)超前回采面120m位置布置位移觀測站，對進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形情況進(jìn)行分析，觀測結(jié)果如圖2所示。

隨著回采工作面的不斷推進(jìn)，在回采面前方60m范圍時，位移計(jì)開始出現(xiàn)變化，變化數(shù)值均較小，從回采面前方60m到回采面前方30m位置時，進(jìn)風(fēng)巷周邊巖層變形量逐漸增大，但變形量值整體較小。當(dāng)測站距離回采面30m以內(nèi)時，巷道周邊巖層位移出現(xiàn)較大幅度的增加，其中以巷道兩幫的變形量值最大。隨著回采面的不斷推進(jìn)，在距離回采面前方4m位置時，進(jìn)風(fēng)巷回采面?zhèn)认飵妥冃瘟恳呀?jīng)達(dá)到1 160mm，實(shí)體煤側(cè)巷幫的變形量值也達(dá)到890m，兩幫的總變形量達(dá)到2 050mm，占進(jìn)風(fēng)巷巷道凈寬的44.6%，巷道頂板變形量最大值達(dá)到505mm，底板的最大底鼓量達(dá)到360mm[6]。

巷道變形主要表現(xiàn)為巷道兩幫位移，主要是1#煤層頂板、底板堅(jiān)硬，在回采引起的超前支承壓力作用下面，頂?shù)装灞３州^好的完整性。同時，由于煤層的強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于砂巖，在支承壓力作用下，頂板下沉造成煤幫受到加大的豎向應(yīng)力作用。當(dāng)煤體強(qiáng)度不足以抵抗受到的豎向應(yīng)力作用時，煤體會向軟弱空間（進(jìn)巷道）移動，從而引起較大的巷道兩幫變形。由此，可采取增加回采巷道超前支護(hù)使用的單體數(shù)量來減少進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形。

從現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出，回采引起的支承壓力影響范圍在回采面前方60m左右，影響較為明顯的范圍為回采面前方30m范圍，因此回采工作面回風(fēng)巷超前支護(hù)的范圍為30m[7]。

4 結(jié)語

1113回采工作面超前支承壓力影響范圍為回采面前方60m，顯著影響區(qū)域?yàn)榛夭擅媲胺?0m，超前支承壓力峰值位于回采面前方15m左右位置;回采面的回風(fēng)巷不受超前支承壓力影響，進(jìn)風(fēng)巷受超前支承壓力影響顯著;在對回采巷道支護(hù)時應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對進(jìn)風(fēng)巷的支護(hù);同時，由于回采面頂板較為堅(jiān)硬，回采期間應(yīng)加強(qiáng)對礦壓觀測;頂板出現(xiàn)較大懸露時可以采用強(qiáng)制放頂措施，降低對回采面開采的影響。

參考文獻(xiàn)：

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