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第4 6 卷第7 期2023年7 月采矿与井巷工程采厚与超前支承压力峰值位置关系理论分析研究煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.7Jul.2023张玖莘1，张帆，潘霄1，徐帅3，吕刚，赵琪，周然然1（1.华北科技学院，北京1 0 1 6 0 1；2.沈阳焦煤股份有限公司西马煤矿，辽宁沈阳1 1 0 0 0 0；3.通用技术沈阳机床股份有限公司，辽宁沈阳1 1 0 0 0 0）摘要：为分析综放工作面采厚对超前支承压力峰值位置的影响，以河林煤矿j7401综放工作面为研究对象，通过理论分析就综放工作面采厚与超前支承压力峰值位置的关系进行深入研究。通过理论分析得出，采厚与超前支承压力峰值位置呈现一次线性关系，超前支承压力峰值位置与工作面煤壁的距离随采厚的增加而变大。采用最小二乘拟合的方法建立了采厚与超前支承压力峰值位置的一次线性关系式，验证了理论分析的结论，得到了j7401工作面中采厚与超前支承压力峰值位置的一次线性关系式的斜率是1.3 1 1。研究结论可用于预测不同采厚时超前支承压力峰值位置。关键词：超前支承压力；综放开采；采厚；峰值位置中图分类号：TD311文献标识码：A文章编号：2 0 9 5-5 9 7 9（2 0 2 3）0 7-0 0 0 1-0 3Study on the relationship between mining thickness andthe peak position of advanceabutment pressure by theoretical analysisZhang Jiuxin,Zhang Fan,Pan Xiao,Xu Shuai,Lv Gang,Zhao Qi,Zhou Ranran(1.North China Institute of Science and Technology,Bejing 101601,China;2.Xima Mine of ShenyangCoking Coal Co.,Ltd,Shenyang 110000,China;3.Genertec Shenyang Machine Tool Co.,Ltd.,Shenyang 110000,China)Abstract:In order to analyze the influence of mining thickness of fully mechanized caving face on the peak position ofadvanced abutment pressure,No.j7401 fully mechanized caving face of Helin Mine was taken as the research object.Therelationship between mining thickness of fully mechanized caving face and the peak position of advanced abutment pressurewas studied in depth through theoretical analysis.Through theoretical analysis,it was concluded that there was a linearrelationship between the mining thickness and the peak position of the advanced abutment pressure,and the distancebetween the peak position of the advanced abutment pressure and the coal wall of the working face increased with theincrease of the mining thickness.The linear relationship between the mining thickness and the peak position of theadvanced abutment pressure was established by the least square fitting method,which verified the conclusion of thetheoretical analysis.The slope of the linear relationship between the mining thickness and the peak position of the advancedabutment pressure in the j7401 working face was 1.311.The research conclusion can be used to predict the peak position ofadvance abutment pressure at different mining thicknesses.Key words:advancing abutment pressure;fully-mechanical caving mining;mining thickness;peak position岩压力的转移在前方煤壁形成的集中应力。超前支0引言承压力的分布特征将对工作面和上下顺槽的围岩控超前支承压力是指工作面煤层采出后，由于覆制产生较大的影响。掌握超前支承压力的分布规律责任编辑：任伟D0I：1 0.1 9 2 8 6/j.c n k i.c c i.2 0 2 3.0 7.0 0 1基金项目：河北省教育厅科学技术研究项目资助（BJK2022067）作者简介：张玖莘（1 9 9 9 一），男，北京人。通讯作者：潘霄（1 9 8 5 一），男，山东聊城人。引用格式：张玖莘，张帆，潘霄，等.采厚与超前支承压力峰值位置关系理论分析研究 J.煤炭与化工，2 0 2 3，4 6（7）：1-3，8.12023年第7 期和特征，对巷道维护和支护方案选择十分重要。随着工作面的不断推进，覆岩悬梁的长度不断增加，使得超前支承压力的大小和范围不断增大，压力分布基本上呈连续变化。覆岩悬梁长度达到极限跨距时会出现折断，悬梁折断前超前支承压力会达到峰值，峰值位置一般在煤壁内3 1 5 m。调研整理我国7 个矿区3 8 组垮落法开采的采厚与超前支承压力峰值位置数据，如图1 所示。可以看出，随着采厚的变大，超前支承压力峰值的位置呈现逐渐变大的趋势。181614三12108642002468101214采厚m图1 采厚与超前支承压力峰值位置统计Fig.1 Statistics of mining thickness and peak position ofadvanced abutment pressure1超前支承压力分布分析当顶板基本顶达到极限跨距折断时，超前支承压力分布将发生剧烈变化。在断裂前基本上呈现一个连续的应力场。在基本顶初次断裂之前或两次周期垮断之间，超前支承压力如图2 所示。超前支承压力可以分成压力升高区（A区）和压力降低区(B区)，分别对应着煤壁的弹性区（A区）和塑性区(B区）。在弹性区内压力会从峰值位置向远离工作面煤壁方向单调减小，在塑性区内压力会从峰值位置向工作面煤壁方向单调减小。rH煤壁BA图2 基本顶断裂超前支承压力分布Fig.2 Distribution of advance abutment pressureof main roof fracture根据弹性基础梁理论，弹性区压力可表示为：0,=mr+mr.L.C.(1)2煤炭与化工式中：,为超前支承压力；n为采场上覆岩梁数；Ci为第i层岩层传递至处岩重的比重；m;为第i层岩层的厚度；r;为第i层基本顶的容重；L,为第i层基本顶的悬跨距。由式（1）可以看出，弹性区的压力由煤壁上方的覆岩压力和岩梁上方转移到煤壁上的压力两部分组成。煤层和基本顶都处于弹性状态时，可以假设各岩梁传递到同一层位时的岩重比例相同，则式（1）可以简化为：0,=m,(1+LC,)=(1+LC,H式中：H为采深；r为上覆岩层平均容重。建立塑性区的煤层压缩力学模型（图3），得*到煤壁破裂后塑性区支承压力分布的表达式：*9,=m式中：m为煤层单轴抗压强度；M为等效采高；为煤层压缩角；为煤壁压缩值；F为煤体接触面上的粘结力；为煤层内摩擦系数。dxtanatox+dox-Xo-So Cy图3 塑性区力学模型Fig.3 Mechanical model of plastic zone超前支承压力曲线是连续的，而且峰值位置是弹性区和塑性区的分界点，工作面超前支承压力出现峰值的位置，由式（2）和式（3）计算得到的压力值相等，可以得出：axgm+M-K。式中：为超前支承压力峰值的位置。KrH在同一工作面中采深、上覆岩层平均容重、岩顶板层抗压强度、煤层倾角、接触面的粘结力和煤层内摩擦系数等参数都相同，从式（4）可以看出，超前支承压力峰值的位置主要受采厚的影响。采厚与超前支承压力峰值位置呈现一次线性关系，得出采厚与超前支承压力峰值位置的关系式：x=kM+8式中：k和8 为与采深、上覆岩层平均容重、岩层抗压强度、煤层倾角、接触面的粘结力、煤层内摩擦系数等相关的系数，均为正值。可以得出采厚第4 6 卷(2)2aax1+-M-K。xtanaldX2fa=(1+LC,)rH(3)Ko(4)(5)张玖莘等：采厚与超前支承压力峰值位置关系理论分析研究越大，峰值位置距离工作面煤壁越远。2峰值位置与采厚关系河林煤矿是综采放顶煤开采工艺，煤厚变化范围7.8 1 6.3 m，平均煤厚1 1.4 m。本文研究对象j7401工作面煤层倾角变化范围较大，但工作面煤层范围存在4 个区段的水平煤层（图4），为减小煤层倾角对本文研究内容和结果的影响，在以上4个区段进行现场实验监测研究。100200250Fig.4 Coal seam distribution of No.j7401 Face采集整理河林矿j7401工作面现场实测采厚与超前支承压力峰值位置的关系数据，见表1。表1 采厚与超前支承压力峰值位置对应数据Table 1 The corresponding data of mining thickness and advanceabutment pressure peak position采厚/m峰值位置/m9.612.678.411.5811.214.9412.917.38将表1 中的数据拟合出采厚与峰值位置的函数近似表达式，也就是根据4 组实测数据点（iy），(i=1,2,3,4）求近似函数 y=S（)。在工程中确定函数参数时最常见方法是最小二乘法，该方法的基本原理是最小化拟合值和实际值之间的偏差平方和。在(span(o(x）,i(x)n(x)中寻找f(x)的逼近函数（其中i（）为关于的i次向量函数)，即求a(k=0,1,n)，使空间中的 S()=ag 作为于（）的最佳逼近函数。相关性指数k=0是检验函数拟合效果的参数，相关性指数越大拟合效果越好，其计算公式为：R=1-2(%o)2Z(%o-i)式中：R为相关性指数；yo为实测值；y为拟合曲线计算得到的理论值；y1为实测值的平均值。采用最小二乘拟合，得到采厚与峰值位置关系式为：(7)y=1.311x+0.343 4式中：yr为峰值位置；为采厚。式（7）的相关性指数为0.9 9 2 9，说明拟合效果非常好，拟合效果如图5 所示。可以得出，采2023年第7 期厚与超前支承压力峰值位置呈现一次线性关系，随着采厚的增加，超前支承压力峰值位置向远离工作面煤壁方向移动。20181614101008200567891011 1213 1415250A段B段c段D段图4 j7401工作面煤层分布采厚m图5 采厚与峰值位置拟合效果Fig.5 Fitting effect of mining thickness and peak position3结 论（1）通过理论分析得出，在综放开采工作面中，采厚与超前支承压力峰值位置呈现一次线性关系，采厚增加时，超前支承压力峰值位置与工作面煤壁的距离变大。（2）采用最小二乘法分析实测数据，建立了采厚和超前支承压力峰值位置的关系式，验证了理论分析的结论，工作面回采过程中采厚和超前支承压力呈现斜率为1.3 1 1 的一次关系式。（3）探寻采厚和超前支承压力的关系，便于矿井理论和实践经验的积累。研究成果可在地质条件相同的矿井借鉴应用，对支护方案选择、应力监测防控具有指导作用。参考文献：1任艳芳，宁宇.浅埋煤层长壁开采超前支承压力变化特征 J.煤炭学报，2 0 1 4，3 9（S1)：3 8-4 2.2孙建，王连国.采场底板倾斜隔水关键层的失稳力学判据 J.煤炭学报，2 0 1 4，3 9（1 1）：2 2 7 6-2 2 8 5.3蔡美峰，彭华，乔兰，等.万福煤矿地应力场分布规律及其与地质构造的关系 J.煤炭学报，2 0 0 8（1 1）：1 2 4 8-1 252.(6)4汪锋，许家林，谢建林，等.上覆煤层开采后下伏煤层卸压机理分析 J.采矿与安全工程学报，2 0 1 6，3 3（3）：398-402.5姜耀东，赵毅鑫.我国煤矿冲击地压的研究现状：机制、预警与控制 J.岩石力学与工程学报，2 0 1 5，3 4（1 1）：2 188-2 204.6王家臣，张锦旺.综放开采顶煤放出规律的BBR研究 J.煤炭学报，2 0 1 5，4 0（3）：4 8 7-4 9 3.7潘一山，肖永惠，李忠华，等.冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用 J.煤炭学报，2 0 1 4，3 9（2）：2 2 2-2 2 8.(下转第8 页）32023年第7 期钻孔深度分别为8 m、1 5 m 两种，钻孔直径4 5 mm(42mm钻头），位置在巷道生产帮中部，断面间相距1 0 m，如图5 所示。图5 应力监测测站布置示意Fig.5 Layout of stress monitoring station每两周对大巷内应力、表面位移进行监测，井下数据采集实际工程如图6 所示。将收发器采集得到数据经过软件导入到计算机后，进行数据处理及分析。6.56.05.55.04.54.03.53.02.52月上3 月上4 月上5 月上6 月上7 月上监测时间图6 矿压监测数据分析Fig.6 Analysis of mine pressure monitoring data设计监测点应力变化结果显示，9 个监测点在3煤煤层采动期间，虽然产生应力变化，但其应力变化趋势均小于1 0%，同前文底板破坏深度计算及数值模拟结果相同，位移变形同样小于1 0%，（上接第3 页）8 张宏伟，朱峰，韩军，等.冲击地压的地质动力条件与监测预测方法 J.煤炭学报，2 0 1 6，4 1（3）：5 4 5-5 5 1.9齐庆新，李晓璐，赵善坤.煤矿冲击地压应力控制理论与实践 J.煤炭科学技术，2 0 1 3，4 1（6）：1-5.10窦林名，蔡武，巩思园，等.冲击危险性动态预测的震动波CT技术研究 J.煤炭学报，2 0 1 4，3 9（2：2 3 8-2 4 4.11 姜福兴，魏全德，王存文，等.巨厚砾岩与逆冲断层控制型煤炭与化工因此大巷在3 煤煤层采动期间为稳定状态，对于原有巷道支护无需加强支护。4 结 论为研究采动影响下巷道变形破坏特征规律，本15 m文基于陕北孙家岔龙华煤矿实际概况及采矿地质条件，基于FLAC3D数值模拟软件分析采动影响下巷15m道变形破坏特征及围岩应力分布规律，最后进行矿45压监测及分析，得出结果如下。（1）基于现场实际工程建立FLAC3D数值模8m拟，模拟结果显示3 煤煤层对大巷塑性区、水平内应力、垂直内应力、等效应力影响较小。（2）对大巷3 个测站进行矿压监测，结果显示9 个应力监测点虽在3 煤煤层采动期间产生应力变化，但其应力变化趋势均小于1 0%，分析认为大巷在3 煤煤层采动期间为稳定状态。（3）数值模拟与现场监测结论相一致，对比得出3 煤煤层开采对大巷影响较小，该大巷仍处稳定状态，对于原有巷道支护无需加强支护。鄂号号号号号号号号点点点点点点点点点1234558第4 6 卷参考文献1 陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制 M.徐州：中国矿测业大学出版社，1 9 9 4.2陆士良，孙永联，姜耀东.底板岩巷和邻近煤层巷道位置及跨采矿压显现规律J.煤炭科学技术，1 9 9 4（6）：27-31,63.3王观宇.阳泉矿区岩层移动角分析及应用意见 J.山西煤炭，1 9 9 6（1):2 1-2 3.4李忠华，官福海，潘一山.基于损伤理论的圆形巷道围岩应力场分析 J.岩土力学，2 0 0 4，2 5（增刊1)：1 6 0-1 6 3.5王卫军，冯涛.加固两帮控制深井巷道底鼓的机理研究 J.岩石力学与工程学报，2 0 0 5（5）：8 0 8-8 1 1.6董海龙，高全臣，张赵，等.两向不等压巷道围岩塑性区近似解及数值模拟 J.煤炭学报，2 0 1 9，4 4（1 1）：3 3 6 0-3368.特厚煤层冲击地压机理分析 J煤炭学报，2 0 1 4，3 9（7）：1 191-1 196.12潘立友，孙刘伟，范宗乾.深部矿井构造区厚煤层冲击地压机理与应用 J.煤炭科学技术，2 0 1 3，4 1（0 9）：1 2 6-128,137.【1 3 欧阳振华.煤矿冲击地压区域应力控制技术 J.煤炭科学技术,2 0 1 6，4 4 （7)：1 4 6-1 5 2.8