保德煤礦高應力綜放面回采巷道超前礦壓顯現特征研究

董俊亮

（神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315）

0 引 言

在工作面回采過程中，采動影響對工作面及回采巷道的穩定性具有很大的影響，易造成工作面煤壁片幫、巷道頂板下沉及巷道底鼓等問題[1]。因此，我國學者針對采動影響條件下工作面礦壓相關問題進行了大量研究。

針對近距離采空區下煤層工作面礦壓顯現問題，周波等以湘橋煤礦10號煤層為背景，采用UDEC數值軟件分析了近距離采空條件下，工作面的礦壓規律，研究結果為下煤層工作面超前位置礦壓管理提供了理論基礎[2]；為了解近距離煤層上行開采時的礦壓顯現規律，孫勝以錢家營礦為工程背景，采用數值模擬和現場監測相結合的方法，得出了采動應力的分布特點及影響范圍[3]；為研究千米深井礦壓顯現特征，劉強等構建出了監測-覆巖離層位移監測體系，對現場煤巖體進行監測，得出深部煤巖體因開采呈現出非線性特征[4]；為研究超長工作面的礦壓規律，王保強等通過理論計算、數值模擬等方法，得出基本頂的破斷規律及應力峰值變化特點，對現場工作面回采提供了指導[5]；為分析高承壓水堅硬頂板工作面礦壓規律，武文清以九龍礦15449S工作面為研究對象，建立了礦壓顯現和水壓變化間的關系，為該類工作面頂板來壓預測和安全生產提供了經驗[6]；為研究果空巷群工作面支護及礦壓顯現規律，張國恩等以烏蘭木倫煤礦12404-1工作面為對象，通過理論分析及現場監測，分析了過空巷時礦壓顯現特征，為現場支護及礦壓問題管理提出了有益建議[7]。朱威等針對厚煤層綜放采場提出頂板活動規律和支架適應性相關技術參數，為相似條件下煤炭開采提供了參考依據[8]；張鋒等對頂板堅硬的特厚煤層綜放工作面的放頂方法及關鍵參數進行了設計，得出了圍巖破壞的空間范圍[9]。

上述研究對綜放工作面礦壓顯現問題進行了研究和分析和總結，對了解工作面回采過程中的礦壓特征做出了貢獻。但是，針對高應力綜放工作面回采巷道超前礦壓顯現特征的研究較少，同時，受煤礦開采地質條件因素影響，不同礦井或相同礦井不同區域間的礦壓顯現特征都存在著明顯的差異。因此，為了探究保德煤礦高應力綜放工作面回采巷道超前礦壓顯現特征，以保德煤礦當前正在回采81308綜放面為研究對象，對高應力綜放工作面回采巷道的礦壓顯現特征進行研究，為工作面礦壓問題治理及回采巷道超前支護提供理論基礎和指導。

1 工程概況

1.1 地質概況

保德煤礦81308工作面為綜放面，所采煤層為二疊紀煤層，平均厚度為6.4 m（4.5～7.9 m），煤層平均夾矸3層，單層夾矸最大厚度0.8 m。直接頂為泥巖、中粒砂巖，層厚為0～3.3 m，平均2 m；老頂為粗粒砂巖，層厚0.9～11.56 m，平均7 m；直接底為泥巖、砂質泥巖，層厚0.3～3.2 m，平均2.5 m。81308綜放工作面長度為240 m，采用“一面三巷”的巷道布置方式，東鄰81307工作面采空區，西為81309備采工作面，回采巷道凈寬5 m，凈高3.8 m。臨近采空區及巷道空間位置關系如圖1所示。

圖1 81 308綜放工作面空間位置關系Fig.1 Spatial position relationship of 81308 fully mechanized caving face

1.2 81308工作面來壓特征分析

現場觀測結果顯示，81308工作面初步來壓步距約為18 m，周期來壓步距約為8～11 m?；夭蛇^程中支架載荷為25.2～49.8 MPa，平均30.4 MPa。來壓時支架載荷為40～49.8 MPa，平均為42.6 MPa，具有來壓步距短、動載礦壓較強等特征。在臨近的81307工作面及本工作面回采過程中，出現了巷道局部底鼓、變形及工作面局部煤壁片幫等礦壓現象，如圖2所示。因此，由上述分析可知81308工作面屬于典型的高應力綜放工作面。

圖2 工作面回采巷道底鼓區域現場情況Fig.2 Field situation of floor heave area of working face mining roadway

2 工作面回采巷道超前礦壓顯現特征模擬分析

2.1 數值模型建立

為了分析81308綜放面回采巷道超前礦壓顯現特征，以實際地質條件為依據，建立81308工作面及回采巷道數值模型。模型總長度為640 m，寬度為100 m，其中81307工作面采空區寬250 m，81308工作面長度為240 m，模型如圖3所示。

圖3 81 308工作面數值計算模型Fig.3 Numerical calculation model of 81308 working face

模型除頂部邊界外其余5個邊界均施加固定邊界條件。依據埋深及臨近巷道地應力測試值結果，在模型頂部施加13 MPa均勻荷載來模擬上覆巖層壓力，并根據頂底板實際巖性及參數，為模型中的巖層賦予模型物理力學參數。待初始地應力平衡后，進行巷道與工作面的開挖，其順序為回采巷道—支護—81307工作面—81308工作面。研究81308工作面回采對其回采巷道護巷煤柱、圍巖表面及內部應力應變情況的影響，分析工作面回采巷道超前礦壓分布特征。

2.2 模擬結果

2.2.1 回采巷道不同超前位置應力特征分析

為分析回采巷道不同超前位置應力特征，截取工作面前方5、10、15、20 m垂直應力結果云圖，如圖4所示。

圖4 回采巷道不同超前位置垂直應力云圖Fig.4 Vertical stress nephogram of different advance positions of mining roadway

由圖4可知，巷道頂底板附近存在低應力區域，大致呈拱形，并向采空區側傾斜?？拷?1307采空區側煤柱內部垂直應力水平普遍高于另一側，在采空區側煤柱內部存在明顯的高應力區，隨著距工作面距離的增加，高應力區域逐漸減小。此外，由煤柱內部高應力區來看分布情況可知，煤柱內部存在承載區域，未發生貫穿式塑性破壞，說明現有煤柱尺寸能夠較好的起到護巷作用。

為進一步分析回采巷道不同超前位置應力特征，在巷道頂板提取了垂直應力數據，結果如圖5所示。

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

如圖5所示，由工作面前方5～20 m的過程中，回采巷道超前應力水平呈現逐漸降低的趨勢，回采巷道上方的垂直應力遠小于煤柱范圍內的應力。在回采巷道4個不同超前位置，工作面超前5 m處應力最高，其中靠近81307采空區側最大應力位于25 m煤柱內部，其應力值約為29.2 MPa，靠近81309工作面側最大值位于12 m煤柱內部，其應力值約為16.4 MPa?？拷?1307工作面采空區側巷道及煤柱垂直應力水平相對于81309工作面側整體明顯偏高，說明采空區對巷道超前應力分布特征存在較大影響。

2.2.2 采動影響范圍分析

為進一步分析工作面回采時巷道超前位置及工作面前方垂直應力的分布情況，沿工作面推進方向提取了81308工作面中部位置處、81308一號進風順槽及81308膠運順槽頂板的垂直應力數據，結果如圖6所示。

圖6 沿工作面推進方向垂直應力分布曲線Fig.6 Vertical stress distribution curve along advancing direction of working face

由圖6可知，隨著距工作面距離的不斷增加，垂直應力整體呈現先增加后減低的趨勢。由于巷道圍巖發生破壞，因此，巷道所在區域的垂直應力整體偏低，工作面前方煤體應力水平普遍較高，且變化趨勢明顯。其中，81308一號進風順槽垂直應力峰值為18.90 MPa，位于工作面超前13.42 m處；81308膠運順槽垂直應力峰值為15.56 MPa，位于工作面超前13.62 m處；工作面中部應力峰值為29.99 MPa，位于工作面前方14.22 m處。工作面超前約31.6 m之外，垂直應力幾乎不在變化，說明工作面前方的煤體幾乎未受工作面采動影響。因此，由上述模擬結果可知，工作面采動影響范圍大約位于超前31.6 m范圍內。

3 回采巷道超前礦壓顯現特征現場監測

為進一步分析81308工作面回采巷道超前礦壓顯現特征，在81308一號進風順槽與81308膠運順槽采用單體液壓支柱工作阻力檢測儀，對超前支護單體支柱壓力進行監測，同時，利用十字布點法及表面位移計相結合的方法對巷道表面位移進行檢測。

3.1 回采巷道超前支承壓力監測

由于81308一號進風順槽使用單體液壓支柱進行超前支護，超前支護范圍為50 m，81308膠運順槽采用自移式超前組合支護裝置對進行超前支護，超前支護范圍為20 m。因此，為分析回采巷道超前支承壓力特征，對單體液壓支柱及自移式超前組合支護裝置的工作阻力監測，結果如圖7所示。

圖7 81 308工作面回采巷道超前支承壓力監測Fig.7 81308 working face roadway advanced support pressure monitoring

如圖7所示，81308一號進風順槽單體液壓支柱的工作阻力在距工作面煤壁17 m和44 m處出現顯著變化，工作面采動影響產生的載荷在距工作面煤壁0～17 m處于較高水平，最大值位于工作面前方17 m，值約為37.3 MPa；在距工作面煤壁44 m之外壓力降低到一個相對較低水平。81308膠運順槽在距工作面16 m處，自移式超前組合支護裝置支護阻力最大，其最大值約為28.0 MPa，在距工作面16 m之后呈現降低趨勢。通過上述分析，可看出81308工作面回踩巷道超前支承壓力峰值大概位于超前16～18 m位置，實際生產中應加強對該范圍內巷道頂板的管理，以更好的確保工作面安全高效生產。

3.2 回采巷道表面位移監測

為分析81308工作面生產過程中，回采巷道超前區域巷道變形特征，在81308一號進風順槽及膠運順槽超前40 m處布置測站，進行巷道表面位移監測，結果如圖8所示，其中81308膠運順槽由于自移式超前組合支護裝置的影響，該巷不便于對底鼓情況進行測量，因此未對其進行底鼓監測。

圖8 81 308工作面回采巷道表面位移監測Fig.8 81308 working face roadway surface displacement monitoring

如圖8所示，81308工作面兩回采巷道表面變形整體呈現逐漸遞增的趨勢，變形量增速表現為“慢-快-慢”的形式，受采動影響顯著。監測期間81308一號進風順槽最大底鼓量為79.6 mm，頂板下沉量最大為89.0 mm，正幫最大變形量153.5 mm，副幫最大變形量178.6 mm；81308膠運順槽頂板下沉量最大為81.0 mm，正幫最大變形量125.8 mm，副幫最大變形量111.2 mm。由上述結果可知，相對于81308膠運順槽，靠近81307采空區側的81308一號進風順槽的整體變形量較大。因此，在工作回采過程中應著重加強該巷道的變形監測和治理。

4 結 論

（1）現場監測及模擬結果表明，保德煤礦高應力綜放面回采巷道超前位置表現出了壓力峰值大，圍巖變形受采動影響顯著的特點。

（2）模擬結果顯示超前支承壓力峰值位于工作面前方13.42 m，現場監測結果為工作面前方17 m，因此，回采巷道超前支承壓力峰值大概位于13.42～17.0 m，鄰近采空區側回采巷道超前區域受應力水平及巷道圍巖變形程度均較高，在工作面回采過程中，應加強對該回采巷道礦壓及圍巖變形監測與治理。