基于“整條測線”應(yīng)力變化確定超前支護(hù)距離的研究

許 濤

(中國煤炭科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

巷道支護(hù)是深井厚煤層綜放工作面需要解決的主要問題，如山東某礦綜放面在回采時(shí)巷道兩幫寬度由4.5m縮至3m，頂?shù)装逡平考s900mm，巷道最窄處僅能容一人通過，為接續(xù)生產(chǎn)，不得不對回采巷道進(jìn)行一次甚至多次擴(kuò)幫，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度、增大生產(chǎn)成本。回采巷道變形之所以難以控制主要因?yàn)榛夭上锏莱爸ёo(hù)距離設(shè)計(jì)不合理，而超前支護(hù)距離的確定需要對超前支承壓力息息相關(guān)。

眾多學(xué)者對支承壓力進(jìn)行了大量的研究[1-10]。陳亮[11]等人利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了工作面采空區(qū)人工放頂?shù)捻敯蹇迓涓叨群涂迓浣菍Σ蓤龀爸С袎毫Ψ植家?guī)律的影響；金珠鵬[12]等通過煤巖力學(xué)分析、FLAC3D數(shù)值模擬分析了采高、埋深對于大采高工作面支承壓力的影響；劉金海[13]等人通過分析單測點(diǎn)應(yīng)力變化特征深入研究了工作面走向、側(cè)向支承壓力分布特征。

以上研究為探究超前支承壓力分布規(guī)律提供了豐富的理論基礎(chǔ)。但在分析鉆孔應(yīng)力的數(shù)據(jù)時(shí)，主要通過分析單個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力變化特征來認(rèn)定工作面超前支承壓力影響范圍，進(jìn)而確定工作面超前支護(hù)距離。這種“以點(diǎn)定面”的研究方法忽略一個(gè)事實(shí)：測點(diǎn)位置不同，上覆巖層的破斷高度不同，應(yīng)力的變化特征也不同，確定的超前支護(hù)距離存在差異。因此僅分析孤點(diǎn)的應(yīng)力變化來確定超前支護(hù)距離是不夠準(zhǔn)確的。為此以新巨龍礦某工作面為工程背景，運(yùn)用現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析和數(shù)值模擬的方法，研究了深井厚煤層綜放面超前支承壓力演化規(guī)律，對比分析了“以孤點(diǎn)應(yīng)力變化”和“以測線應(yīng)力變化”確定超前支護(hù)距離的差異性，結(jié)合超前支承壓力演化規(guī)律的模擬結(jié)果，確定了準(zhǔn)確的超前支護(hù)距離。

1 工作面概況

砂墩子煤礦目前開采02工作面，埋深1000m左右，煤厚10m，工作面面寬220m，推進(jìn)長度900m，工作面采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。

為了監(jiān)測整條測線超前支承壓力變化特征，在運(yùn)輸巷布置一組長度為120m的測線，測線上測點(diǎn)間隔為30m，共5個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)距離底板1.3m，鉆孔深度8m，具體測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測點(diǎn)布置

2 超前支承壓力演化規(guī)律

為確定準(zhǔn)確的超前支護(hù)距離，對綜放面超前支承壓力演化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測分析。隨著工作面的推進(jìn)，測線內(nèi)各個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力變化特征如圖2所示。由圖2可知，在測線內(nèi)，“0m”與“90m”測點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢重復(fù)，“30m”與“120m”測點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢重復(fù)，且0m測點(diǎn)應(yīng)力最大值大于30m測點(diǎn)應(yīng)力的最大值。說明“0m”與“90m”測點(diǎn)、“30m”與“120m”測點(diǎn)對應(yīng)的巖層破斷高度一致，且“0m”測點(diǎn)上覆巖層的破斷高度要大于“30m”測點(diǎn)上覆巖層的破斷高度。這是因?yàn)轫敯迤茢嗑哂兄芷谛裕?dāng)采面推采至2-1(“0m”)測點(diǎn)時(shí)，頂板破斷高度發(fā)育至最大高度，已完成了一個(gè)周期破斷；采面繼續(xù)推采時(shí)，頂板破斷進(jìn)入下一個(gè)破斷周期，破斷高度從低位向高位發(fā)育，推采至測點(diǎn)2-2(“30m”)時(shí)，頂板破斷高度處于低位；繼續(xù)推采至2-3(“60m”)測點(diǎn)時(shí)，頂板破斷高度向上發(fā)育但仍未達(dá)到最大高度；當(dāng)采面推采至2-4(“90m”)測點(diǎn)時(shí)，頂板破斷高度發(fā)育至最大高度，高度與推采至2-1(“0m”)測點(diǎn)一樣；隨后推采至2-5(“120m”)測點(diǎn)，頂板破斷高度又處于低位，與推采至2-2(“30m”)測點(diǎn)一樣的破斷高度。說明測點(diǎn)位置不同，上覆巖層的破斷高度不同，應(yīng)力變化特征也會不同，確定的超前支護(hù)距離存在差異。因此以單個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力變化特征確定超前支護(hù)距離是不夠準(zhǔn)確的，必須以整條測線為研究對象，且測線能夠包含一個(gè)頂板破斷周期，分析其應(yīng)力變化特征，進(jìn)而確定超前支護(hù)距離。

圖2 測點(diǎn)鉆孔應(yīng)力變化折線圖

3 超前支護(hù)距離的確定

為驗(yàn)證“以單測點(diǎn)應(yīng)力變化確定超前支護(hù)距離是不夠準(zhǔn)確”結(jié)論的正確性，從兩個(gè)角度分析了同一組鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)：首先以“單個(gè)測點(diǎn)”為研究對象，分析其應(yīng)力變化特征，確定超前支護(hù)距離，并作為對照組；其次以“整條測線”為研究對象，分析其應(yīng)力變化特征，確定超前支護(hù)距離，作為實(shí)驗(yàn)組。

采動(dòng)的超前影響距離分為兩個(gè)區(qū)段：輕微采動(dòng)影響區(qū)和嚴(yán)重采動(dòng)影響區(qū)，嚴(yán)重采動(dòng)影響區(qū)范圍即超前支護(hù)距離。每個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)初始打壓值為5.3～6MPa，根據(jù)大量的測點(diǎn)應(yīng)力變化折線圖發(fā)現(xiàn)，7MPa是鉆孔應(yīng)力顯著上升的拐點(diǎn)，8MPa是鉆孔應(yīng)力急劇上升的拐點(diǎn)。因此認(rèn)為當(dāng)鉆孔應(yīng)力值超過7MPa時(shí)，鉆孔受到輕微采動(dòng)影響，當(dāng)應(yīng)力值大于8MPa時(shí)，鉆孔受到嚴(yán)重采動(dòng)影響。

3.1 根據(jù)“單個(gè)測點(diǎn)”支承壓力變化特征確定超前支護(hù)距離

由圖3(a)～(e)可知，各個(gè)測點(diǎn)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)區(qū)的范圍分別是65m，53m，60m，105m，80m，可知嚴(yán)重?cái)_動(dòng)區(qū)范圍是53～105m，均值為72m，在現(xiàn)場實(shí)踐中礦上最終確定超前支護(hù)距離為72m。

圖3 “單個(gè)測點(diǎn)”應(yīng)力曲線

3.2 根據(jù)“整條測線”支承壓力變化特征確定超前支護(hù)距離

由圖4(a)知，測線內(nèi)所有測點(diǎn)的應(yīng)力值均處于打壓值范圍，未受采動(dòng)影響，此時(shí)工作面距離測線120m。

由圖4(b)—(e)知，當(dāng)工作面接近測線時(shí)，測線內(nèi)應(yīng)力由近及遠(yuǎn)依次升高，應(yīng)力曲線呈現(xiàn)“近高遠(yuǎn)低”形態(tài)，說明測線由近及遠(yuǎn)依次受到采動(dòng)影響，且采動(dòng)影響范圍擴(kuò)大；每個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力隨采面推進(jìn)不斷增大，經(jīng)歷著“未受擾動(dòng)→輕微擾動(dòng)→嚴(yán)重?cái)_動(dòng)→峰值”四個(gè)階段。

由圖4(e)—(j)知，當(dāng)工作面推過測線位置時(shí)，測線內(nèi)應(yīng)力曲線不再呈現(xiàn)“近高遠(yuǎn)低”形態(tài)，而是“近乎水平”形態(tài)，水平跨距為90m，且曲線應(yīng)力值以8MPa作為起點(diǎn)逐漸上升，因此嚴(yán)重?cái)_動(dòng)區(qū)范圍是90m，而根據(jù)單個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力變化特征得到的超前支護(hù)距離均值為72m，則兩者差距18m。

圖4 “整段測距”內(nèi)應(yīng)力變化曲線

同一組數(shù)據(jù)通過不同的分析方法得到了兩種不同結(jié)果，且誤差達(dá)到18m，為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對工作面超前支承壓力的演化過程進(jìn)行研究。

3.3 數(shù)值模型的建立及參數(shù)選取

根據(jù)煤礦地質(zhì)條件，建立工作面開采的三維數(shù)值模型，如圖5所示。模型長為320m，其中推進(jìn)長度為240m，兩邊各留40m邊界煤柱，模型寬300m，其中工作面寬220m，兩邊各留40m煤柱，模型高為90m。

圖5 三維模型圖

模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底面限制垂直移動(dòng)，頂部施加22.12MPa的垂直應(yīng)力，選用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則。各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

已知煤層埋深1000m，原巖應(yīng)力為24MPa，則煤層開采后煤層應(yīng)力大于24MPa的區(qū)域即為受采動(dòng)影響的范圍，當(dāng)應(yīng)力值為27.5～30MPa時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)系數(shù)為1.14～1.25，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定應(yīng)力值為27.5～30MPa的區(qū)域?qū)儆谳p微擾動(dòng)區(qū)，當(dāng)應(yīng)力值為大于30MPa時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)大于1.25，設(shè)定應(yīng)力值大于30MPa的區(qū)域?qū)儆趪?yán)重?cái)_動(dòng)區(qū)。

3.4 超前支護(hù)距離的認(rèn)定

工作面開挖完畢后，沿推進(jìn)方向截取了開挖55m，75m、105m時(shí)工作面中部垂直應(yīng)力云圖，如圖6所示。

圖6 工作面開采時(shí)垂直應(yīng)力云圖

由圖6(a)、(b)、(c)可知，當(dāng)工作面推采55m，75m、105m時(shí)，嚴(yán)重?cái)_動(dòng)區(qū)的范圍分別為92m，90m，112m，嚴(yán)重?cái)_動(dòng)區(qū)的平均長度是98m，與“以測線應(yīng)力變化特征確定超前支護(hù)距離”的結(jié)果相近。而在現(xiàn)場實(shí)踐中礦上確定超前支護(hù)距離為72m時(shí)，巷道變形過大，說明超前支護(hù)距離過短，因此超前支護(hù)距離定為90m更準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

為了確定深井厚煤層綜放面準(zhǔn)確的超前支護(hù)距離，通過研究綜放面超前支承壓力演化規(guī)律，并從“單個(gè)測點(diǎn)”和“整條測線”兩個(gè)角度分析應(yīng)力變化特征進(jìn)而確定超前支護(hù)距離，對比分析了兩者的結(jié)果，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)踐確定了準(zhǔn)確的超前支護(hù)距離。得到以下結(jié)論：

1)測點(diǎn)位置不同，上覆巖層的破斷高度不同，應(yīng)力變化特征也會不同，確定的超前支護(hù)距離存在差異。

2)以單個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力變化確定超前支護(hù)距離為58～105m，均值72m，以整條測線應(yīng)力變化確定超前支護(hù)距離為90m，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)踐，認(rèn)為以測線為研究對象分析其應(yīng)力變化特征確定的超前支護(hù)距離更準(zhǔn)確。

3)采面未推采測線時(shí)，測線內(nèi)應(yīng)力曲線圖呈現(xiàn)“近高遠(yuǎn)低”形態(tài)；采面推采監(jiān)控區(qū)時(shí)，測線內(nèi)應(yīng)力曲線呈現(xiàn)“近乎水平”形態(tài)，且以8MPa為起點(diǎn)向上增加，水平跨距為90m。