保德煤矿高应力综放面回采巷道超前矿压显现特征研究

董俊亮

（神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315）

0 引 言

在工作面回采过程中，采动影响对工作面及回采巷道的稳定性具有很大的影响，易造成工作面煤壁片帮、巷道顶板下沉及巷道底鼓等问题[1]。因此，我国学者针对采动影响条件下工作面矿压相关问题进行了大量研究。

针对近距离采空区下煤层工作面矿压显现问题，周波等以湘桥煤矿10号煤层为背景，采用UDEC数值软件分析了近距离采空条件下，工作面的矿压规律，研究结果为下煤层工作面超前位置矿压管理提供了理论基础[2]；为了解近距离煤层上行开采时的矿压显现规律，孙胜以钱家营矿为工程背景，采用数值模拟和现场监测相结合的方法，得出了采动应力的分布特点及影响范围[3]；为研究千米深井矿压显现特征，刘强等构建出了监测-覆岩离层位移监测体系，对现场煤岩体进行监测，得出深部煤岩体因开采呈现出非线性特征[4]；为研究超长工作面的矿压规律，王保强等通过理论计算、数值模拟等方法，得出基本顶的破断规律及应力峰值变化特点，对现场工作面回采提供了指导[5]；为分析高承压水坚硬顶板工作面矿压规律，武文清以九龙矿15449S工作面为研究对象，建立了矿压显现和水压变化间的关系，为该类工作面顶板来压预测和安全生产提供了经验[6]；为研究果空巷群工作面支护及矿压显现规律，张国恩等以乌兰木伦煤矿12404-1工作面为对象，通过理论分析及现场监测，分析了过空巷时矿压显现特征，为现场支护及矿压问题管理提出了有益建议[7]。朱威等针对厚煤层综放采场提出顶板活动规律和支架适应性相关技术参数，为相似条件下煤炭开采提供了参考依据[8]；张锋等对顶板坚硬的特厚煤层综放工作面的放顶方法及关键参数进行了设计，得出了围岩破坏的空间范围[9]。

上述研究对综放工作面矿压显现问题进行了研究和分析和总结，对了解工作面回采过程中的矿压特征做出了贡献。但是，针对高应力综放工作面回采巷道超前矿压显现特征的研究较少，同时，受煤矿开采地质条件因素影响，不同矿井或相同矿井不同区域间的矿压显现特征都存在着明显的差异。因此，为了探究保德煤矿高应力综放工作面回采巷道超前矿压显现特征，以保德煤矿当前正在回采81308综放面为研究对象，对高应力综放工作面回采巷道的矿压显现特征进行研究，为工作面矿压问题治理及回采巷道超前支护提供理论基础和指导。

1 工程概况

1.1 地质概况

保德煤矿81308工作面为综放面，所采煤层为二叠纪煤层，平均厚度为6.4 m（4.5～7.9 m），煤层平均夹矸3层，单层夹矸最大厚度0.8 m。直接顶为泥岩、中粒砂岩，层厚为0～3.3 m，平均2 m；老顶为粗粒砂岩，层厚0.9～11.56 m，平均7 m；直接底为泥岩、砂质泥岩，层厚0.3～3.2 m，平均2.5 m。81308综放工作面长度为240 m，采用“一面三巷”的巷道布置方式，东邻81307工作面采空区，西为81309备采工作面，回采巷道净宽5 m，净高3.8 m。临近采空区及巷道空间位置关系如图1所示。

图1 81 308综放工作面空间位置关系Fig.1 Spatial position relationship of 81308 fully mechanized caving face

1.2 81308工作面来压特征分析

现场观测结果显示，81308工作面初步来压步距约为18 m，周期来压步距约为8～11 m。回采过程中支架载荷为25.2～49.8 MPa，平均30.4 MPa。来压时支架载荷为40～49.8 MPa，平均为42.6 MPa，具有来压步距短、动载矿压较强等特征。在临近的81307工作面及本工作面回采过程中，出现了巷道局部底鼓、变形及工作面局部煤壁片帮等矿压现象，如图2所示。因此，由上述分析可知81308工作面属于典型的高应力综放工作面。

图2 工作面回采巷道底鼓区域现场情况Fig.2 Field situation of floor heave area of working face mining roadway

2 工作面回采巷道超前矿压显现特征模拟分析

2.1 数值模型建立

为了分析81308综放面回采巷道超前矿压显现特征，以实际地质条件为依据，建立81308工作面及回采巷道数值模型。模型总长度为640 m，宽度为100 m，其中81307工作面采空区宽250 m，81308工作面长度为240 m，模型如图3所示。

图3 81 308工作面数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model of 81308 working face

模型除顶部边界外其余5个边界均施加固定边界条件。依据埋深及临近巷道地应力测试值结果，在模型顶部施加13 MPa均匀荷载来模拟上覆岩层压力，并根据顶底板实际岩性及参数，为模型中的岩层赋予模型物理力学参数。待初始地应力平衡后，进行巷道与工作面的开挖，其顺序为回采巷道—支护—81307工作面—81308工作面。研究81308工作面回采对其回采巷道护巷煤柱、围岩表面及内部应力应变情况的影响，分析工作面回采巷道超前矿压分布特征。

2.2 模拟结果

2.2.1 回采巷道不同超前位置应力特征分析

为分析回采巷道不同超前位置应力特征，截取工作面前方5、10、15、20 m垂直应力结果云图，如图4所示。

图4 回采巷道不同超前位置垂直应力云图Fig.4 Vertical stress nephogram of different advance positions of mining roadway

由图4可知，巷道顶底板附近存在低应力区域，大致呈拱形，并向采空区侧倾斜。靠近81307采空区侧煤柱内部垂直应力水平普遍高于另一侧，在采空区侧煤柱内部存在明显的高应力区，随着距工作面距离的增加，高应力区域逐渐减小。此外，由煤柱内部高应力区来看分布情况可知，煤柱内部存在承载区域，未发生贯穿式塑性破坏，说明现有煤柱尺寸能够较好的起到护巷作用。

为进一步分析回采巷道不同超前位置应力特征，在巷道顶板提取了垂直应力数据，结果如图5所示。

图5 不同超前位置回采巷道及煤柱垂直应力Fig.5 Vertical stress of roadway and coal pillar in different advance positions

如图5所示，由工作面前方5～20 m的过程中，回采巷道超前应力水平呈现逐渐降低的趋势，回采巷道上方的垂直应力远小于煤柱范围内的应力。在回采巷道4个不同超前位置，工作面超前5 m处应力最高，其中靠近81307采空区侧最大应力位于25 m煤柱内部，其应力值约为29.2 MPa，靠近81309工作面侧最大值位于12 m煤柱内部，其应力值约为16.4 MPa。靠近81307工作面采空区侧巷道及煤柱垂直应力水平相对于81309工作面侧整体明显偏高，说明采空区对巷道超前应力分布特征存在较大影响。

2.2.2 采动影响范围分析

为进一步分析工作面回采时巷道超前位置及工作面前方垂直应力的分布情况，沿工作面推进方向提取了81308工作面中部位置处、81308一号进风顺槽及81308胶运顺槽顶板的垂直应力数据，结果如图6所示。

图6 沿工作面推进方向垂直应力分布曲线Fig.6 Vertical stress distribution curve along advancing direction of working face

由图6可知，随着距工作面距离的不断增加，垂直应力整体呈现先增加后减低的趋势。由于巷道围岩发生破坏，因此，巷道所在区域的垂直应力整体偏低，工作面前方煤体应力水平普遍较高，且变化趋势明显。其中，81308一号进风顺槽垂直应力峰值为18.90 MPa，位于工作面超前13.42 m处；81308胶运顺槽垂直应力峰值为15.56 MPa，位于工作面超前13.62 m处；工作面中部应力峰值为29.99 MPa，位于工作面前方14.22 m处。工作面超前约31.6 m之外，垂直应力几乎不在变化，说明工作面前方的煤体几乎未受工作面采动影响。因此，由上述模拟结果可知，工作面采动影响范围大约位于超前31.6 m范围内。

3 回采巷道超前矿压显现特征现场监测

为进一步分析81308工作面回采巷道超前矿压显现特征，在81308一号进风顺槽与81308胶运顺槽采用单体液压支柱工作阻力检测仪，对超前支护单体支柱压力进行监测，同时，利用十字布点法及表面位移计相结合的方法对巷道表面位移进行检测。

3.1 回采巷道超前支承压力监测

由于81308一号进风顺槽使用单体液压支柱进行超前支护，超前支护范围为50 m，81308胶运顺槽采用自移式超前组合支护装置对进行超前支护，超前支护范围为20 m。因此，为分析回采巷道超前支承压力特征，对单体液压支柱及自移式超前组合支护装置的工作阻力监测，结果如图7所示。

图7 81 308工作面回采巷道超前支承压力监测Fig.7 81308 working face roadway advanced support pressure monitoring

如图7所示，81308一号进风顺槽单体液压支柱的工作阻力在距工作面煤壁17 m和44 m处出现显著变化，工作面采动影响产生的载荷在距工作面煤壁0～17 m处于较高水平，最大值位于工作面前方17 m，值约为37.3 MPa；在距工作面煤壁44 m之外压力降低到一个相对较低水平。81308胶运顺槽在距工作面16 m处，自移式超前组合支护装置支护阻力最大，其最大值约为28.0 MPa，在距工作面16 m之后呈现降低趋势。通过上述分析，可看出81308工作面回踩巷道超前支承压力峰值大概位于超前16～18 m位置，实际生产中应加强对该范围内巷道顶板的管理，以更好的确保工作面安全高效生产。

3.2 回采巷道表面位移监测

为分析81308工作面生产过程中，回采巷道超前区域巷道变形特征，在81308一号进风顺槽及胶运顺槽超前40 m处布置测站，进行巷道表面位移监测，结果如图8所示，其中81308胶运顺槽由于自移式超前组合支护装置的影响，该巷不便于对底鼓情况进行测量，因此未对其进行底鼓监测。

图8 81 308工作面回采巷道表面位移监测Fig.8 81308 working face roadway surface displacement monitoring

如图8所示，81308工作面两回采巷道表面变形整体呈现逐渐递增的趋势，变形量增速表现为“慢-快-慢”的形式，受采动影响显著。监测期间81308一号进风顺槽最大底鼓量为79.6 mm，顶板下沉量最大为89.0 mm，正帮最大变形量153.5 mm，副帮最大变形量178.6 mm；81308胶运顺槽顶板下沉量最大为81.0 mm，正帮最大变形量125.8 mm，副帮最大变形量111.2 mm。由上述结果可知，相对于81308胶运顺槽，靠近81307采空区侧的81308一号进风顺槽的整体变形量较大。因此，在工作回采过程中应着重加强该巷道的变形监测和治理。

4 结 论

（1）现场监测及模拟结果表明，保德煤矿高应力综放面回采巷道超前位置表现出了压力峰值大，围岩变形受采动影响显著的特点。

（2）模拟结果显示超前支承压力峰值位于工作面前方13.42 m，现场监测结果为工作面前方17 m，因此，回采巷道超前支承压力峰值大概位于13.42～17.0 m，邻近采空区侧回采巷道超前区域受应力水平及巷道围岩变形程度均较高，在工作面回采过程中，应加强对该回采巷道矿压及围岩变形监测与治理。