特厚煤層超前支承壓力分布面長效應實測研究

馬海軍

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

受到巷道掘進與工作面推進的影響，煤體內部原有的應力平衡，形成二次應力場分布。在工作面推進方向形成超前支承壓力影響區，在工作面煤壁前方形成塑性區，易造成煤壁垮落等影響工作面正常生產的情況。同時，在回采順槽靠近工作面的部分，在超前支承壓力的影響下巷道圍巖極易失穩，威脅作業人員安全、影響順槽安全使用、增加巷道維護成本[1-2]。隨著采礦裝備技術的進步，生產效率逐步提高，工作面長度也逐漸加長，眾多學者針對工作面加長后的工作面礦壓顯現規律進行了研究：史超、李鵬[3]運用現場實測的方法對比研究了趙莊礦兩個長度不同、工程地質條件相近的綜采工作面礦壓顯現強度規律，認為面長增加是采場覆巖結構失穩、工作面強礦壓顯現的重要誘因。劉俊峰[4]采用數值模擬方法，對比研究了面長增加后所需支護強度變化規律與超前支承壓力分布特征，驗證韓家洼礦原有工作面液壓支架的適用性。劉闖、李化敏、常發展[5]結合理論計算與數值模擬的方法，對比研究了不同面長工作面冒落帶高度、工作面所需支護強度等差異，確定了蘇家溝煤礦工作面最佳工作面長度為200 m[5]。這些研究成果為采場礦壓顯現規律的面長效應探索提供了堅實基礎。

但現有研究成果多數針對厚及中厚煤層，采用數值模擬方法對比研究工作面長度對超前支承壓力的影響規律，不具有在特厚煤層中的普適性。結合韓家洼礦22401 工作面為特厚煤層分三個不同面長開采階段工作面的工程技術條件，通過現場實測方法，可以得出工作面長度對特厚煤層綜放工作面超前支承壓力的影響范式。對該礦的其他工作面的超前支承壓力影響防治提供預測模型。

1 工程背景

韓家洼礦22401 工作面主采煤層為22 號煤，煤層厚度14.8 m，平均夾矸厚度為1.99 m，夾矸率為13.45%，煤層平均傾角6°，平均埋深210 m。工作面采用大采高綜放采煤工藝，割煤高度為3.0 m，放頂煤高度為8.6 m，采放比為1∶2.87，工作面循環進尺0.6 m，一刀一放，每日三刀。采用全部垮落法管理頂板。22 號煤層偽頂為1.43 m 厚的細粒砂巖，隨采隨垮；直接頂為2.4 m厚的砂質泥巖； 基本頂為厚度13.4 m 的細粒砂巖。煤層柱狀圖如圖1 所示。工作面地質與水文地質條件簡單。由于該礦屬于資源整合礦井，井田內22 號煤層存在數量較多的小窯破壞區。22401 工作面在回采設計時為有效避免小窯區影響，同時有效回收煤炭資源，設計工作面為圖2 中所示多面長工作面。22401 工作面回采分為3 階段，第一階段工作面推進長度268 m，面長240 m；第二階段工作面推進長度174 m，面長180 m；第三階段工作面推進長度372 m，面長150 m。

圖1 22401 工作面22 號煤層柱狀圖

2 工作面超前支承壓力影響因素分析

現有的工作面超前支承壓力理論推導方法，采用了彈塑性力學理論結合煤壁前方煤體穩定性分段計算，其中塑性區超前支承壓力計算公式見式（1），彈性區內超前支承壓力計算見式（2）[6]。

式中：σ1y為塑性區內超前支承壓力，MPa；p 為塑性區煤體支承強度，MPa；φ 為煤體內摩擦角，°；f為煤層與頂底板間綜合摩擦系數；x 為距煤壁距離，m；M 為煤層厚度，m。

式中：σ2y為彈性區內超前支承壓力，MPa；K 為應力集中系數，MPa；H 為煤體埋藏深度，m；γ 為上覆巖層綜合容重，kN/m3；X 為距超前支撐應力峰值距離，m； β 為側壓系數。

由式（1）、式（2）可知，在使用彈塑性理論計算超前支承壓力時，并未有工作面面長相關參數，但在三維視角下可知工作面長度廣泛影響了公式中的各項參數數值。為厘清工作面長度對超前支承壓力的影響范式，在比較不同工作面長度超前支承壓力分布規律時采用現場實測的方法進行研究。

3 工作面超前支承壓力現場實測與比較

由于理論計算中沒有體現工作面面長因素對超前支承壓力的影響，結合22401 工作面不同面長的有利條件，采用現場實測的方法進行超前支承壓力分布規律面長效應研究。在回風順槽中，于每階段切眼前方70 m 處安設超前支承壓力測站，如圖3 所示。為保證測量準確性，每個測站包含3 個HCZ450 型鉆孔油枕應力計，應力計間距1.5 m，應力計鉆孔高度為巷幫中部，鉆孔直徑0.45 m，孔深7 m。

圖3 超前支承壓力監測站位置與安裝

由圖4（a）中，22401 工作面不同長度工作面推進時，工作面超前支承壓力分布規律差別較大。當22401 工作面第一階段推進時 （0～268 m），即工作面長度為240 m，工作面超前支承壓力峰值為9.57 MPa，應力集中系數為1.82，峰值位置距離煤壁10 m，工作面超前支承壓力影響范圍63 m。當22401 工作面第二階段推進時 （268～442 m），即工作面長度為180 m，工作面超前支承壓力峰值為8.21 MPa，應力集中系數為1.56，峰值位置距離煤壁8.9 m，工作面超前支承壓力影響范圍55 m。當22401 工作面第三階段推進時 （442～814 m），即工作面長度為150 m，工作面超前支承壓力峰值為7.58 MPa，應力集中系數為1.44，峰值位置距離煤壁5 m，工作面超前支承壓力影響范圍46 m。

圖4 22401 工作面超前支承壓力實測與分析

在圖4（b）、（c）、（d）中可知超前支承壓力峰值位置、超前支承壓力峰值大小以及超前支承壓力影響范圍與工作面長度均呈對數函數關系，見表1。隨著工作面長度的增加，超前支承壓力峰值位置、超前支承壓力峰值大小以及超前支承壓力影響范圍均出現增加趨勢，但增加幅度越來越小。說明工作面長度在一定范圍內對于超前支承壓力存在顯著影響，但工作面長度增加到相當長度后則變化不大。

表1 22401 工作面超前支承壓力實測與分析

4 結論

為厘清工作面長度對特厚煤層綜放工作面超前支承壓力的影響規律，結合韓家洼礦22401 工作面為特厚煤層工作面的工程技術條件，采用現場實測的方法對工作面不同面長超前支承壓力的大小、位置影響范圍進行了實測研究，并通過曲線擬合法進行了解析，得出了如下結論：

1）通過對現有工作面超前支承壓力計算公式進行參數分析，認為現有計算方法中終端參數與工作面長度有著緊密聯系，但工作面長度對超前支承壓力分布規律的具體影響現有公式沒有表達出來。

2）通過超前支承壓力現場實測研究可知，隨著工作面長度由150 m 增加至240 m 時，超前支承壓力峰值增加了4.57 MPa、峰值位置增加5 m，影響范圍增加17 m。

3）通過曲線擬合法，分別得出了工作面長度與超前支承壓力峰值大小、峰值位置以及影響范圍的函數表達式，為該礦今后在相似條件下的工作面回采超前支承壓力的預測提供了基礎數據。