坚硬顶板综采面支撑压力分布规律研究

陈萌萌 刘辉 霍晓林

摘 要：为了研究坚硬顶板工作面支承压力分布规律，以1113工作面为研究对象，采用数值模拟、现场实测等手段，分析了回采面超前支承压力、倾向支承压力分布规律。结果表明，在走向方向上，回采面超前支承压力显著影响范围为30m;在倾向方向上，回采面中下部受到影响显著，应重点加强对进风巷的超前支护。

关键词：坚硬顶板;支承压力;超前支护;应力集中

中图分类号：TD323文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）11-0068-03

Abstract： In order to study the distribution law of abutment pressure in hard roof working face， taking 1113 working face as the research object， the distribution law of advance abutment pressure and inclined abutment pressure in mining face was analyzed by means of numerical simulation and field measurement. The results show that in the direction of strike， the influence range of advance abutment pressure in mining face is 30m， and in the direction of inclination， the middle and lower parts of mining face are affected. To have a significant impact， we should focus on strengthening the advance support of the air intake roadway.

Keywords： hard roof;abutment pressure; advance support;stress concentration

万峰矿开采的1#煤层顶板较为坚硬，若采空区顶板突然断裂，会给回采工作带来严重影响。加强对回采面矿压分布规律的研究，不仅可以掌握回采面顶板垮落情况，而且有利于指导采面顶板管理、回采巷道超前支护，对保证回采的正常开展具有显著的现实意义。

1 工程概况

1113回采工作面北侧为1111回采工作采空区，南侧为实体煤，埋藏深度约为580m。根据矿井地质资料可知，1113回风采区间会受到F113回-01、F113回-03等多条断层的影响，1号煤层倾角在2°～10°，平均倾角为6°，煤层厚度在1.6m，矿井水文地质条件中等。1113回采工作面基本顶为细砂岩，较为坚硬，厚度在16.5m;直接顶为泥岩，层状结构，厚度在1.47m;直接底为泥岩，厚度1.2m;基本底为粉砂岩，厚度在12.3m[1]。

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

建立的模型中，x轴表示煤层的走向方向，y轴表示煤层倾向，z轴为竖向方向。模拟模型x、y、z方向长度分别为250、250和125m，采用摩尔-库伦屈服准则进行计算[2]。受到建立的模型高度的限制，在模型的上边界施加竖向的等效应力q。竖向等效应力可以根据煤层埋深以及上覆岩层厚度计算确定，具体的计算公式为[3]：

2.2 模拟结果分析

2.2.1 走向支承应力。在模拟的1113回采面前方设定应力测点，对开采引起的超前支承压力分布情况进行监测，具体监测结果如图1所示。

从图1可以看出，不同层位回采引起的支承压力范围及压力集中系数各有不同。在1#层顶板上部60m位置处，最大支承应力值为13.9MPa，应力集中系数为1.16，超前支承压力峰值位置位于回采面前方14m位置处，剧烈影响范围为回采面前方8～18m，超前支承压力影响范围约为58m[4]。

在煤层顶板30m位置处，最大支承应力值为15.4MPa，应力集中系数为1.23，超前支承压力峰值位置位于回采面前方13m位置处，剧烈影响范围为回采面前方6～23m，超前支承压力影响范围约为60m。

在煤层顶板5m位置处，最大的支承应力值为21.4MPa，应力集中系数为1.69，超前支承壓力峰值位置位于回采面前方10m位置处，剧烈影响范围在回采面前方6～35m，超前支承压力影响范围约为60m。

在煤层底板2m位置处，最大的支承应力值为24.3MPa，应力集中系数为1.92，超前支承压力峰值位置位于回采面前方12～14m位置处，剧烈影响范围在回采面前方6～36m，超前支承压力影响范围约为60m。

2.2.2 倾向支承应力。回采工作面回风巷受到的回采影响较小。回风巷侧基本无应力集中峰值，工作面的进风巷受回采影响较大，侧向支承压力峰值在回采面前方煤壁上方9m位置处，在进风巷下侧应力集中峰值位置距离巷道煤壁距离在5m左右。在回采面顶板5m位置处的测点侧得的侧向应力集中程度较为明显，应力集中系数达到1.89，其余的底板5m，顶板30m以及60m测点测定的应力集中不明显[5]。

在工作面前方实体煤倾斜方向上支承压力表现为中上部受到开采影响不明显，中下部支承压力显著增加;在回采面前放15m左右，支承压力处于峰值;在回采面前方30m以外基本不受开采影响。

3 现场实测分析

在回采面进风侧超前回采面120m位置布置位移观测站，对进风巷围岩变形情况进行分析，观测结果如图2所示。

随着回采工作面的不断推进，在回采面前方60m范围时，位移计开始出现变化，变化数值均较小，从回采面前方60m到回采面前方30m位置时，进风巷周边岩层变形量逐渐增大，但变形量值整体较小。当测站距离回采面30m以内时，巷道周边岩层位移出现较大幅度的增加，其中以巷道两帮的变形量值最大。随着回采面的不断推进，在距离回采面前方4m位置时，进风巷回采面侧巷帮变形量已经达到1 160mm，实体煤侧巷帮的变形量值也达到890m，两帮的总变形量达到2 050mm，占进风巷巷道净宽的44.6%，巷道顶板变形量最大值达到505mm，底板的最大底鼓量达到360mm[6]。

巷道变形主要表现为巷道两帮位移，主要是1#煤层顶板、底板坚硬，在回采引起的超前支承压力作用下面，顶底板保持较好的完整性。同时，由于煤层的强度要远小于砂岩，在支承压力作用下，顶板下沉造成煤帮受到加大的竖向应力作用。当煤体强度不足以抵抗受到的竖向应力作用时，煤体会向软弱空间（进巷道）移动，从而引起较大的巷道两帮变形。由此，可采取增加回采巷道超前支护使用的单体数量来减少进风巷围岩变形。

从现场实测数据可以看出，回采引起的支承压力影响范围在回采面前方60m左右，影响较为明显的范围为回采面前方30m范围，因此回采工作面回风巷超前支护的范围为30m[7]。

4 结语

1113回采工作面超前支承压力影响范围为回采面前方60m，显著影响区域为回采面前方30m，超前支承压力峰值位于回采面前方15m左右位置;回采面的回风巷不受超前支承压力影响，进风巷受超前支承压力影响显著;在对回采巷道支护时应重点加强对进风巷的支护;同时，由于回采面顶板较为坚硬，回采期间应加强对矿压观测;顶板出现较大悬露时可以采用强制放顶措施，降低对回采面开采的影响。

参考文献：

[1]王帅帅.坚硬石灰岩顶板矿压规律研究及其控制方法[J].煤矿现代化，2019（1）：16-18.

[2]洪文平.同家梁矿坚硬顶板矿压显现规律研究[J].能源技术与管理，2018（1）：65-66，77.

[3]张明航.坚硬顶板工作面矿压显现影响因素数值分析[J].山东煤炭科技，2017（9）：15-17，20.

[4]闫化晴.大倾角综采面矿压显现特征及围岩破坏规律研究[D].淮南：安徽理工大学，2016.

[5]孔军峰.综采工作面矿山压力在线监测系统的应用实践[J].神华科技，2015（3）：27-31.

[6]温明明.大倾角煤层综采面围岩活动规律与支架适应性研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2014.

[7]荣同义，周长冰，张源.薄煤层首采面超前支撑压力分布特征实测研究[J].河南科技，2010（15）：66-67.