综采工作面超前支承应力分布规律的理论与实践研究

毕国胜 张建民 何彪太

摘 要：通过对中煤集团某矿15110综采工作面超前应力产生机理的理论推导与实测数据研究，掌握了其超前支承应力影响范围、应力峰值位置、应力分布规律等相关参数，为工作面选择合理支护参数提供了依据，有效保证了工作面安全生产，也为类似生产条件工作面支护设计提供了参考。

关键词：综采工作面;超前支承应力;观测站

1 绪论

长期以来，煤炭在我国的经济发展中发挥着重要作用，如何做到煤炭的安全高效生产一直是困扰煤炭企业的一大难题。综采工作面作为煤炭的第一生产现场，对整个煤矿的安全生产产生着重要影响，是煤矿安全管理工作中的重点区域[1]。综采工作面两安全出口与巷道连接处沿巷道方向一段距离，往往应力较大，是顶板事故高发区，煤矿安全规程（2016版）第九十七条规定“采煤工作面所有安全出口与巷道连接处超前压力影响范围内必须加强支护，且加强支护的巷道长度不得小于20m（具有冲击地压危险工作面超前支护范围不小于70m，综采放顶煤或中等及以上冲击危险区域采煤工作面超前超前支护范围不小于120m）;综采机械化采煤工作面，此范围内的巷道高度不得低于1.8m。其他采煤工作面，此范围内的巷道高度不得低于1.6m。安全出口和与之相接的巷道必须设专人维护，发生支架断梁折柱、巷道底鼓变形时，必须及时更换、清挖”[2]。因此，要想减轻或避免支承应力所造成的危害和影响，就必须了解掌握采动超前支承应力的分布规律，有针对性采取补强支护措施，保证矿井安全生产。本文通过对中煤集团某矿15110综采工作面超前应力产生机理的理论推导与实测数据研究，从而得出工作面超前支承应力分布规律、影响范围、应力峰值位置等相关参数，为指导工作面科学支护设计提供了可靠的依据[3]。

2 工作面概况

2.1 作面位置

本文研究的15110工作面位于矿区西南侧，工作面南北布置，北侧为东翼大巷系统巷道，切眼南侧临近井田边界保护煤柱，西侧为一采区底板措施巷，东为15112老空区，对应地表为高低不等的山岭，地表无其他建筑或水体。

2.2 工作面煤层及顶底板情况

15110工作面走向长2250m，倾斜长227m，回采15#煤层，煤层稳定，煤厚2.9—6.5m，平均5.0m，煤层倾角2°—11°，平均6°。15#煤层结构简单，局部含0-2层透镜体夹矸，夹矸岩性为泥岩，最厚0.2m。15#煤直接顶为13.92—23.3m的砂质泥岩，老顶为3.6—4.45的K2灰岩，直接底是6.23—12.91灰黑色泥岩，老底是1.5—3.54的浅灰白色K1细砂岩。

2.3 工作面采煤工艺

15110工作面为综合机械化采煤方法，采用MG750/1800-WD型电牵引采煤机螺旋滚筒截割落煤，利用SGZ900/2×700刮板运输机、ZZ900/315转载机、PLM2500破碎机及DSJ120/130/3*355带式输送机形成运煤系统，工作面采用ZZ10600/27/60D液压支架支护。

2.4 研究巷道参数与支护情况

为方便研究，以15110轨道巷为研究对象，对其超前支承应力分布规律进行研究，该巷道沿煤层顶板施工，巷道为矩形断面，净宽×净高=4700mm×3800mm，断面积17.86m2。

巷道支护形式为：巷道采用锚网索+钢筋梯联合支护，顶部采用φ20mm×2300mm无纵肋左螺纹钢式钢锚杆，帮部φ20mm×2000mm无纵肋左螺纹钢式钢锚杆，间排距均为900×900，顶部钢筋梯采用5000mm×900mm×70mmφ14mm圆钢，帮部钢筋梯采用2000mm×900mm×70mmφ12圆钢，锚索采用φ17.8mm×7000mm钢绞线，3-0-3布置方式，间排距1800mm×1800mm。

巷道超前支护为：采用DW45-250/110X单体液压支柱+1200型铰接顶梁+3.6mπ型鋼梁支护四排单体，铰接顶梁走向布置、π型钢梁倾向布置，其中π型钢梁位于铰接梁上方，靠近回采帮侧单体为第一排单体，以此类推至非回采帮为第四排单体，第一排采用单体液压支柱+铰接顶梁+π型钢梁、柱距为1.2m、支护长度不得小于80m，第二排采用单体液压支柱+π型钢梁、柱距为0.6m、支护长度不得小于80m，第三排采用单体液压支柱+π型钢梁、柱距为0.6m、支护长度不得小于30m，第四排采用单体液压支柱+铰接顶梁+π型钢梁、柱距为0.6m、支护长度不得小于80m，四排单体液压支柱排距为0.5m-1.5m（人行道）-0.5m。

3 工作面超前应力产生机理理论推导

3.1 超前支承应力产生机理

综采工作面基本顶来压时会造成下位岩梁及直接顶断裂，上覆岩层对煤层的支承压力分为内应力场和外应力场[4]。煤体在内应力场作用下已被破坏，其承受应力的大小与顶板的运动及作用力有关;处外应力场的煤体所受支承压力的大小及范围受顶板影响较小，支承应力的大小是由煤体上覆岩层共同决定的。将综采工作面采场覆岩假设为弹性梁，超前应力影响即受采场上方“三带”（断裂带、垮落带、弯曲下沉带）影响，根据武月江[5]对文克尔假设计算的各带应力公式为：

3.2 超前支承应力分布规律

通过上述超前应力产生机理的理论推导，并通过数据分析与经验实践知：工作面超前支承应力影响范围可分为离工作面位置较近的应力降低区（a）、应力峰值所在区域的应力增高区域（b）、应力二次应力下降区（c）与超前支承应力影响较小区域（d：即原始应力区），具体分布如图1所示：

4 工作面超前支承应力数据实测

为观测研究巷道15110轨道顺槽超前支承应力分布情况，在轨道顺槽每10m设置一巷帮收缩、顶底近移动量观测站，交替观测回采过程中巷道两帮及顶底板移动情况，每5m设置一个顶板应力传感器，以观测顶板应力变化情况。本次选取2018年5月份15110工作面回采至600m时观测数据为研究对象，因工作面回采至此位置，每天生产正常，产出煤量相对稳定，且工作面前方100m范围无大型断层、陷落柱等地质构造，研究条件相对单一，容易研究工作面超前支承应力与距工作面距离这单一因素的关系。

通過实测巷道两帮收缩数据及顶板下沉、底板鼓起数据，分析巷道超前100m范围巷道两帮收缩情况及顶底板移动变化情况，绘制了15110轨道顺槽两帮收缩、顶底移近量随工作面距离变化图，可知：（1）15110轨道顺槽位置距离工作面大于90m时，其巷道基本不收缩，顶底基本无位移;（2）当15110轨道顺槽位置距离工作面小于等于90m时，其巷道两帮收缩量及顶底移近量随巷道距离降低而增大，且两帮收缩量略大于顶底近移量;（3）15110轨道顺槽位置离工作面10～30m时，巷道收缩量及顶底近移量变化速率最大，表明该区段应力变化最明显;（4）巷道两帮最大收缩距离为640mm，最大顶底近移距离为520mm。

通过观测工作面前方100m范围应力变化曲线，并剔除部分不合理数据，绘制了15110轨道顺槽实测应力随距工作面距离变化图（如图2），因工作面旁的应力传感器受采动破坏影响，无法测得应力数值，故应力随距工作面距离变化图应力值从距工作面5m开始绘制，通过该图，可知：（1）0～25m时：15110工作面轨道巷超前支承应力随距离的增大而增大，尤其距工作面15～25m时，增长速率最大;（2）25m～75m时：15110工作面轨道巷超前支承应力随距离的增大而减小，尤其距工作面25～40m时，减小的速率最大，50m处有短暂回升，考虑由于该位置局部有一断层所致;（3）15110轨道顺槽顶板应力峰值在距工作面25m处，应力最大值为15MPa;（4）距工作面大于75m时，巷道顶板应力基本保持着原岩应力的稳定状态，受采动应力影响不明显。

5 结语

（1）分析了工作面超前支承应力产生机理，并通过“弹性梁”假设及文克尔假设，推导出了超前支承应力计算公式;

（2）绘制了两帮收缩、顶底移近量随工作面距离变化图，得出了巷道两帮收缩、顶底移近变化情况及其相关规律;

（3）绘制了应力随变化趋势图，掌握了工作面超前支承应力分布及其变化情况;

（4）通过对比图1（15110综采工作面超前应力分布规律图）与图2（15110轨道顺槽实测应力随工作面距离变化图）知，此15110工作面轨道顺槽应力降低区（a）为0～15m、应力峰值所在区域的应力增高区域（b）为15～50m、应力二次应力下降区（c）为50～75m、超前支承应力影响较小区域（d），即原始应力区为大于75m;

（5）15110轨道顺槽顶板应力峰值为距离工作面25m处，峰值为15MPa，施工的作业规程要求超前支护不少于30m，满足应力分布规律要求。

参考文献：

[1]李辉.综采工作面回采巷道矿压显现规律分析[J].煤，2018（6）：56-57.

[2]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2016.

[3]涂心彦，等.超前采动支承应力分布规律及影响因素[J].能源技术与管理，2008（2）：4-5.

[4]黄庆享.浅埋煤层长臂开采顶板结构及岩层控制研究[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

[5]武月江.综采工作面超前支承压力分布规律研究[J].煤炭与化工，2014（2）：50-51.