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        工作面前方支承壓力分布情況的研究

        2023-11-29 05:35:22劉如鵬
        同煤科技 2023年5期

        田 帥,劉如鵬

        (1.晉能控股集團荊寶煤業(yè)有限公司,山西 長治 046299;2.陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727306)

        綜采工作面在進入末采階段時,要考慮回撤通道是否需要補強支護及采動壓力對大巷的影響,摸清綜采工作面末采階段超前壓力影響范圍及強度,采取合理的措施進行預控、管控,減小對安全回撤以及對大巷壓力的影響,保證礦井安全生產(chǎn)[1-3]。本文以某礦209綜采工作面末采階段為研究對象,基于煤體應(yīng)力在線實時監(jiān)測,通過在煤體內(nèi)埋設(shè)高精度應(yīng)力傳感器,實時監(jiān)測采動圍巖近場系統(tǒng)內(nèi)靜態(tài)載荷的急劇變化,從而掌握末采階段的區(qū)域應(yīng)力演化規(guī)律,對綜采工作面安全回撤及合理留設(shè)大巷保護煤柱具有借鑒意義[4-6]。

        1 工作面概況

        礦井井田采用盤區(qū)式劃分,209 智能化綜采工作面是二盤區(qū)右翼第五個工作面,采用智能機械化走向長壁后退式一次采全高的采煤法,全部垮落法處理采空區(qū)頂板。工作面東北部、西北部為未采區(qū),西南緊鄰207 采空區(qū),東北部緊鄰211 工作面,煤層平均厚度為3 m,平均傾角為2°,開采深度為465~707 m,工作面傾向長度300.5 m,走向長度4 281 m,可采長度4 103 m。煤層頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。留設(shè)保護煤柱150 m(膠帶巷停采點垂直距大巷距離),當工作面回采距停采線500 m時,對膠帶巷、回風巷停采線以外50~150 m范圍進行補強支護,防止采動壓力對超前巷道的破壞,保證工作面回撤安全。209 工作面液壓支架采用SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)控制,通過紅外傳感對位等方式,感知采煤機位置與方向,液壓支架跟隨采煤機自動移架、自動推移刮板輸送機、自動噴霧等作業(yè)。209工作面選用ZY10000/23/45D型液壓支架(過渡液壓支架:ZYG10000/23/45D;端頭液壓支架:ZYT12000/23/45D)對工作面頂板進行自動跟機移架支護。

        表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

        2 煤體應(yīng)力監(jiān)測方案

        1)鉆孔應(yīng)力計布置。鉆孔應(yīng)力計共計布置測站2組,一組布置在209膠帶巷實體煤側(cè),距209工作面停采線100 m位置處布置4個鉆孔應(yīng)力計,鉆孔深度依次為5 m、7 m、9 m、11 m;另一組布置在209 回風巷實體煤側(cè),距209工作面停采線100 m位置處布置2個鉆孔應(yīng)力計,鉆孔深度依次為5 m、9 m。鉆孔應(yīng)力計具體布置見圖1。

        圖1 鉆孔應(yīng)力計具體布置圖

        2)鉆孔應(yīng)力計安裝。鉆孔孔徑48 mm,開孔點距底板1.5 m,垂直于巷道兩幫,鉆孔傾角與煤層傾角保持一致。安裝鉆孔應(yīng)力計時要保持壓力枕垂直于走向的方向,并保持傳感器水平位置,至孔底后使用手動壓力泵將油壓枕壓力調(diào)節(jié)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。209膠帶巷實體煤側(cè)(距停采線100 m)鉆孔4 個,孔深分別為5 m、7 m、9 m、11 m,孔徑為48 mm,角度為0°,鉆孔間距為1 m;209 回風巷實體煤側(cè)(距停采線100 m)鉆孔2 個,孔深分別為5 m、9 m,孔徑為48 mm,角度為0°,鉆孔間距為2 m。鉆孔應(yīng)力計見圖2,鉆孔應(yīng)力計安裝剖面圖見圖3。

        圖2 鉆孔應(yīng)力計

        圖3 鉆孔應(yīng)力計安裝剖面圖

        3 末采區(qū)域應(yīng)力監(jiān)測分析

        3.1 膠帶巷鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測分析

        1)5 m測點。鉆孔應(yīng)力計孔深5 m,設(shè)備初始應(yīng)力5.6 MPa。由應(yīng)力變化曲線圖4可知:當工作面煤壁距離測點41.6 m時,該測點的監(jiān)測應(yīng)力開始升高,表明該測點受到采動壓力的作用進入超前支承壓力初始應(yīng)力增長階段;當工作面煤壁距離測點14.4 m時,測點應(yīng)力變化梯度顯著增加,表明該測點進入超前支承壓力顯著增長階段;最終該測點達到支承壓力峰值時,監(jiān)測應(yīng)力為11.31 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.02。

        圖4 膠帶巷5 m測點應(yīng)力變化曲線

        2)7 m測點。鉆孔應(yīng)力計孔深7 m,設(shè)備初始應(yīng)力6.8 MPa。由應(yīng)力變化曲線圖5可知:當工作面煤壁距離測點42.0 m時,該測點的監(jiān)測應(yīng)力開始升高,表明該測點受到采動壓力的作用進入超前支承壓力初始應(yīng)力增長階段;當工作面煤壁距離測點15.0 m時,測點應(yīng)力變化梯度顯著增加,表明該測點進入超前支承壓力顯著增長階段;最終該測點達到支承壓力峰值時,監(jiān)測應(yīng)力為9.31 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.37。

        圖5 膠帶巷7 m測點應(yīng)力變化曲線

        3)9 m測點。鉆孔應(yīng)力計孔深9 m,設(shè)備初始應(yīng)力6.4 MPa。由應(yīng)力變化曲線圖6可知:當工作面煤壁距離測點42.0 m時,該測點的監(jiān)測應(yīng)力開始升高,表明該測點受到采動壓力的作用進入超前支承壓力初始應(yīng)力增長階段;當工作面煤壁距離測點15.0 m時,測點應(yīng)力變化梯度顯著增加,表明該測點進入超前支承壓力顯著增長階段;最終該測點達到支承壓力峰值時,監(jiān)測應(yīng)力為10.74 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.68。

        圖6 膠帶巷9 m測點應(yīng)力變化曲線

        4)11 m測點。鉆孔應(yīng)力計孔深11 m,設(shè)備初始應(yīng)力4.6 MPa。由應(yīng)力變化曲線圖7可知:當工作面煤壁距離測點42.0 m時,該測點的監(jiān)測應(yīng)力開始升高,表明該測點受到采動壓力的作用進入超前支承壓力初始應(yīng)力增長階段;當工作面煤壁距離測點15.0 m時,測點應(yīng)力變化梯度顯著增加,表明該測點進入超前支承壓力顯著增長階段;最終該測點達到支承壓力峰值時,監(jiān)測應(yīng)力為5.95 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.30。

        圖7 膠帶巷11 m測點應(yīng)力變化曲線

        綜上所述,膠帶巷末采區(qū)域工作面超前支承壓力影響范圍41~42 m,平均41.9 m;應(yīng)力集中系數(shù)1.37~2.02,平均1.59;支承壓力顯著變化區(qū)14.0~15.0 m,平均14.9 m。

        3.2 回風巷鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測分析

        1)5 m測點。鉆孔應(yīng)力計孔深5 m,設(shè)備初始應(yīng)力4.6 MPa。由應(yīng)力變化曲線圖8可知:當工作面煤壁距離測點121.5 m 時,該測點的監(jiān)測應(yīng)力開始升高,表明該測點受到采動壓力的作用進入超前支承壓力初始應(yīng)力增長階段;當工作面煤壁距離測點42.3 m時,測點應(yīng)力變化梯度顯著增加,表明該測點進入超前支承壓力顯著增長階段;最終該測點達到支承壓力峰值時,監(jiān)測應(yīng)力為13.11 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.85。

        圖8 回風巷5 m測點應(yīng)力變化曲線

        2)9 m測點。鉆孔應(yīng)力計孔深9 m,設(shè)備初始應(yīng)力3.0 MPa。由應(yīng)力變化曲線圖9可知:當工作面煤壁距離測點147 m 時,表明該測點受到采動壓力的作用進入超前支承壓力初始應(yīng)力增長階段;當工作面煤壁距離測點60 m 時,測點應(yīng)力變化梯度顯著增加,表明該測點進入超前支承壓力顯著增長階段;當工作面煤壁距離測點18 m 時,該測點達到支承壓力峰值,監(jiān)測應(yīng)力為10.85 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為3.70。

        圖9 回風巷9 m測點應(yīng)力變化曲線

        綜上所述,回風巷末采區(qū)域工作面超前支承壓力影響范圍121~147 m,平均134.3 m;應(yīng)力峰值超前工作面18 m;應(yīng)力集中系數(shù)2.85~3.70,平均3.28;支承壓力顯著變化區(qū)43.2~60.0 m,平均51.6 m。

        4 結(jié)論

        1)209膠帶巷末采區(qū)域工作面超前支承壓力影響范圍41~42 m,平均41.9 m,支承壓力顯著變化區(qū)14.0~15.0 m,平均14.9 m,故209 工作面末采回撤前需對停采線外0~42m進行補強支護,保證頂板安全。

        2)209回風巷末采區(qū)域工作面超前支承壓力影響范圍121~147 m,平均134.3 m;應(yīng)力峰值超前工作面18 m,支承壓力顯著變化區(qū)43.2~60.0 m,平均51.6 m,故209 工作面末采回撤前需對停采線外0~147 m 進行補強支護,保證頂板安全。

        3)根據(jù)209 膠帶巷以及回風巷煤體應(yīng)力監(jiān)測,留設(shè)大巷保護煤柱必須大于147 m,方可避免工作面回采壓力對大巷的影響。

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