大采高工作面采场支承压力分布规律分析

２０１４年第５期　中州煤炭　总第２２１期　大采高工作面采场支承压力分布规律分析　娄高中　，谷龙生　（１．河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作４５４０００；２．河南平宝煤业有限公司，河南汝州４６１７００）　摘要：以寺河矿大采高高效回采工作面为试验对象，采用超前支柱监测、回采巷道及留巷变形监测、煤体应力　监测等技术手段，研究分析了该工作面采场支承压力分布规律及巷道变形特征，为工作面巷道布置、采场及　巷道围岩控制等提供依据。研究结果表明，与常规大采高工作面相比，该工作面超前支承压力的影响范围为　９～１５　ｍ，集中系数为１．７～１　９，峰值位置前移，位于煤壁前方１２　ｍ处；后方支承压力具有明显的分区特征并　伴有一定的滞后性；侧向支承压力峰值位置变化不大。　关键词：大采高工作面；高效回采；采场支承压力；分布规律　中图分类号：ＴＤ３２３　文献标志码：Ａ　文章编号：１００３～０５０６（２０１４）０５—００１３—０３　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｌａｗｓ　ｏｆ　Ｓｔｏｐｅ　Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｆａｃｅ　ｗｉｔｈ　Ｌａｒｇｅ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｈｅｉｇｈｔ　Ｌｏｕ　Ｇａｏｚｈｏｎｇ　，Ｇｕ　Ｌｏｎｇｓｈｅｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，Ｈｅｎａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ　４５４０００，Ｃｈｉｎａ　２．Ｈｅｎａｎ　Ｐｉｎｇｂａｏ　Ｃｏａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｒｕｚｈｏｕ　４６１７００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔａｋｉｎｇ　Ｓｉｈｅ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　ｍｉｎｉｎｇ　ｈｅｉｇｈｔ　ｓｔｏｐｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｏｂｊｅｃｔ，ｕｓｉｎｇ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｐｉｌｌａｒｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｍｉｎｉｎｇ　ｒｏａｄｗａｙ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｓｔｒｅｓｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｍｅａｎｓ，ｍａｄｅ　ａ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｌａｗｓ　ａｎｄ　ｒｏａｄｗａｙ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｔｏｐｅ　ａｂｕｔｍｅｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆａｃｅ，ｔｈｉｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｈａｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｒｏａｄｗａｙ　ｌａｙｏｕｔ　ａｎｄ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｍｉｎｉｎｇ　ｆａｃｅ，ｔｈｅ　ｆａｃｅ　ｏｆ　ａｂｕｔｍｅｎｔ　ｐｒｅｓ—　ｓｕｒｅ　ｉｓ　ｆｒｏｍ　９　ｔｏ１５　ｍ，ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ　ｉｓ　ｆｒｏｍ　１．７　ｔｏ　１．９，ｔｈｅ　ｐｅａｋ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｍｏｖｅｓ　ｆｏｒｗａｒｄ，ｉｔ　ｉｓ　ｉｎ　ｆｒｏｎｔ　ｏｆｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｗａｌｌ　１２　ｍ．　Ｔｈｅ　ｒｅａｒ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｈａｓ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ａｃｃｏｍｐａｎｉｅｄ　ｂｙ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｌａｇ，ｔｈｅ　ｌａｔｅｒａｌ　ｐｅａｋ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｂｕｔｍｅｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｓ　ｉｎ　ｌｉｔｔｌｅ　ｃｈａｎｇｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｈｅｉｇｈｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆａｃｅ；ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ；ｓｔｏｐｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｌａｗ　晋煤集团寺河矿是原国家计委批准的“九・五”　岩控制等提供依据。　期间国家重点建设项目，６．２　ＩＴＩ大采高技术处于世　界领先地位，是国内唯一一座高瓦斯条件下开采的　千万吨级大型现代化矿井。寺河矿在东四盘区设计　１　采场支承压力观测方案　１．１单体支柱压力监测　加长工作面开采，４３０１工作面是该盘区的首采工作　面，工作面走向长２　３５３．５３　１ＴＩ，倾向长增加到２９７．５　ｍ；该工作面煤层平均厚６．２０　ｍ，高架整层开采；工　作面每日推进１０余ｍ，为大采高、大采长、快速推进　工作面。工作面长度、推进速度、采高等关键参数变　化，均会对采场支承压力演化和分布规律带来较大　变化　。因此，有必要采取相应措施对采场支承压　为研究４３０１工作面回采巷道超前支承压力分　布情况，在４３０１１、４３０１３巷分别超前５０　ｍ及３０　Ｉｌｌ　内布置单体液压支柱，并配套安装矿用单体数字压　力循环监测仪，测定单体支柱工作阻力变化情况，每　隔３　１２１一组，单体支柱压力监测布置如图１所示。　１．２　回采巷道变形监测　为了研究采场支承压力对回采巷道变形的时空　力进行实测分析，为工作面巷道布置、采场及巷道围　影响，分别在工作面前方４３０１３超前巷道内及后方　采空区４３０１２侧巷道内布置观测点。采用“十”字　布点法在监测断面布置测点，每隔１０　ｍ布置１个监　测断面，每巷布置１０个测点，确保数据的准确性。　・收稿日期：２０１３—１２—１７　作者简介：娄高中（１９８８一），男，河南平顶山人，河南理工大学能源　科学与工程学院在读研究生，研究方向为开采损害与保护。　１３・　２０１４年第５期　中州煤炭　总第２２１期　图１　单体支柱压力监测布置示意　１．３煤体应力监测　将ＺＹＪ一２５型钻孔应力计布置在４３０ｌ工作面前　方１５０　ｍ处，用于监测煤体应力。分为６个测点，共　安装６台钻孔应力计，１　测点位于回采工作面实体　煤内，２　一５　测点位于胶带巷的联络巷２集中煤柱　影响下煤体内，６　测点位于４３０１２巷靠近１４巷的联　络巷２巷口煤体内；钻孔应力计深度为６　ｍ。钻孔　应力计安装位置如图２所示。　图２钻子Ｌ应力计安装位置示意　２　工作面超前和后方支承压力分布规律　２．１　工作面超前支承压力分布规律　２．１．１　工作面超前单体支柱荷载分析　随着工作面的推进，对超前单体支柱荷载变化　进行观测，对观测结果进行整理分析，并绘制单体柱　载荷变化曲线（图３）。对图３进行分析可得到以下　结论　距工作面距离，ｍ　图３单体支柱荷载变化曲线　・１４・　（１）整体而言，单体液压支柱载荷随着距：亡作　东四盘区集中运输巷　面距离不断减小而不断增大；工作面前方３５～５０　ｍ　范围内，其压力变化平缓，单体支柱工作阻力为７～　１０　ＭＰａ；工作前方３５　Ｉｌｌ内，单体支柱工作阻力从１０　ＭＰａ缓慢上升，单体柱载荷在工作面前方１２　ｍ处达　到最大值，４３０１１、４３０１３巷分别为１７．３，１６．５　ＭＰａ。　（２）由于受到基本顶周期性破断以及周围已采　工作面残余应力集中两者相互叠加作用，荷载变化　趋势出现“驼峰”；随着工作面的推进，两方的应力　峰值以断裂线为基准向各自相反的方向发展，即呈　“背向”转移变化。由工作面两巷观测数据可知，超　前支承压力的影响范围主要在工作面前方５０　Ｉｌｌ范　围。　２．１．２　回采巷道表面位移变形特征分析　对４３０１３巷ｌ０个测点观测数据进行整理分析，　并和已采的３３４０３巷道变形观测数据进行对比，得　出高效回采工作面的表面位移规律（表１）。　表１　４３０１３巷道与３３０４３巷道表面位移规律　黼ｎｌ需　辚　豢ｎｌｍ￣ｄ－ｉ　２．１．３　工作面超前煤体应力监测数据分析　对超前钻孔应力计观测数据处理分析得出工作　面超前支承压力分布曲线（图４）。　距工作面距离／ｍ　图４工作面超前支承应力分布曲线　从图４可以反映出支承压力在工作面煤壁逐渐　推进中的变化趋势。工作面前方煤体由近及远可划　分为３个区域：塑性区、弹性区和原岩应力区。工作　面支承压力超前影响范围为５０　ｍ，超前支承压力峰　值在工作面前方约９　ｍ处，其值为１６．５　ＭＰａ；原岩　应力以８．８　ＭＰａ计算，应力集中系数为１．３５～　１．８７，平均１．６。　２０１４年第５期　娄高中，等：大采高工作面采场支承压力分布规律分析　总第２２１期　２．２　工作面后方支承压力分布规律分析　据现场实测，４３０１３回采巷道变形并不明显，工　处最大，工作面侧向支承压力峰值为１４．９　ＭＰａ，应　力集中系数为１．１１～１．６１，平均１．４０。　作面留巷变形呈现出明显的滞后性，对观测数据进　行整理，得出预留巷道的滞后变形曲线如图５所示。　二、　●　４　结论　（１）４３０１工作面超前支承压力影响范围为５０　ｍ，超前支承压力值峰值出现在工作面前方９～１５　ｍ　处，其值为１６．４４　ＭＰａ；较常规大采高工作面影响范　围较大，集中系数较高，应加强对巷帮和顶角及底角　的支护力度，有效控制巷帮失稳导致的顶板下沉、底　暑　０　一　蚓　渣　鼓等现象。　（２）该高效回采工作面侧向支承压力影响范围　图５预留巷道顶底板变形曲线　增加到２５　ｍ，峰值明显增加到了１４．９　ＭＰａ，综合考　由图５可以看出，预留巷道变形剧烈区域集中　在采空区后方１００～３００　ｍ，顶底板移近速度最大值　在采空区后方３００　ｍ左右。　虑工作面前方及侧向支承压力的叠加，最终确定煤　柱尺寸为３０　ｍ。　（３）由于该工作面采高大，推进速度快，再加上　煤层本身硬度较大，导致该工作面周期来压不明显；　根据留巷变形观测可以得出，采空区后方支承压力　２　３　４　５　６　３　工作面侧向支承压力分布规律　根据监测到的数据，利用线性插值法，得出距工　作面煤壁不同距离的应力变化值，进而绘出巷道侧　向超前支承压力曲线如图６所示。　分区明显并伴有明显的滞后性。　参考文献：　［１］贾荣喜．岩石力学与岩层控制［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版　社．２０１０．　弓培林．大采高采场围岩控制理论及应用研究［Ｄ］太原：太原　理工大学，２００６．　马占国，张帆，柏建彪．超长面巷道矿压显现规律研究［Ｊ］．矿　山压力与顶板管理，２００１（３）：３９４３．　谢广祥，杨科，刘全明．综放面倾向煤柱支承压力分布规律研　究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００６，２５（３）：５４５．５４９．　图６侧向支承压力分布曲线　唐军华，白海波，杜锋．采场支承压力分区变异特征研究［Ｊ］．　采矿与安全学报，２０１　１，２８（２）：２９４．２９５．　分析图６可知，工作面侧向支承压力的影响范　樊胜强，邹喜正，刘国梁．工作面滞后支承压力分布规律［Ｊ］．　黑龙江科技学院学报，２００６，１６（２）：７８—８Ｏ．　围约２５　ｍ，侧向支承压力值在工作面前方约１５　ｍ　（责任编辑：刘光雨）　防止矿井空气污染的措施　煤矿中各种有害气体，通常都在通风不良的旧巷、采空区和火区附近以及在炮烟、沼气和煤尘爆炸时的　风流中。为保证井下空气的清洁程度，防止矿井空气污染，主要采取以下措施：　（１）稀释、排除污染物，即用新鲜风流将有害气体和矿尘稀释到安全浓度以下，并把它排出矿井。　（２）封闭火区、采空区、旧巷和不通风的巷道，减少有害气体的生成，并可防止有害气体扩散到矿井空气　中，同时也可防止人员窒息和矿井火灾、沼气爆炸等。　（３）加强对有害气体的检查，掌握涌出情况，定期对工作面、采空区进回风巷采取空气试样，送到化验室　分析空气成分，了解空气的清洁程度。　（４）减少有害气体生成和净化风流，禁止使用不合标准的炸药，放炮时使用水炮泥和喷雾洒水；净化风　流；加强火区管理，防止火灾、瓦斯和煤尘爆炸。　・１　５・