楊建龍

(山西陽(yáng)泰集團(tuán) 晶鑫煤業(yè)公司，山西 晉城 048100)

在煤礦開采過程中，隨著工作面的推進(jìn)，在煤壁前方會(huì)形成超前支承壓力，其峰值位置與大小直接影響著工作面頂板的控制和支架受力。多年來(lái)，許多專家學(xué)者采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，對(duì)綜采工作面煤壁前方超前支承壓力的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，取得了許多實(shí)踐成果，為綜采工作面的支護(hù)參數(shù)和煤柱留設(shè)提供了依據(jù)[1-3]。本文以武甲煤礦3101綜采工作面地質(zhì)條件為背景，采用理論計(jì)算的方法，對(duì)該工作面煤壁前方超前支承壓力分布規(guī)律進(jìn)行分析，以期為工作面的安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

武甲煤礦是一個(gè)兼并重組整合礦井，隸屬于山西陽(yáng)泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)公司，距陽(yáng)城縣城30 km，該礦井田大部分處于陽(yáng)城縣的西北部，另有一小部分位于沁水縣境內(nèi)，行政區(qū)劃屬陽(yáng)城縣芹池鎮(zhèn)與沁水縣龍港鎮(zhèn)管轄。礦井以+437 m水平開發(fā)井田內(nèi)3號(hào)煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a,采用兩個(gè)斜井(主、副斜井)與一個(gè)立井(副井)的開拓方式，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壁式綜合機(jī)械化采煤。在主、副斜井落底附近沿正西向至井田中部邊界8號(hào)拐點(diǎn)，布置西集中開拓大巷先期開采一采區(qū)，西集中膠帶運(yùn)輸大巷、西集中軌道運(yùn)輸大巷和西集中回風(fēng)大巷均沿著3號(hào)煤層底板下15 m處的巖層布置。一采區(qū)東西長(zhǎng)1.85 km，南北寬1.79 km，采區(qū)面積為3.312 km2，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為1 280萬(wàn)t，可服務(wù)年限約7.6 a。

3101工作面是礦井一采區(qū)首采工作面，采用綜合機(jī)械化一次采全高回采工藝。煤層蓋山厚度340 m，煤層平均厚度為4.49 m，平均傾角為5°。煤層直接頂為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，厚度為0.9 m～13.0 m，平均6.8 m；偽頂為深灰色泥巖，含植物化石，不穩(wěn)定，開采時(shí)隨煤層一起脫層垮落,厚度為0.7 m；直接底為灰黑色粉砂質(zhì)泥巖，厚度為6.52 m，含植物化石。

2 影響支承壓力分布的主要因素

煤層開采后，由于煤體產(chǎn)生支承壓力使圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而降低了煤壁的穩(wěn)定性。一般來(lái)講，影響工作面支承壓力分布的主要因素有煤層厚度、煤體硬度與工作面推進(jìn)速度三個(gè)方面。

1) 煤體硬度。通常用普氏系數(shù)f來(lái)表示煤體的軟硬程度，其大小與煤體的單軸抗壓強(qiáng)度Rc成正比，一般將其表示為f=Rc/10。煤體的單軸抗壓強(qiáng)度Rc又反映支承壓力峰值與煤壁距離關(guān)系，由以上公式可知，普氏系數(shù)反映了煤體單軸抗壓強(qiáng)度的變化,普氏系數(shù)增大說(shuō)明煤體硬度大,反映支承壓力的峰值位置接近煤壁；普氏系數(shù)小說(shuō)明煤體硬度小,反映支承壓力峰值位置將遠(yuǎn)離煤壁。

2) 煤層厚度。煤層厚度對(duì)煤體的支承壓力分布規(guī)律有著較大影響，通常情況下煤層厚度越小，支承壓力峰值位置與煤壁的距離越近；煤層厚度越大，支承壓力峰值位置與煤壁的距離越遠(yuǎn)。

3) 工作面推進(jìn)速度。煤體的支承壓力分布規(guī)律與工作面推進(jìn)速度存在相互影響，工作面的推進(jìn)速度慢，支承壓力峰值位置距離煤壁趨遠(yuǎn)；工作面的推進(jìn)速度快，支承壓力峰值位置越趨向煤壁方向；當(dāng)工作面推進(jìn)速度達(dá)到一定值時(shí)，其對(duì)支承壓力峰值位置的影響將消失。

3 支承壓力的分布規(guī)律

3.1 支承壓力峰值點(diǎn)位置計(jì)算

為了準(zhǔn)確掌握支承壓力峰值位置與煤壁的距離，采用理論計(jì)算和回歸分析法，驗(yàn)證并確定支承壓力峰值位置。

1) 理論計(jì)算。工作面支承壓力峰值位置，一般用下式計(jì)算：

(1)

將以上各數(shù)據(jù)代入(1)式，即得到3101工作面支承壓力峰值與煤壁的距離：

L=5.24 m

2) 回歸法分析。由上面的分析顯示，工作面支承壓力峰值位置與煤體硬度f(wàn)和煤層厚度M及工作面推進(jìn)速率v三個(gè)因素相關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究，在總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立了關(guān)于支承壓力峰值位置的多元回歸分析方程：

L=33.72-6.42f-0.01M-2.25v

(2)

式中：f為普氏系數(shù)，取2.3；v為工作面推進(jìn)速度，取5.5 m/d。

將上述數(shù)據(jù)代入公式(2)，得到支承壓力峰值位置與煤壁的距離：

L=33.72-6.42×2.3-0.01×4.49-2.25×5.5

=6.53 m

3) 確定支承壓力峰值位置。由以上理論計(jì)算和回歸分析法確定，3101工作面的支承壓力峰值位置距離煤壁約在5.24～6.53 m之間。

3.2 支承壓力峰值計(jì)算

根據(jù)巖石力學(xué)理論，通常煤壁承受支承壓力與超前支承壓力峰值的關(guān)系，可用下式表示：

σf=2.729(ηRc)0.729

(3)

式中：σf為支承壓力峰值的大小，MPa；η為煤巖流變系數(shù)，取0.45；Rc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，取23 MPa。

將數(shù)據(jù)代入式(3)得：

σf=2.729×(0.45×23)0.729=14.99 MPa

計(jì)算得知，3101工作面煤壁所承受的超前支承壓力，其峰值大小為14.99 MPa。

3.3 支承壓力影響范圍

煤層開采后，煤體周圍巖體在支承壓力的影響下產(chǎn)生塑性區(qū)和彈性區(qū)兩個(gè)區(qū)域，設(shè)支承壓力影響范圍為：

x=T+G

(4)

式中:x為支承壓力影響范圍，m；T為塑性區(qū)寬度，m；G為彈性區(qū)寬度，m。

支承壓力塑性區(qū)寬度T，即是煤壁與支承壓力峰值位置的距離，由公式(1)、(2)的計(jì)算可知，T=L=5.24～6.53 m。

支承壓力彈性區(qū)的寬度G，可以通過公式(5)計(jì)算得：

(5)

式中：β為側(cè)壓系數(shù)，取β=1.2；其它符號(hào)的含義同前。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(5)，得到支承壓力彈性區(qū)的寬度為：

G=10.37 m

將上述計(jì)算結(jié)果代入公式(4)得：X=(5.24～6.53)+10.37=15.61～16.9 m。

由此可以看出，武甲煤礦3101工作面支承壓力的影響范圍處于15.61～16.9 m之間。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 分析了煤體硬度、煤層厚度和工作面推進(jìn)速度與支承壓力的相互關(guān)系。

2) 通過理論計(jì)算和回歸分析法，得出了武甲煤礦3101工作面支承壓力的峰值位置在距離煤壁5.24～6.53 m處、峰值大小為14.99 MPa、支承壓力影響范圍為15.61～16.90 m。為合理確定護(hù)巷煤柱參數(shù)和超前支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

3) 由于煤體硬度和煤層厚度是不可改變的因素，因此，在工作面回采過程中，要掌握好推進(jìn)速度對(duì)支承壓力的影響，避免出現(xiàn)超前或滯后來(lái)壓，保證工作面生產(chǎn)安全。