基于“整条测线”应力变化确定超前支护距离的研究

许 涛

(中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京 100120)

巷道支护是深井厚煤层综放工作面需要解决的主要问题，如山东某矿综放面在回采时巷道两帮宽度由4.5m缩至3m，顶底板移近量约900mm，巷道最窄处仅能容一人通过，为接续生产，不得不对回采巷道进行一次甚至多次扩帮，严重影响生产进度、增大生产成本。回采巷道变形之所以难以控制主要因为回采巷道超前支护距离设计不合理，而超前支护距离的确定需要对超前支承压力息息相关。

众多学者对支承压力进行了大量的研究[1-10]。陈亮[11]等人利用FLAC3D数值模拟软件研究了工作面采空区人工放顶的顶板垮落高度和垮落角对采场超前支承压力分布规律的影响；金珠鹏[12]等通过煤岩力学分析、FLAC3D数值模拟分析了采高、埋深对于大采高工作面支承压力的影响；刘金海[13]等人通过分析单测点应力变化特征深入研究了工作面走向、侧向支承压力分布特征。

以上研究为探究超前支承压力分布规律提供了丰富的理论基础。但在分析钻孔应力的数据时，主要通过分析单个测点应力变化特征来认定工作面超前支承压力影响范围，进而确定工作面超前支护距离。这种“以点定面”的研究方法忽略一个事实：测点位置不同，上覆岩层的破断高度不同，应力的变化特征也不同，确定的超前支护距离存在差异。因此仅分析孤点的应力变化来确定超前支护距离是不够准确的。为此以新巨龙矿某工作面为工程背景，运用现场监测、理论分析和数值模拟的方法，研究了深井厚煤层综放面超前支承压力演化规律，对比分析了“以孤点应力变化”和“以测线应力变化”确定超前支护距离的差异性，结合超前支承压力演化规律的模拟结果，确定了准确的超前支护距离。

1 工作面概况

砂墩子煤矿目前开采02工作面，埋深1000m左右，煤厚10m，工作面面宽220m，推进长度900m，工作面采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。

为了监测整条测线超前支承压力变化特征，在运输巷布置一组长度为120m的测线，测线上测点间隔为30m，共5个测点，每个测点距离底板1.3m，钻孔深度8m，具体测点布置如图1所示。

图1 测点布置

2 超前支承压力演化规律

为确定准确的超前支护距离，对综放面超前支承压力演化规律进行监测分析。随着工作面的推进，测线内各个测点应力变化特征如图2所示。由图2可知，在测线内，“0m”与“90m”测点应力变化趋势重复，“30m”与“120m”测点应力变化趋势重复，且0m测点应力最大值大于30m测点应力的最大值。说明“0m”与“90m”测点、“30m”与“120m”测点对应的岩层破断高度一致，且“0m”测点上覆岩层的破断高度要大于“30m”测点上覆岩层的破断高度。这是因为顶板破断具有周期性，当采面推采至2-1(“0m”)测点时，顶板破断高度发育至最大高度，已完成了一个周期破断；采面继续推采时，顶板破断进入下一个破断周期，破断高度从低位向高位发育，推采至测点2-2(“30m”)时，顶板破断高度处于低位；继续推采至2-3(“60m”)测点时，顶板破断高度向上发育但仍未达到最大高度；当采面推采至2-4(“90m”)测点时，顶板破断高度发育至最大高度，高度与推采至2-1(“0m”)测点一样；随后推采至2-5(“120m”)测点，顶板破断高度又处于低位，与推采至2-2(“30m”)测点一样的破断高度。说明测点位置不同，上覆岩层的破断高度不同，应力变化特征也会不同，确定的超前支护距离存在差异。因此以单个测点的应力变化特征确定超前支护距离是不够准确的，必须以整条测线为研究对象，且测线能够包含一个顶板破断周期，分析其应力变化特征，进而确定超前支护距离。

图2 测点钻孔应力变化折线图

3 超前支护距离的确定

为验证“以单测点应力变化确定超前支护距离是不够准确”结论的正确性，从两个角度分析了同一组钻孔应力计监测数据：首先以“单个测点”为研究对象，分析其应力变化特征，确定超前支护距离，并作为对照组；其次以“整条测线”为研究对象，分析其应力变化特征，确定超前支护距离，作为实验组。

采动的超前影响距离分为两个区段：轻微采动影响区和严重采动影响区，严重采动影响区范围即超前支护距离。每个钻孔应力计初始打压值为5.3～6MPa，根据大量的测点应力变化折线图发现，7MPa是钻孔应力显著上升的拐点，8MPa是钻孔应力急剧上升的拐点。因此认为当钻孔应力值超过7MPa时，钻孔受到轻微采动影响，当应力值大于8MPa时，钻孔受到严重采动影响。

3.1 根据“单个测点”支承压力变化特征确定超前支护距离

由图3(a)～(e)可知，各个测点严重扰动区的范围分别是65m，53m，60m，105m，80m，可知严重扰动区范围是53～105m，均值为72m，在现场实践中矿上最终确定超前支护距离为72m。

图3 “单个测点”应力曲线

3.2 根据“整条测线”支承压力变化特征确定超前支护距离

由图4(a)知，测线内所有测点的应力值均处于打压值范围，未受采动影响，此时工作面距离测线120m。

由图4(b)—(e)知，当工作面接近测线时，测线内应力由近及远依次升高，应力曲线呈现“近高远低”形态，说明测线由近及远依次受到采动影响，且采动影响范围扩大；每个测点应力随采面推进不断增大，经历着“未受扰动→轻微扰动→严重扰动→峰值”四个阶段。

由图4(e)—(j)知，当工作面推过测线位置时，测线内应力曲线不再呈现“近高远低”形态，而是“近乎水平”形态，水平跨距为90m，且曲线应力值以8MPa作为起点逐渐上升，因此严重扰动区范围是90m，而根据单个测点应力变化特征得到的超前支护距离均值为72m，则两者差距18m。

图4 “整段测距”内应力变化曲线

同一组数据通过不同的分析方法得到了两种不同结果，且误差达到18m，为了验证结果的准确性，利用FLAC3D数值模拟软件对工作面超前支承压力的演化过程进行研究。

3.3 数值模型的建立及参数选取

根据煤矿地质条件，建立工作面开采的三维数值模型，如图5所示。模型长为320m，其中推进长度为240m，两边各留40m边界煤柱，模型宽300m，其中工作面宽220m，两边各留40m煤柱，模型高为90m。

图5 三维模型图

模型侧面限制水平移动，底面限制垂直移动，顶部施加22.12MPa的垂直应力，选用摩尔-库伦破坏准则。各岩层物理力学参数见表1。

表1 岩层物理力学参数

已知煤层埋深1000m，原岩应力为24MPa，则煤层开采后煤层应力大于24MPa的区域即为受采动影响的范围，当应力值为27.5～30MPa时，应力集中系数系数为1.14～1.25，根据经验设定应力值为27.5～30MPa的区域属于轻微扰动区，当应力值为大于30MPa时，应力集中系数大于1.25，设定应力值大于30MPa的区域属于严重扰动区。

3.4 超前支护距离的认定

工作面开挖完毕后，沿推进方向截取了开挖55m，75m、105m时工作面中部垂直应力云图，如图6所示。

图6 工作面开采时垂直应力云图

由图6(a)、(b)、(c)可知，当工作面推采55m，75m、105m时，严重扰动区的范围分别为92m，90m，112m，严重扰动区的平均长度是98m，与“以测线应力变化特征确定超前支护距离”的结果相近。而在现场实践中矿上确定超前支护距离为72m时，巷道变形过大，说明超前支护距离过短，因此超前支护距离定为90m更准确。

4 结 论

为了确定深井厚煤层综放面准确的超前支护距离，通过研究综放面超前支承压力演化规律，并从“单个测点”和“整条测线”两个角度分析应力变化特征进而确定超前支护距离，对比分析了两者的结果，结合数值模拟和现场实践确定了准确的超前支护距离。得到以下结论：

1)测点位置不同，上覆岩层的破断高度不同，应力变化特征也会不同，确定的超前支护距离存在差异。

2)以单个测点应力变化确定超前支护距离为58～105m，均值72m，以整条测线应力变化确定超前支护距离为90m，结合数值模拟和现场实践，认为以测线为研究对象分析其应力变化特征确定的超前支护距离更准确。

3)采面未推采测线时，测线内应力曲线图呈现“近高远低”形态；采面推采监控区时，测线内应力曲线呈现“近乎水平”形态，且以8MPa为起点向上增加，水平跨距为90m。