郝海明，任耀飛

（1.山西陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司 二礦，山西 陽泉 045000；2.山西潞安礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司 新疆公司，新疆 伊寧 835000）

1 概述

受回采工作及自重應(yīng)力的影響，工作面圍巖喪失其原始的應(yīng)力平衡并在回采工作面四周形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象［1-3］。工作面前超前支承壓力的分布見圖1。從圖1中，能夠看出在接近煤壁后側(cè)的煤體極易破壞，從而失去承載能力，成為塑性區(qū)，導(dǎo)致支承壓力不斷向煤體的深部傳遞，并在某一位置形成應(yīng)力集中［2-4］。

圖1 工作面超前支承壓力分布

通過現(xiàn)場監(jiān)測工作面超前支承壓力的分布規(guī)律，得出分層綜放工作面在回采過程中前方支承壓力分布范圍和強度，研究工作面前方支承壓力分布規(guī)律，以指導(dǎo)工作面超前支護參數(shù)選定與優(yōu)化。工作面支承壓力分布特征一般通過監(jiān)測工作面前方煤體應(yīng)力來研究，一般從工作面兩順槽在煤體內(nèi)安裝鉆孔煤體應(yīng)力計來開展監(jiān)測工作［5-8］。

2 應(yīng)力監(jiān)測

2.1 18041工作面概況

山鑫煤礦18041工作面開采M8煤層，煤層埋藏深度80～130m，平均煤厚20 m，采用分層綜放開采，開采的平均厚度是12m，其中割煤3m，放煤9 m。工作面循環(huán)開采的平均進度為0.8 m，采煤和放煤為一個循環(huán)，每天兩個生產(chǎn)作業(yè)班，每個班完成兩個循環(huán)。工作面選擇的支架型號為ZFY13000/24/42及ZFG5400/18/33，適應(yīng)采高在2.0～3.8 m、1.8～3.3 m，并跟頂回采。山鑫煤礦采用KJ-25煤體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)對18041綜放工作面煤體進行應(yīng)力監(jiān)測，該系統(tǒng)由三部分組成，分別是礦用本安型壓力監(jiān)測分站、信號轉(zhuǎn)換器、鉆孔應(yīng)力計等。通過工作面開采進尺和煤體的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以確定出工作面周圍應(yīng)力集中區(qū)域。

2.2 監(jiān)測點布置

在18041綜放工作面回風(fēng)順槽切眼前方20 m煤幫側(cè)安裝有煤體應(yīng)力計，每隔5 m安裝一個鉆孔應(yīng)力計，總共安裝了3個，但是在切眼前方20m煤幫側(cè)安裝的水平深度有所區(qū)別，由里向外分別是3 m、5 m和7m，測點編號分別為1#、2#和3#。18041綜放工作面煤體應(yīng)力計測點布置見圖2。

圖2 18041綜放工作面煤體應(yīng)力計測點布置

3 超前支承壓力分布特征分析

1#～3#鉆孔應(yīng)力計測得的煤體應(yīng)力曲線分別見圖3（a）～（c），鉆孔應(yīng)力計在三個測點的觀測結(jié)果統(tǒng)計見表1。

圖3 18041工作面各測點煤體應(yīng)力曲線

表1 鉆孔應(yīng)力計觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由煤體應(yīng)力曲線和觀測結(jié)果統(tǒng)計表可以得出18041工作面超前支承壓力服從如下規(guī)律：

1）應(yīng)力集中系數(shù)分布區(qū)間為1.2～1.4，平均約1.2，因此，超前支承壓力應(yīng)力集中系數(shù)較低，超前支承壓力整體緩和。

2）超前支承壓力影響范圍為7～10 m，平均約8.3m，遠低于一般工作面的20～70 m。因此，超前支承壓力影響范圍小。

3）2#測點的超前壓力峰值超前煤壁距離為3.1 m，而1#和3#測點觀測的應(yīng)力峰值超前煤壁距離為0 m，即直接位于煤壁上，應(yīng)力曲線表現(xiàn)為單一的彈性分布，即工作面前方煤體不存在塑性區(qū)，超前支承壓力峰值超前煤壁距離平均為1.1 m，因此，超前支承壓力峰值超前煤壁距離較小，峰值靠近煤壁。

4 原因分析

煤層的埋藏深度、煤體強度和采出厚度等因素對工作面超前支承壓力的分布都有一定的影響，對于18041綜放工作面而言，超前支撐壓力分布規(guī)律的原因為：

1）根本原因是工作面的埋藏深度較淺。18041工作面最小埋藏深度約80 m，根據(jù)經(jīng)驗公式，超前支承壓力峰值距煤壁距離x與埋深H的關(guān)系滿足：x=0.015，H=1.2 m，這與實測結(jié)果基本相符。

2）支承壓力峰值超前煤壁距離與頂板的強度成正比，與煤體強度成反比。根據(jù)煤巖物理力學(xué)測試結(jié)果，18041工作面煤層頂板平均天然抗壓強度為12.2～16.27 MPa，而煤層的天然單軸抗壓強度11.16～14.23 MPa，兩者測試的強度相差無幾，但根據(jù)現(xiàn)場觀測來看，直接頂在較長時間曝露后風(fēng)化松散或遇水軟化，其強度反不如煤層強度。因此，當(dāng)頂板在采動影響下發(fā)生離層、斷裂時，煤體往往還處于彈性狀態(tài)，變形量較小。另外，由于頂板松軟也決定了其周期破斷步距較小，其破斷失穩(wěn)時作用在煤體上的動載也較小，不足于使煤體或煤壁發(fā)生塑性破壞。

3）根據(jù)巷道圍巖移動的監(jiān)測結(jié)果，在開采過程中，煤壁前方的巷道頂板始終沒有明顯離層或下沉；而且，煤壁沒有出現(xiàn)明顯的破壞，片幫和冒頂現(xiàn)象較少。所以這些動力顯現(xiàn)均佐證了淺埋深工作面超前支承壓力整體緩和、影響范圍小、應(yīng)力峰值近甚至呈單一彈性狀態(tài)的特征。

5 結(jié)語

1）根據(jù)煤體應(yīng)力實測得出18041淺埋深分層綜放工作面的超前支承壓力分布具有整體相對平緩，應(yīng)力集中系數(shù)相對較低，超前支承壓力影響范圍小等特征。

2）根據(jù)巷道圍巖移動的監(jiān)測結(jié)果，在開采過程中，煤壁前方的巷道頂板始終沒有明顯離層或下沉；而且，煤壁沒有出現(xiàn)明顯的破壞，片幫和冒頂現(xiàn)象較少。這些特征均佐證了淺埋深工作面超前支承壓力整體緩和、影響范圍小、應(yīng)力峰值近甚至呈單一彈性狀態(tài)的特征。