长城煤矿深井工作面超前支承压力分布规律实测研究

张树勇

(新矿内蒙古能源有限责任公司，内蒙古 鄂托克前旗 016200)

不同煤层在相同的开采条件下，可能有不同的支承压力分布形式[1-4]。即使煤层条件和开采技术条件相同，但由于开采深度不同，工作面推进到不同部位，其分布构成往往也不一样。研究表明，煤体存在塑性区，并且出现内应力场是与顶板岩层在煤壁前方断裂破坏相对应的。

深井开采条件下，开采深度增加，围岩的受力情况更加复杂，煤壁的破碎区和塑性区的增大使围岩更容易出现应力集中。同时塑性区分布范围将随采深的增大而增大，支承压力的峰值位置至煤壁的距离也随着采深的增加而增加，相应的支承压力的分布范围也将增大。为研究长城煤矿1301工作面支承压力分布特征，本文采用现场实测的方法分析深井工作面支承压力分布，进而为超前支护方案确定及冲击地压防治提供依据。

1 工程背景

长城煤矿1301采煤工作面位于山西组上部，埋藏标高+190～+1 000 m，可采上限标高+930～+1 000 m，平均+865 m；煤层厚度3.03～3.56 m，平均3.2 m，煤层倾角22°。采用滚筒式采煤机综采采煤工艺，工作面平均长度170 m，设计采煤机截深0.8 m，工作面采用端头斜切进刀，往返一次割一刀单向割煤方式。采用垮落法管理顶板。煤层顶板岩性主要为粉砂岩和中粒砂岩，局部粗粒砂岩和泥岩，厚度0.35～16.37 m，平均6.39 m，偶见伪顶；底板岩性以泥岩为主，粉砂岩次之，局部为砂质泥岩，厚度0.46～7.58 m，平均1.59 m。

2 监测方案

围岩内部支承压力采用KSE-Ⅱ-1型钻孔应力计测量。KSE-Ⅱ-1型钻孔应力计是由压力传感器和数字显示仪(KSE-Ⅱ型钢弦测力仪)组成的分离型钢弦振动式测频数字仪器，压力传感器的钻孔压力枕采用充油膨胀的特殊结构。用于煤矿井下煤岩体内相对压力测量。

在1301工作面辅助运输平巷、运输平巷实体煤及窄煤柱帮，共布置3个测站，结合实际地质条件，回采煤体内最深钻孔为14 m，钻孔应力计易受钻孔安装直径、安装角度、油压以及应力计本身等条件的影响，且钻孔应力计安装后部分受到破坏，1301工作面共安装3组共14套钻孔应力计。具体布置方式如图1所示。

图1 1301工作面钻孔应力计布置示意

3 监测结果分析

3.1 工作面超前支承压力

1) 辅助运输平巷超前支承压力分析。辅助运输平巷回采煤体内共安装KSE-Ⅱ-1型钻孔应力计5套：2 m，5 m，8 m，10 m，14 m。其中，2 m，10 m钻孔应力计安装后受到破坏，未能正常读数。观测所得数据结果如图2～图4及表1所示。

图2 辅助运输平巷回采煤体5 m钻孔应力计压力曲线

图3 辅助运输平巷回采煤体8 m钻孔应力计压力曲线

图4 辅助运输平巷回采煤体14 m钻孔应力计压力曲线

表1 钻孔应力计观测数据分析

超前支承压力影响范围平均为47.3 m，应力峰值距离工作面煤壁均值为7 m。

2) 运输平巷超前支承压力分析。运输平巷回采煤体内共安装KSE-Ⅱ-1型钻孔应力计5套：2 m，5 m，8 m，10 m，14 m，由于钻孔应力计安装在运输平巷实体煤帮开帮范围，安装后由于单体支柱及实体煤帮变形，致使3套应力计(5 m，8 m，10 m)导油管受到破坏未能读数。钻孔深度的限制，应力计安装最大深度为14 m。观测所得数据结果如图5、图6所示。分析运输平巷回采煤体钻孔应力计压力曲线图，得出表2。可以看出，超前支承压力影响范围约为48.5 m，应力峰值距工作面均值为16.5 m。

图5 运输平巷回采煤体2 m钻孔应力计压力曲线

图6 运输平巷回采煤体14 m钻孔应力计压力曲线

表2 钻孔应力计观测数据分析

3) 沿空煤柱超前支承压力分析。沿空煤柱处测站中共安装KSE-Ⅱ-1型钻孔应力计4套。其中:安装深度2 m仪器在安装后由于漏液压力读数较小，其余均正常使用。观测所得数据结果如图7～图10及表3所示。

图7 沿空煤柱2.0 m钻孔应力计压力曲线

图8 沿空煤柱2.5 m钻孔应力计压力曲线

图9 沿空煤柱3.0 m钻孔应力计压力曲线

图10 沿空煤柱3.5 m钻孔应力计压力曲线

表3 钻孔应力计观测数据分析

由表3可以看出，超前支承压力影响范围均值为49.5 m，应力峰值距离工作面煤壁距离波动幅度较大，窄煤柱不同深度煤体在受到采动影响时产生不同程度的破坏，2.5 m钻孔应力计仍处于应力升高区，煤柱中存在完整区域，但受工作面采动影响的程度较小；煤柱受工作面回采的影响范围由两侧向煤柱中部递减趋势。

4 结 语

1) 沿空巷道超前支承压力影响范围略大于实体煤巷道，运输平巷超前支承影响范围为48.5 m，煤柱侧超前支承压力影响范围均值为49.5 m，辅助运输平巷超前支承压力影响范围均值为47.3 m；沿空煤柱受影响范围及强度均最小，覆岩大结构处于稳定状态，窄煤柱位置处于上的应力降低区。

2) 当工作面推采过窄煤柱测点后，煤柱中仍存在有应力增高区，可见，煤柱处于合理的位置并具有一定的支护强度能较好地适应上覆大结构下沉，在工作面推过时仍能保持稳定的状态；观测数据显示煤柱受超前支承压力影响，浅部相对中部比较敏感，煤柱浅部位置最先受到影响。