浅埋薄基岩矿井工作面超前支承压力分布规律研究

曹务营，渐修超

(1.山东省武所屯生建煤矿，山东滕州 277521;2.山东省三河口矿业有限责任公司，山东济宁 277605)

该煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，属黄土高原地带。井田位于东胜煤田的中南部，其构造形态与区域含煤地层构造形态一致，总体为一向南西倾斜的单斜构造，地层产状平缓，倾向220°～260°，地层倾角小于5°。井田内未发现断层，但在个别地段，煤层底板等高线起伏较大，起伏角一般小于2°，区内未发现断裂及紧密褶皱，亦无岩浆岩侵入。

仪器安装的工作面为该矿22煤采区第二个工作面，布置在矿井一水平2－2上煤层中，该工作面四周及上下煤层均未开采，均为实炭区，煤层平均厚度6 m，煤层倾角为0°～5°。2－2上煤层结构较简单，含1～2层夹矸，由于沉积环境为湖相沉积，煤层厚度及夹石厚度变化较大，煤层厚度4.6～10.6 m，夹石厚度0.3～1.9 m，2－1下煤和 2－2上煤同属 2煤组，由于夹石厚度变化较大，2－1下煤和2－2上煤出现分合层情况。2－2上煤距下部2－2中煤层间距0.94 m，煤层顶板为细粒砂岩及砂质泥岩，底板多为泥岩。

1 观测方案设计

该项监测采用天地科技股份有限公司生产的KSE－III煤体应力采集系统(图1)，该系统由KJ21－FY矿用本安型压力监测分站、KSEIII－C钢弦采集仪、地面适配器及钻孔应力计等组成，用来测量煤壁应力、超前支承压力，矿压观测人员定期携带采集仪到井下采集数据，上井后传入通过适配器传入计算机，采用专用软件可以自动生成矿压报表，为超前支护范围确定提供科学依据。

图1 KSE－III煤壁应力采集系统

在工作面辅助运输顺槽侧工作面煤壁内，距离切眼700 m开始布置第一个测点(图2工作面超前应力测站)，以后每隔4 m布置一个共计6个。钻孔应力计安装深度(即打钻深度)分别为3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、12 m，钻孔直径48 mm。

图2 工作面超前应力测站布置图

2 工作面超前支承压力分析

实测工作面煤壁内各测点应力随距工作面距离L变化关系如图3～图7所示(其中，△为所测应力值较初始值的变化量)。

图3 3 m测点钻孔应力计△P－L曲线图

图5 7 m测点钻孔应力计△P－L曲线图

图6 9 m测点钻孔应力计△P－L曲线图

图7 11 m测点钻孔应力计△P－L曲线图

根据上图所反映的巷道煤壁侧支承应力值变化特征，可沿工作面走向将超前采动影响划分为3 个区段［1～5］(见表 1)，各区段具体情况分析如下:

表1 采动影响各区段影响范围统计表

第一区段:采动影响轻微区，距工作面30 m以外区域。超前支承压力较小，围岩受其影响显现不显著，即周围的煤壁基本未受到采动影响。

第二区段:采动影响明显区，距工作面10～30 m区域。随工作面继续推进，超前支承压力开始呈增大趋势，受其作用巷道围岩变形速度变大，表面移进量开始变得较为显著。

第三区段:采动影响剧烈区域。在此阶段，受采动影响，超前支承压力急剧增大。距工作面10 m以内区域受集中压力作用，弹性形变加剧，围岩表现为巷道围岩变形速度明显增快，并伴有一定的片帮及支护钢带变形的现象。前方支承压力在距工作面3 m左右位置支承应力达到峰值，最后开始迅速下降，说明此处的煤壁仍保持了较好的完整性，处于弹塑性状态，具有较高的自承能力。

3 工作面侧向支承压力分析

选择测点距工作面切眼分别为3 m、6 m、9 m、12 m、15 m这五个典型的时刻，通过对比各钻孔测点应力值较初始值的变化量Δ，来分析煤壁内侧向支承压力分布规律，其应力分布如图8所示。

图8 煤壁内侧向支承压力变化曲线

从纵向上看，五个时刻侧向支承压力分布曲线随着到切眼距离的增加，应力数值变化趋势逐渐放缓平缓，说明距工作面越远，巷道煤壁侧的侧向支承压力受采动的影响越弱;从横向上看，五个时刻侧向支承压力分布曲线随着钻孔深度的增加，应力值变化曲线逐渐升高，并在深9 m处达高峰值，随后逐渐降低。

测点距工作面3 m和6 m时，侧向支承压力分布具有相同的规律:出现两个应力峰值，根据“内外应力场”理论［4～5］可知，在距煤壁深约7 m位置煤壁附近顶板发生侧向断裂，导致此范围内应力降低。

4 结论

1)工作面超前支承压力受采动影响范围在32 m以内，采动影响剧烈区域在9 m范围以内，超前支承压力最大值一般距离工作面2～4 m。

2)侧向支承压力分布曲线呈起伏状态，出现两个波峰和一个波谷，通过“内外应力场”理论可以推断煤柱附近顶板发生侧向断裂的位置在7 m范围内。

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