工作面前方支承压力分布情况的研究

田 帅，刘如鹏

（1.晋能控股集团荆宝煤业有限公司，山西 长治 046299；2.陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727306）

综采工作面在进入末采阶段时，要考虑回撤通道是否需要补强支护及采动压力对大巷的影响，摸清综采工作面末采阶段超前压力影响范围及强度，采取合理的措施进行预控、管控，减小对安全回撤以及对大巷压力的影响，保证矿井安全生产[1-3]。本文以某矿209综采工作面末采阶段为研究对象，基于煤体应力在线实时监测，通过在煤体内埋设高精度应力传感器，实时监测采动围岩近场系统内静态载荷的急剧变化，从而掌握末采阶段的区域应力演化规律，对综采工作面安全回撤及合理留设大巷保护煤柱具有借鉴意义[4-6]。

1 工作面概况

矿井井田采用盘区式划分，209 智能化综采工作面是二盘区右翼第五个工作面，采用智能机械化走向长壁后退式一次采全高的采煤法，全部垮落法处理采空区顶板。工作面东北部、西北部为未采区，西南紧邻207 采空区，东北部紧邻211 工作面，煤层平均厚度为3 m，平均倾角为2°，开采深度为465～707 m，工作面倾向长度300.5 m，走向长度4 281 m，可采长度4 103 m。煤层顶底板岩性特征如表1所示。留设保护煤柱150 m（胶带巷停采点垂直距大巷距离），当工作面回采距停采线500 m时，对胶带巷、回风巷停采线以外50～150 m范围进行补强支护，防止采动压力对超前巷道的破坏，保证工作面回撤安全。209 工作面液压支架采用SAC型液压支架电液控制系统控制，通过红外传感对位等方式，感知采煤机位置与方向，液压支架跟随采煤机自动移架、自动推移刮板输送机、自动喷雾等作业。209工作面选用ZY10000/23/45D型液压支架（过渡液压支架：ZYG10000/23/45D；端头液压支架：ZYT12000/23/45D）对工作面顶板进行自动跟机移架支护。

表1 煤层顶底板岩性特征

2 煤体应力监测方案

1）钻孔应力计布置。钻孔应力计共计布置测站2组，一组布置在209胶带巷实体煤侧，距209工作面停采线100 m位置处布置4个钻孔应力计，钻孔深度依次为5 m、7 m、9 m、11 m；另一组布置在209 回风巷实体煤侧，距209工作面停采线100 m位置处布置2个钻孔应力计，钻孔深度依次为5 m、9 m。钻孔应力计具体布置见图1。

图1 钻孔应力计具体布置图

2）钻孔应力计安装。钻孔孔径48 mm，开孔点距底板1.5 m，垂直于巷道两帮，钻孔倾角与煤层倾角保持一致。安装钻孔应力计时要保持压力枕垂直于走向的方向，并保持传感器水平位置，至孔底后使用手动压力泵将油压枕压力调节到原岩应力状态。209胶带巷实体煤侧（距停采线100 m）钻孔4 个，孔深分别为5 m、7 m、9 m、11 m，孔径为48 mm，角度为0°，钻孔间距为1 m；209 回风巷实体煤侧（距停采线100 m）钻孔2 个，孔深分别为5 m、9 m，孔径为48 mm，角度为0°，钻孔间距为2 m。钻孔应力计见图2，钻孔应力计安装剖面图见图3。

图2 钻孔应力计

图3 钻孔应力计安装剖面图

3 末采区域应力监测分析

3.1 胶带巷钻孔应力计监测分析

1）5 m测点。钻孔应力计孔深5 m，设备初始应力5.6 MPa。由应力变化曲线图4可知：当工作面煤壁距离测点41.6 m时，该测点的监测应力开始升高，表明该测点受到采动压力的作用进入超前支承压力初始应力增长阶段；当工作面煤壁距离测点14.4 m时，测点应力变化梯度显著增加，表明该测点进入超前支承压力显著增长阶段；最终该测点达到支承压力峰值时，监测应力为11.31 MPa，应力集中系数为2.02。

图4 胶带巷5 m测点应力变化曲线

2）7 m测点。钻孔应力计孔深7 m，设备初始应力6.8 MPa。由应力变化曲线图5可知：当工作面煤壁距离测点42.0 m时，该测点的监测应力开始升高，表明该测点受到采动压力的作用进入超前支承压力初始应力增长阶段；当工作面煤壁距离测点15.0 m时，测点应力变化梯度显著增加，表明该测点进入超前支承压力显著增长阶段；最终该测点达到支承压力峰值时，监测应力为9.31 MPa，应力集中系数为1.37。

图5 胶带巷7 m测点应力变化曲线

3）9 m测点。钻孔应力计孔深9 m，设备初始应力6.4 MPa。由应力变化曲线图6可知：当工作面煤壁距离测点42.0 m时，该测点的监测应力开始升高，表明该测点受到采动压力的作用进入超前支承压力初始应力增长阶段；当工作面煤壁距离测点15.0 m时，测点应力变化梯度显著增加，表明该测点进入超前支承压力显著增长阶段；最终该测点达到支承压力峰值时，监测应力为10.74 MPa，应力集中系数为1.68。

图6 胶带巷9 m测点应力变化曲线

4）11 m测点。钻孔应力计孔深11 m，设备初始应力4.6 MPa。由应力变化曲线图7可知：当工作面煤壁距离测点42.0 m时，该测点的监测应力开始升高，表明该测点受到采动压力的作用进入超前支承压力初始应力增长阶段；当工作面煤壁距离测点15.0 m时，测点应力变化梯度显著增加，表明该测点进入超前支承压力显著增长阶段；最终该测点达到支承压力峰值时，监测应力为5.95 MPa，应力集中系数为1.30。

图7 胶带巷11 m测点应力变化曲线

综上所述，胶带巷末采区域工作面超前支承压力影响范围41～42 m，平均41.9 m；应力集中系数1.37～2.02，平均1.59；支承压力显著变化区14.0～15.0 m，平均14.9 m。

3.2 回风巷钻孔应力计监测分析

1）5 m测点。钻孔应力计孔深5 m，设备初始应力4.6 MPa。由应力变化曲线图8可知：当工作面煤壁距离测点121.5 m 时，该测点的监测应力开始升高，表明该测点受到采动压力的作用进入超前支承压力初始应力增长阶段；当工作面煤壁距离测点42.3 m时，测点应力变化梯度显著增加，表明该测点进入超前支承压力显著增长阶段；最终该测点达到支承压力峰值时，监测应力为13.11 MPa，应力集中系数为2.85。

图8 回风巷5 m测点应力变化曲线

2）9 m测点。钻孔应力计孔深9 m，设备初始应力3.0 MPa。由应力变化曲线图9可知：当工作面煤壁距离测点147 m 时，表明该测点受到采动压力的作用进入超前支承压力初始应力增长阶段；当工作面煤壁距离测点60 m 时，测点应力变化梯度显著增加，表明该测点进入超前支承压力显著增长阶段；当工作面煤壁距离测点18 m 时，该测点达到支承压力峰值，监测应力为10.85 MPa，应力集中系数为3.70。

图9 回风巷9 m测点应力变化曲线

综上所述，回风巷末采区域工作面超前支承压力影响范围121～147 m，平均134.3 m；应力峰值超前工作面18 m；应力集中系数2.85～3.70，平均3.28；支承压力显著变化区43.2～60.0 m，平均51.6 m。

4 结论

1）209胶带巷末采区域工作面超前支承压力影响范围41～42 m，平均41.9 m，支承压力显著变化区14.0～15.0 m，平均14.9 m，故209 工作面末采回撤前需对停采线外0～42m进行补强支护，保证顶板安全。

2）209回风巷末采区域工作面超前支承压力影响范围121～147 m，平均134.3 m；应力峰值超前工作面18 m，支承压力显著变化区43.2～60.0 m，平均51.6 m，故209 工作面末采回撤前需对停采线外0～147 m 进行补强支护，保证顶板安全。

3）根据209 胶带巷以及回风巷煤体应力监测，留设大巷保护煤柱必须大于147 m，方可避免工作面回采压力对大巷的影响。