長城煤礦深井工作面超前支承壓力分布規(guī)律實(shí)測研究

張樹勇

(新礦內(nèi)蒙古能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂托克前旗 016200)

不同煤層在相同的開采條件下，可能有不同的支承壓力分布形式[1-4]。即使煤層條件和開采技術(shù)條件相同，但由于開采深度不同，工作面推進(jìn)到不同部位，其分布構(gòu)成往往也不一樣。研究表明，煤體存在塑性區(qū)，并且出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力場是與頂板巖層在煤壁前方斷裂破壞相對(duì)應(yīng)的。

深井開采條件下，開采深度增加，圍巖的受力情況更加復(fù)雜，煤壁的破碎區(qū)和塑性區(qū)的增大使圍巖更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。同時(shí)塑性區(qū)分布范圍將隨采深的增大而增大，支承壓力的峰值位置至煤壁的距離也隨著采深的增加而增加，相應(yīng)的支承壓力的分布范圍也將增大。為研究長城煤礦1301工作面支承壓力分布特征，本文采用現(xiàn)場實(shí)測的方法分析深井工作面支承壓力分布，進(jìn)而為超前支護(hù)方案確定及沖擊地壓防治提供依據(jù)。

1 工程背景

長城煤礦1301采煤工作面位于山西組上部，埋藏標(biāo)高+190～+1 000 m，可采上限標(biāo)高+930～+1 000 m，平均+865 m；煤層厚度3.03～3.56 m，平均3.2 m，煤層傾角22°。采用滾筒式采煤機(jī)綜采采煤工藝，工作面平均長度170 m，設(shè)計(jì)采煤機(jī)截深0.8 m，工作面采用端頭斜切進(jìn)刀，往返一次割一刀單向割煤方式。采用垮落法管理頂板。煤層頂板巖性主要為粉砂巖和中粒砂巖，局部粗粒砂巖和泥巖，厚度0.35～16.37 m，平均6.39 m，偶見偽頂；底板巖性以泥巖為主，粉砂巖次之，局部為砂質(zhì)泥巖，厚度0.46～7.58 m，平均1.59 m。

2 監(jiān)測方案

圍巖內(nèi)部支承壓力采用KSE-Ⅱ-1型鉆孔應(yīng)力計(jì)測量。KSE-Ⅱ-1型鉆孔應(yīng)力計(jì)是由壓力傳感器和數(shù)字顯示儀(KSE-Ⅱ型鋼弦測力儀)組成的分離型鋼弦振動(dòng)式測頻數(shù)字儀器，壓力傳感器的鉆孔壓力枕采用充油膨脹的特殊結(jié)構(gòu)。用于煤礦井下煤巖體內(nèi)相對(duì)壓力測量。

在1301工作面輔助運(yùn)輸平巷、運(yùn)輸平巷實(shí)體煤及窄煤柱幫，共布置3個(gè)測站，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，回采煤體內(nèi)最深鉆孔為14 m，鉆孔應(yīng)力計(jì)易受鉆孔安裝直徑、安裝角度、油壓以及應(yīng)力計(jì)本身等條件的影響，且鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝后部分受到破壞，1301工作面共安裝3組共14套鉆孔應(yīng)力計(jì)。具體布置方式如圖1所示。

圖1 1301工作面鉆孔應(yīng)力計(jì)布置示意

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 工作面超前支承壓力

1) 輔助運(yùn)輸平巷超前支承壓力分析。輔助運(yùn)輸平巷回采煤體內(nèi)共安裝KSE-Ⅱ-1型鉆孔應(yīng)力計(jì)5套：2 m，5 m，8 m，10 m，14 m。其中，2 m，10 m鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝后受到破壞，未能正常讀數(shù)。觀測所得數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2～圖4及表1所示。

圖2 輔助運(yùn)輸平巷回采煤體5 m鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力曲線

圖3 輔助運(yùn)輸平巷回采煤體8 m鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力曲線

圖4 輔助運(yùn)輸平巷回采煤體14 m鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力曲線

表1 鉆孔應(yīng)力計(jì)觀測數(shù)據(jù)分析

超前支承壓力影響范圍平均為47.3 m，應(yīng)力峰值距離工作面煤壁均值為7 m。

2) 運(yùn)輸平巷超前支承壓力分析。運(yùn)輸平巷回采煤體內(nèi)共安裝KSE-Ⅱ-1型鉆孔應(yīng)力計(jì)5套：2 m，5 m，8 m，10 m，14 m，由于鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝在運(yùn)輸平巷實(shí)體煤幫開幫范圍，安裝后由于單體支柱及實(shí)體煤幫變形，致使3套應(yīng)力計(jì)(5 m，8 m，10 m)導(dǎo)油管受到破壞未能讀數(shù)。鉆孔深度的限制，應(yīng)力計(jì)安裝最大深度為14 m。觀測所得數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5、圖6所示。分析運(yùn)輸平巷回采煤體鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力曲線圖，得出表2。可以看出，超前支承壓力影響范圍約為48.5 m，應(yīng)力峰值距工作面均值為16.5 m。

圖5 運(yùn)輸平巷回采煤體2 m鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力曲線

圖6 運(yùn)輸平巷回采煤體14 m鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力曲線

表2 鉆孔應(yīng)力計(jì)觀測數(shù)據(jù)分析

3) 沿空煤柱超前支承壓力分析。沿空煤柱處測站中共安裝KSE-Ⅱ-1型鉆孔應(yīng)力計(jì)4套。其中:安裝深度2 m儀器在安裝后由于漏液壓力讀數(shù)較小，其余均正常使用。觀測所得數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7～圖10及表3所示。

圖7 沿空煤柱2.0 m鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力曲線

圖8 沿空煤柱2.5 m鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力曲線

圖9 沿空煤柱3.0 m鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力曲線

圖10 沿空煤柱3.5 m鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力曲線

表3 鉆孔應(yīng)力計(jì)觀測數(shù)據(jù)分析

由表3可以看出，超前支承壓力影響范圍均值為49.5 m，應(yīng)力峰值距離工作面煤壁距離波動(dòng)幅度較大，窄煤柱不同深度煤體在受到采動(dòng)影響時(shí)產(chǎn)生不同程度的破壞，2.5 m鉆孔應(yīng)力計(jì)仍處于應(yīng)力升高區(qū)，煤柱中存在完整區(qū)域，但受工作面采動(dòng)影響的程度較小；煤柱受工作面回采的影響范圍由兩側(cè)向煤柱中部遞減趨勢(shì)。

4 結(jié) 語

1) 沿空巷道超前支承壓力影響范圍略大于實(shí)體煤巷道，運(yùn)輸平巷超前支承影響范圍為48.5 m，煤柱側(cè)超前支承壓力影響范圍均值為49.5 m，輔助運(yùn)輸平巷超前支承壓力影響范圍均值為47.3 m；沿空煤柱受影響范圍及強(qiáng)度均最小，覆巖大結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，窄煤柱位置處于上的應(yīng)力降低區(qū)。

2) 當(dāng)工作面推采過窄煤柱測點(diǎn)后，煤柱中仍存在有應(yīng)力增高區(qū)，可見，煤柱處于合理的位置并具有一定的支護(hù)強(qiáng)度能較好地適應(yīng)上覆大結(jié)構(gòu)下沉，在工作面推過時(shí)仍能保持穩(wěn)定的狀態(tài)；觀測數(shù)據(jù)顯示煤柱受超前支承壓力影響，淺部相對(duì)中部比較敏感，煤柱淺部位置最先受到影響。