大采高工作面超前支承压力分布特征研究

冯卫国

【摘 要】 随着采高的增大，工作面超前支承压力与普通采高工作面相比会有较大变化。针对此现象，以山西某矿22203大采高工作面为背景，采用理论计算对超前支承压力大小和影响范围进行了分析，并通过现场实测方法确定22203工作面采场超前支承压力峰值点与煤壁的距离在3.5～5m内，大小为6.5MPa，超前支承压力影响范围约为26m。实测结果与理论计算所得相近，表明该理论计算方法可对现场工作起到一定指导作用。

【关键词】 大采高;超前支承压力;极限平衡理论;现场实测

【中图分类号】 TD32 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）03-0001-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

大采高工作面推进后，回采空间周围岩体的受力坏境会受到影响，形成新的平衡状态。支承应力的分布对工作面的矿压显现有着决定性作用，由于大采高工作面采高的增大，工作面周围的应力水平与普通采高相比有着很大的变化。王陆军等以神东矿区大采高工作面条件为基础，对工作面来压影响因素进行了分析，确定顶板关键块体是影响来压的主导因素;宋选民等对大采高工作面矿压显现规律进行了实测，得到工作面长度与工作面来压强度呈现一定的正相关关系。目前大多数研究成果多集中在工作面矿压规律实测方面，对工作面周围应力分布的理论定性仍有一定的缺陷，因此对工作面超前支承压力分布特征进行研究对指导工作面安全生产有着重要的作用。

1 矿井概况

山西某矿开采煤层为2号煤层，煤层埋深平均为150m，倾角平均为3°，在井田开采范围内煤层无大型结构存在，煤层赋存稳定。22203工作面为大采高工作面，工作面采高为6.0m，工作面倾斜长度为240m，推进长度为1400m。煤层的直接顶为砂质泥岩，厚度平均为2.7m，基本顶为粉砂岩，厚度平均为5.8m，底板为砂质泥岩与细砂岩互层，厚度平均为14.3m（如图1）。

2工作面超前支承应力计算

由于工作面煤层开采以后，回采空间周围岩体的受力坏境会受到影响，形成新的平衡状态，在工作面煤壁位置，受到顶板岩层弯曲下沉形成的载荷，煤壁常出现塑性破坏，一般将塑性破坏区称作极限平衡区，而在煤壁深部位置，煤体依次为弹性区与原岩应力稳定区，对工作面超前支承压力的计算多采用极限平衡区与弹性区理论。

2.1极限平衡区内超前支承压力分析

对煤壁前方超前支承应力的计算需将煤层视作均质连续的各向同性体，从煤层内抽取一单元体，假设该单元体的长度为1，宽度为dx。在x方向上，单元体两侧的应力分别为σx和σx+dx，单元体在y方向上支承压力为σy，受力分析情况如图2所示。

当煤体位于极限平衡区时，对单元体受力进行计算，x方向极限平衡方程为：

对支承压力σy进行计算可得：

式中，M为工作面开采高度，m;f为煤层与顶板岩层之间的摩擦系数;φ为煤层的内摩擦角，°;x为单元体到工作面煤壁的距离，m;τ0cotφ为煤体内部的支撑力。

当煤体承受的应力达到最大时，应力为σymax=KγH，因此支承压力峰值位置x0为：

式中，k为煤体内的应力集中系数;γ为煤层的容重，kN/m3;H为煤层的埋深。

上述公式可以得出，煤体在极限平衡区时，超前支承压力峰值大小與位置和工作面煤层埋深呈现对数增长关系。当煤层埋深在较小范围内时，煤体内的支承压力随着埋深的增大，支承压力变化幅度较大;当埋深增大到一定值后，其对煤体承受的支承压力影响作用减弱，主要表现为峰值的位置向深部转移。

2.2弹性区内支承压力分析

一般采场弹性区内的超前支承压力计算公式为：

由上式可得弹性区宽度x1为：

其中：

式中，β为非净水应力，β0为净水应力，MPa;λ为煤体的测压系数，λ=μ/（1-μ），μ为泊松比。

从上述公式可以看出，当煤体在弹性区时，对于采场超前支承压力、应力大小同样主要受煤层埋深影响，但弹性区范围主要由采高决定，采高越大，弹性区范围越大。

该矿井煤层条件如表1所示。将数据带入，对22203工作面超前煤壁内承受的应力大小、位置以及其影响范围进行计算，可得煤壁超前应力最大为6.9MPa，位于煤体内3.9m，影响范围为25.3m。

3超前支承压力现场观测

上文通过理论方法对工作面超前支承压力峰值点与进行了计算，确定采场超前支承压力峰值点位于煤体内3.9m，受超前支承压力影响区域约为25.3m。为验证该理论计算结果的准确性，在22203工作面现场对采场超前支承压力进行了实测，超前支承压力主要通过钻孔应力计与锚杆测力计测量，钻孔应力计与锚杆测力计布置在与工作面煤壁50m距离的位置，可监测工作面推进50m内的超前支承压力变化情况。

图3、4为辅助运输巷实体煤侧钻孔应力计与锚杆测力计监测数据图，该图反应了工作面推进过程中应力的变化特征，根据上图数据，以超前支承压力的变化情况与原岩应力大小为基础，可将工作面前方受到回采影响的煤体分为三个区域，各个区域的主要特征如下：

第一影响区域：超前支承压力影响严重区域，该区域为工作面煤壁前方9m内，在该区域内，超前支承压力先增大再降低，增大速度较快，在煤壁前方3.5～5m范围达到最大，峰值为6.5MPa，达到峰值后开始降低，并且降低速度较快。受到超前支承压力的剧烈影响，巷道内局部位置由片帮情况出现。

第二影响区域：超前支承压力采动减弱区域，该区域为工作面煤壁前方9～26m内，在该区域内，超前支承压力均大于原岩应力，超前支承压力呈现降低过程，但降低速度已经趋于平缓。

第三影响区域：无采动影响区域，该区域与煤壁的距离大于26m，此范围内，超前支承压力基本无变化出现，压力比较稳定。

根据上述分析结果，可以得出，超前支承压力最大值位于煤壁前方3.5～5m位置，大小为6.5MPa，影响区域主要为0～26m范围内，而大于26m后，煤体受到工作面开采的影响较小。这与理论计算所得结果相近，表明该理论计算超前支承压力的方法能够对工作面现场工作起到一定的指导作用。

4结论

本文以山西某矿大采高工作面地质条件为基础，对工作面超前支承压力进行了理论计算与实测研究，研究结果具体如下：

（1）根据极限平衡区理论与弹性区理论，对工作面超前支承压力峰值与峰值位置进行了分析，确定影响压力大小的因素包括煤层的埋深与工作面的采高。理论计算得出22203工作面最大超前支承压力为6.9MPa，峰值位置位于煤壁前方3.9m，影响范围为25.3m。

（2）通过现场实测得出22203工作面采场超前支承压力峰值在煤壁前方3.5～5m内，大小为6.5MPa，超前支承压力影响范围约为26m。现场实测与理论计算结果相近，表明该理论计算方法能够对工作面现场工作起到一定的指导作用。

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