[深部综采面侧向支承压力监测研究]侧向支撑点

　　摘 要:为了获得回采期间厚煤层综放工作面侧向支承压力分布情况,基于回采工作面矿山压力理论,通过在回采工作面轨道顺槽外侧煤体中布置钻孔应力计,对回采期间及顶板垮落后巷帮受力进行监测,进而摸清工作面侧向支承压力的分布规律,为工作面区段煤柱留设提供依据。
　　关键词:综放面 煤柱 侧向支承压力 应力观测
　　中图分类号:TD353 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(a)-0114-02
　　近年来,人们对矿压规律综采放顶煤的方面很多人要做大量的详细的研究,但在综放面采空侧侧向支承压力的分布规律及其在指导下区段工作面布置以及护巷煤柱留设宽度等问题仍然存在许多缺陷。目前我国的一部分煤矿仍然是依靠经验来确定煤柱的宽度,缺乏科学的、有针对性的,往往不是导致煤炭资源的浪费,就是巷道掘进和开采工艺难以维持,甚至出现的屋顶落事故。如何平衡资源回收率与巷道的稳定性,合理确定煤柱的宽度,特别是是厚煤层煤柱资源利用率和矿井效益起着决定性的作用,所以对综采放顶煤面支承压力分布规律的研究具有十分重要的现实意义。
　　1 测试原理
　　工作面顶板支承压力分布是动态变化的。顶板约束条件会伴随着工作面的推进,由四方嵌固向两侧嵌固的状态转变,弯矩进一步向两侧煤壁转移,从而导致顶板沿两侧煤壁嵌固端断裂。随着与壁炉距离的增加,顶板中应力则会出现按负指数曲线规律递减的情形。此时,煤壁周边应力超过煤层的极限抗压强度,因此,边缘煤体遭到破坏而失去支承能力,使应力高峰深入煤层内部。在顶板自重和采动附加应力的影响下,顶板在两侧煤体内部发生断裂,形成以断裂口线为界的内外两个应力场:在断裂线和煤体边缘之间,由已断裂岩梁自重决定的内应力场(低应力区);断裂线外侧由上覆岩层整体重量所决定的外应力场。当老顶岩梁触矸后,应力得到了极大释放,故内应力场基本达到稳定,低应力区的范围就是顶板传递岩梁断裂线到煤体边缘之间的地带。低应力区的范围和稳定时间是选择巷道位置和开掘时间的依据。
　　2 工作面地质条件
　　301工作面位于-760m水平工作面范围内,煤层赋存稳定,厚度4.2m～5.4m,平均4.8m左右。结构简单,仅局部于煤层下部含一层0～0.3m夹矸,伪顶为灰黑色碳质泥岩,硬度小,厚度0～0.4m。直接顶为泥岩,深灰色,含少量砂质,致密,性脆,厚度0～2.7m。老顶为浅灰色中细粒长石石英砂岩,含少量暗色矿物及泥岩包体,偶见泥岩薄层,厚度18m左右。直接底为深灰黑色中厚层状泥岩,致密,性脆,含植物化石,厚度1.0m～2.2m。老底上部为灰白色细砂岩夹深灰色粉砂岩条带,向下泥质逐渐减少,变为灰白色砂岩,厚度20m左右。
　　301工作面机采平均采高为2.6m。工作面煤层厚度:4.2m～5.4m,平均煤厚:4.8m。则平均放煤高度为2.2m,平均采放比为1.18∶1。
　　3 现场实测研究
　　3.1 测点布置
　　在工作面开采前应力计距离工作面切眼50m处开始安装,信号电缆敷设长度150m,以便测点进入采空区后能够继续监测。设计钻孔孔径为φ45。布置在轨道顺槽外帮。共打钻孔2组,两组之间间距20m。每组4个孔,自工作面端头向外依次编号为1#～8#。其中一组的孔深分别为12m、9m、6m、3m;另一组孔深分别为8m、6m、4m、2m,每孔内安装一个煤体应力计,孔间距为3m。
　　在仪器安装完毕后,即刻进行一次数据采集,作为原始对比资料。工作面开采后,每天三班分别采集数据一次,直到工作面推过观测点外100m停止观测。观测后的数据要及时整理到记录表中,最后绘制成曲线进行工作面侧向支承压力分布规律分析。
　　3.2 侧向支承压力分布规律
　　根据工作面推进情况,对布置于轨道顺槽外侧煤体中的煤体应力进行了观测,对观测数据进行整理,获得了各固定点钻孔应力随工作面距离变化的变化曲线,如图2、图3所示,图中曲线反映了工作面侧向支承压力随工作面推进以及顶板活动的变化规律。对两组钻孔的观测结果分析如下。
　　第一组钻孔:本组钻孔布置于工作面初次来压后的正常推进阶段,但工作面尚未到达“见方”状态。其中各钻孔的应力变化情况如下。
　　2m点深钻孔应力对应的是采空区边缘的煤体应力情况,距工作面后方30m范围内,应力显现一直保持较低的数值,几乎没有应力显现,直到工作面后方30m以后应力逐渐升高,到70m后应力基本稳定,说明顶板岩层运动已经稳定并沉降到压实采空区的冒落矸石。
　　4m点应力从工作面前方13.9m开始逐渐升高,到工作面后方7.2m左右达到最大值,然后随工作面推进和顶板运动降低到较低值,而到工作面后方31m左右开始应力又逐渐上升,在36.5m后应力趋于稳定。
　　6m点应力变化与4m点基本一致,但其应力显现值高于4m点,总体上从工作面前方13.9m开始上升到工作面前方6.4m达到高峰后,一致呈降低趋势,到工作面后方36.5m后趋于稳定。
　　8m点:应力变化与4m、6m点类似,但其应力显现总体低于4m、6m点,仅在工作面后方31m左右处应力高于4m、6m点。
　　将各点的应力变化情况汇总,我们不难发现:在工作面前方6.4m时,除2m点外,4m、6m、8m各点应力显现都突然增大,其中6m点应力最高,6m、8m点应力则快速下降到一相对稳定数值,而6m点直到工作面后方69.4m处才稳定下来;而8m点应力在工作面后方13.5m又开始上升,到31m左右达到最大值,到36.5m后又下降到较低值。4m点则在6m、8m点应力下降的同时随工作面推进应力上升,到工作面后方7m左右下降,距离工作面31.5m后逐渐稳定;同时还应该看到2m点在工作面后方62m后保持了高于4m、6m、8m点的应力显现。表明侧向支承压力随顶板岩层运动而在顶板断裂线附近发生应力集中,断裂后应力向内应力场收缩转移的过程,内应力场中的支承压力高峰最终收缩到煤壁附近。由于测点布置的侧向距离偏小(8m),本组测点没有捕捉到外应力场的应力扩展过程(在另一组中获得了结果)。根据以上分析可以得到顶板断裂线位于煤体内部6m～8m处的结论,亦即煤体塑性区范围为6m～8m。
　　第二组钻孔:两组各钻孔的应力显现规律基本相同,但是各钻孔的总体应力的显现值明显高于第一组。在本组钻孔中,采集6m、9m点应力集中后,6m点应力呈现下降趋势,而9m、12m点应力则逐渐升高。与第一组钻孔资料相对比,出现了外应力场中支承压力扩展转移的过程,这也足以说明煤壁附近6m～8m出为顶板断裂线的论断。
　　我们可从两组钻孔的应力监测结果分析看出:工作面侧向支承压力的发展变化规律与顶板活动规律是相一致的。图3中显示断裂线附近集中出现顶板断裂前支承压力高峰,后随着顶板的进一步沉降,内应力场中的支承压力高峰逐步向煤壁附近收缩转移,外应力场中的支承压力高峰也随着顶板岩层悬露面积的进一步扩大而向煤体深部扩展转移。煤壁内部6m～8m左右为顶板断裂线位置(对应煤体塑性区范围)。又根据2m点应力的变化情况,我们可得出结论:在工作面后方70m以后,顶板岩层便沉降到最低点并压实冒落矸石。
　　综合上述分析,侧向支承压力与沿推进方向上的支承压力分布规律基本一致,可以将两个方向监测成果综合为如图4的支承压力分布状态图。
　　4 结语
　　(1)应用钻孔应力计测试综放工作面侧向支承压力,方法简便,操作简单,在目前采用理论方法尚不能准确确定煤柱宽度的情况下,可以为综放工作面区段煤柱留设宽度的确定提供依据。(2)根据对巷道煤体应力观测,该工作面支承压力高峰位于煤壁内6m～8m,即煤体塑性区范围为6m～8m,煤柱留设宽度应不大于6m为宜。(3)从工作面后方支承压力变化情况看,顶板岩层在工作面后方70m外稳定并压实矸石,顺槽合理滞后送巷时间要由支承压力在工作面后方稳定距离与掘巷速度二者决定。
　　参考文献
　　[1] 宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州:中国矿业大出版社,1988.