工作面前方支承壓力分布情況的研究

田 帥，劉如鵬

（1.晉能控股集團荊寶煤業(yè)有限公司，山西 長治 046299；2.陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727306）

綜采工作面在進入末采階段時，要考慮回撤通道是否需要補強支護及采動壓力對大巷的影響，摸清綜采工作面末采階段超前壓力影響范圍及強度，采取合理的措施進行預控、管控，減小對安全回撤以及對大巷壓力的影響，保證礦井安全生產[1-3]。本文以某礦209綜采工作面末采階段為研究對象，基于煤體應力在線實時監(jiān)測，通過在煤體內埋設高精度應力傳感器，實時監(jiān)測采動圍巖近場系統內靜態(tài)載荷的急劇變化，從而掌握末采階段的區(qū)域應力演化規(guī)律，對綜采工作面安全回撤及合理留設大巷保護煤柱具有借鑒意義[4-6]。

1 工作面概況

礦井井田采用盤區(qū)式劃分，209 智能化綜采工作面是二盤區(qū)右翼第五個工作面，采用智能機械化走向長壁后退式一次采全高的采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。工作面東北部、西北部為未采區(qū)，西南緊鄰207 采空區(qū)，東北部緊鄰211 工作面，煤層平均厚度為3 m，平均傾角為2°，開采深度為465～707 m，工作面傾向長度300.5 m，走向長度4 281 m，可采長度4 103 m。煤層頂底板巖性特征如表1所示。留設保護煤柱150 m（膠帶巷停采點垂直距大巷距離），當工作面回采距停采線500 m時，對膠帶巷、回風巷停采線以外50～150 m范圍進行補強支護，防止采動壓力對超前巷道的破壞，保證工作面回撤安全。209 工作面液壓支架采用SAC型液壓支架電液控制系統控制，通過紅外傳感對位等方式，感知采煤機位置與方向，液壓支架跟隨采煤機自動移架、自動推移刮板輸送機、自動噴霧等作業(yè)。209工作面選用ZY10000/23/45D型液壓支架（過渡液壓支架：ZYG10000/23/45D；端頭液壓支架：ZYT12000/23/45D）對工作面頂板進行自動跟機移架支護。

表1 煤層頂底板巖性特征

2 煤體應力監(jiān)測方案

1）鉆孔應力計布置。鉆孔應力計共計布置測站2組，一組布置在209膠帶巷實體煤側，距209工作面停采線100 m位置處布置4個鉆孔應力計，鉆孔深度依次為5 m、7 m、9 m、11 m；另一組布置在209 回風巷實體煤側，距209工作面停采線100 m位置處布置2個鉆孔應力計，鉆孔深度依次為5 m、9 m。鉆孔應力計具體布置見圖1。

圖1 鉆孔應力計具體布置圖

2）鉆孔應力計安裝。鉆孔孔徑48 mm，開孔點距底板1.5 m，垂直于巷道兩幫，鉆孔傾角與煤層傾角保持一致。安裝鉆孔應力計時要保持壓力枕垂直于走向的方向，并保持傳感器水平位置，至孔底后使用手動壓力泵將油壓枕壓力調節(jié)到原巖應力狀態(tài)。209膠帶巷實體煤側（距停采線100 m）鉆孔4 個，孔深分別為5 m、7 m、9 m、11 m，孔徑為48 mm，角度為0°，鉆孔間距為1 m；209 回風巷實體煤側（距停采線100 m）鉆孔2 個，孔深分別為5 m、9 m，孔徑為48 mm，角度為0°，鉆孔間距為2 m。鉆孔應力計見圖2，鉆孔應力計安裝剖面圖見圖3。

圖2 鉆孔應力計

圖3 鉆孔應力計安裝剖面圖

3 末采區(qū)域應力監(jiān)測分析

3.1 膠帶巷鉆孔應力計監(jiān)測分析

1）5 m測點。鉆孔應力計孔深5 m，設備初始應力5.6 MPa。由應力變化曲線圖4可知：當工作面煤壁距離測點41.6 m時，該測點的監(jiān)測應力開始升高，表明該測點受到采動壓力的作用進入超前支承壓力初始應力增長階段；當工作面煤壁距離測點14.4 m時，測點應力變化梯度顯著增加，表明該測點進入超前支承壓力顯著增長階段；最終該測點達到支承壓力峰值時，監(jiān)測應力為11.31 MPa，應力集中系數為2.02。

圖4 膠帶巷5 m測點應力變化曲線

2）7 m測點。鉆孔應力計孔深7 m，設備初始應力6.8 MPa。由應力變化曲線圖5可知：當工作面煤壁距離測點42.0 m時，該測點的監(jiān)測應力開始升高，表明該測點受到采動壓力的作用進入超前支承壓力初始應力增長階段；當工作面煤壁距離測點15.0 m時，測點應力變化梯度顯著增加，表明該測點進入超前支承壓力顯著增長階段；最終該測點達到支承壓力峰值時，監(jiān)測應力為9.31 MPa，應力集中系數為1.37。

圖5 膠帶巷7 m測點應力變化曲線

3）9 m測點。鉆孔應力計孔深9 m，設備初始應力6.4 MPa。由應力變化曲線圖6可知：當工作面煤壁距離測點42.0 m時，該測點的監(jiān)測應力開始升高，表明該測點受到采動壓力的作用進入超前支承壓力初始應力增長階段；當工作面煤壁距離測點15.0 m時，測點應力變化梯度顯著增加，表明該測點進入超前支承壓力顯著增長階段；最終該測點達到支承壓力峰值時，監(jiān)測應力為10.74 MPa，應力集中系數為1.68。

圖6 膠帶巷9 m測點應力變化曲線

4）11 m測點。鉆孔應力計孔深11 m，設備初始應力4.6 MPa。由應力變化曲線圖7可知：當工作面煤壁距離測點42.0 m時，該測點的監(jiān)測應力開始升高，表明該測點受到采動壓力的作用進入超前支承壓力初始應力增長階段；當工作面煤壁距離測點15.0 m時，測點應力變化梯度顯著增加，表明該測點進入超前支承壓力顯著增長階段；最終該測點達到支承壓力峰值時，監(jiān)測應力為5.95 MPa，應力集中系數為1.30。

圖7 膠帶巷11 m測點應力變化曲線

綜上所述，膠帶巷末采區(qū)域工作面超前支承壓力影響范圍41～42 m，平均41.9 m；應力集中系數1.37～2.02，平均1.59；支承壓力顯著變化區(qū)14.0～15.0 m，平均14.9 m。

3.2 回風巷鉆孔應力計監(jiān)測分析

1）5 m測點。鉆孔應力計孔深5 m，設備初始應力4.6 MPa。由應力變化曲線圖8可知：當工作面煤壁距離測點121.5 m 時，該測點的監(jiān)測應力開始升高，表明該測點受到采動壓力的作用進入超前支承壓力初始應力增長階段；當工作面煤壁距離測點42.3 m時，測點應力變化梯度顯著增加，表明該測點進入超前支承壓力顯著增長階段；最終該測點達到支承壓力峰值時，監(jiān)測應力為13.11 MPa，應力集中系數為2.85。

圖8 回風巷5 m測點應力變化曲線

2）9 m測點。鉆孔應力計孔深9 m，設備初始應力3.0 MPa。由應力變化曲線圖9可知：當工作面煤壁距離測點147 m 時，表明該測點受到采動壓力的作用進入超前支承壓力初始應力增長階段；當工作面煤壁距離測點60 m 時，測點應力變化梯度顯著增加，表明該測點進入超前支承壓力顯著增長階段；當工作面煤壁距離測點18 m 時，該測點達到支承壓力峰值，監(jiān)測應力為10.85 MPa，應力集中系數為3.70。

圖9 回風巷9 m測點應力變化曲線

綜上所述，回風巷末采區(qū)域工作面超前支承壓力影響范圍121～147 m，平均134.3 m；應力峰值超前工作面18 m；應力集中系數2.85～3.70，平均3.28；支承壓力顯著變化區(qū)43.2～60.0 m，平均51.6 m。

4 結論

1）209膠帶巷末采區(qū)域工作面超前支承壓力影響范圍41～42 m，平均41.9 m，支承壓力顯著變化區(qū)14.0～15.0 m，平均14.9 m，故209 工作面末采回撤前需對停采線外0～42m進行補強支護，保證頂板安全。

2）209回風巷末采區(qū)域工作面超前支承壓力影響范圍121～147 m，平均134.3 m；應力峰值超前工作面18 m，支承壓力顯著變化區(qū)43.2～60.0 m，平均51.6 m，故209 工作面末采回撤前需對停采線外0～147 m 進行補強支護，保證頂板安全。

3）根據209 膠帶巷以及回風巷煤體應力監(jiān)測，留設大巷保護煤柱必須大于147 m，方可避免工作面回采壓力對大巷的影響。