金志远，高林生

(1.贵州理工学院 矿业工程学院，贵州 贵阳 550003； 2.华北科技学院 安全工程学院，河北 廊坊 065201)

向斜是煤矿常见的一种构造，由于地应力的影响和向斜的结构特点，向斜轴部和两翼受力及应力分布存在差异，而采煤工作面推采通过向斜构造过程中，由于受超前支承压力影响，回采巷道会发生变形破坏。为了使回采巷道断面能够达到满足实际生产的要求，就需要在采煤工作面前方一定范围内对回采巷道进行加强支护，也就是超前支护，目前常用的超前支护方式主要有单体液压支护+铰接顶梁，或单体液压支护+Π型钢梁，或者超前支架。《煤矿安全规程》规定，采煤工作面超前支护范围不得小于20 m，但是由于各个矿区的地质条件、煤层赋存条件存在差异，超前支护范围也存在差异。另外，由于受超前支承压力影响，回采巷道超前支护段的应力分布也存在差异，而研究回采巷道超前支护段的应力分布规律是超前支护设计的关键问题。针对某矿1204综采面通过向斜构造过程中回采巷道的超前支护问题，采用FLAC3D数值模拟软件建立与1204综采面覆岩地层相似的模型，模拟实际煤层开采，研究采煤工作面推采通过向斜构造过程中俯采阶段、向斜轴部阶段和仰采阶段的超前支承压力分布规律，与此同时采用压力表测试方式，测定超前支护段的单体液压支柱压力，实测采煤工作面的超前支承压力，并与数值模拟结果对比分析，为合理的超前支护方案制定奠定基础。

1 工作面概况

1204工作面布置在二叠系下统山西组2号煤层中，地面大部分被第三、四系黄土覆盖，东部为上示岭丘陵地带，北部为南岭和正沟的山坡地带，由2个向斜和1个背斜构成，工作面整体为南东高、北西低，煤层盖山厚334～487 m。该综采面西邻一采区边界，南为已开采的1202综采面，东邻集中轨道巷，北为正在开采的1206综采面。1204工作面对应的地面标高为+948～+1 103 m，井下标高为+495～+541 m；走向长度1 980 m，倾向长度167 m。

2号煤层厚度为2.50～3.95 m，平均为3.20 m；倾角为3°～8°，平均为6°。基本顶为砂质泥岩，厚度为6.5 m；直接顶为泥质页岩，厚度为1.6 m；直接底为砂质页岩，厚度为2.4 m；基本底为细粒砂岩，厚度2.42 m。工作面采用综合机械化采煤法，全部垮落法控制顶板。

2 超前支护方式的选择

目前我国煤矿综采面采用的超前支护方式主要有：单体液压支柱+金属顶梁方式(包括“单体液压支柱+一字金属铰接顶梁”、“单体液压支柱+十字金属铰接顶梁”和“单体液压支柱+Π型钢梁”)和超前支架。不同超前支护方式对比见表1。

表1 不同超前支护方式对比Tab.1 Comparison of different advanced supporting methods

根据实际生产地质条件，通过对不同超前支护方式的缺点进行对比分析，确定1204综采面超前支护方式为“单体液压支柱+Π型钢梁”。单体液压支柱选用DZ-35型，Π型钢梁选用DFB4000-300型，超前支护设计为40 m，单体液压支柱穿鞋。

3 数值模型建立

采煤工作面推进距离不同时，覆岩结构特征不同，在其自重压力和采动影响共同作用下，综采面超前支承压力分布规律存在差异性[1-5]；另一方面，综采面受构造影响时，基本顶和直接顶结构特征及受力特点不同，引起综采面超前支承压力分布规律不同[6-7]。根据1204综采面的生产地质条件，采用FLAC3D三维数值模拟软件，针对向斜构造区域(包括过向斜轴部阶段、俯采阶段和仰采阶段)，开展了超前支承压力分布规律研究。

根据1204综采面的生产地质条件，建立向斜模型(图1)，模拟综采面向斜构造区域回采，研究向斜构造区域综采面超前支承压力分布规律。考虑边界影响、综采面预期可能达到的超前支承压力影响范围及此次研究需要开挖的最大尺寸，确定模型长×宽×高=300 m×300 m×100 m。模型的左、右及下边界均为位移固定约束边界，上边界为应力边界，按上覆岩层厚度施加均布载荷。为使模拟结果真实反映客观实际，煤层本构关系采用应变软化模型，岩层本构关系采用Mohr-Coulumb模型。采用界面单元模拟岩层层面。

图1 向斜模型Fig.1 Syncline model

向斜构造区域综采面开采模拟设计如下：综采面推进30 m，模拟俯采阶段(俯采角度为10°)；综采面推进50 m，模拟过向斜轴部阶段(倾角为0°)；综采面推进78 m，模拟仰采阶段(仰采角度为10°)。测线布置：在综采面内，靠近材料巷一侧布置1条测线A-A，在运输巷一侧布置1条测线B-B，监测采煤面超前支承应力变化，测线布置如图2所示。

图2 测线布置Fig.2 Survey line layout

4 超前支承压力分布规律

4.1 俯采阶段

俯采阶段超前支承压力分布云图如图3所示，综采面超前支承压力变化曲线如图4所示。

图3 俯采阶段综采面超前支承应力分布云图Fig.3 Cloud map of leading support stress distribution in fully-mechanized mining face in subduction working stage

图4 俯采阶段综采面超前支承压力分布曲线Fig.4 Distribution curve of advanced abutment pressure in fully-mechanized mining face in subduction working stage

(1)运输巷侧的超前支承压力影响范围为42.4 m，综采面前方0～23.6m为剧烈影响区，23.6～42.4 m为微弱影响区，应力峰值为18.6 MPa，在综采面前方14.4 m处，应力集中系数为1.86；材料巷侧的超前支承压力影响范围为41.7 m，综采面前方0～22.8 m为剧烈影响区，22.8～41.7 m为微弱影响区，应力峰值为18 MPa，在综采面前方13.9 m处，应力集中系数为1.8。与材料巷相比，运输巷侧的超前支承压力影响范围增大0.5 m，应力峰值增大了0.6 MPa，距综采面的距离增大了0.5 m，应力集中系数增大了0.06。

(2)俯采时，在基本顶结构及上覆岩层的重力作用下，与沿水平方向回采时相比，力的作用点前移，使得超前支承压力影响范围和应力峰值位置距综采面的距离都变大，根据俯采时基本顶受力特点，作用在基本顶的力是岩层自重的分力，因此，超前支承压力应力集中程度相对较小。

4.2 过向斜轴部阶段

过向斜轴部阶段超前支承压力分布云图如图5所示，超前支承压力变化曲线如图6所示。

图6 过向斜轴部综采面超前支承压力分布曲线Fig.6 Distribution curve of advanced abutment pressure in fully-mechanized working face when crossing syncline axis

(1)运输巷侧的超前支承压力影响范围为35.6 m，综采面前方0～20.6 m为剧烈影响区，20.6～39.7 m为微弱影响区，应力峰值为24.9 MPa，在综采面前方11.8 m处，应力集中系数为2.46；材料巷的超前支承压力影响范围为35.3m，综采面前方0～19.8 m为剧烈影响区，19.8～39.3 m为微弱影响区，应力峰值为24 MPa，在综采面前方11.2 m处，应力集中系数为2.4。与材料巷相比，运输巷侧的超前支承压力影响范围增大了0.4 m，应力峰值增大了0.9 MPa，距综采面的距离增大了0.6 m，应力集中系数增大了0.09。

(2)过向斜轴部时，由于受构造影响，围岩应力集中程度较大，且围岩比较破碎，综采面超前支承压力影响程度较俯采时大，但影响范围较俯采时小。与正常回采时相比，超前支承压力影响范围和应力集中程度都大[8-12]。

4.3 仰采阶段

仰采阶段综采面超前支承压力分布云图如图7所示，超前支承压力变化曲线如图8所示。

图7 仰采阶段综采面超前支承应力分布云图Fig.7 Cloud map of leading support stress distribution in fully-mechanized mining face in upward working stage

(1)运输巷侧的超前支承压力影响范围为32.6 m，综采面前方0～19.1 m为剧烈影响区，19.1～32.6 m为微弱影响区，应力峰值为23.3 MPa，在综采面前方8.8 m处，应力集中系数为2.33；材料巷侧的超前支承压力影响范围为31.9 m，综采面前方0～18.8 m为剧烈影响区，18.8～31.9 m为微弱影响区，应力峰值为23.1 MPa，在综采面前方8.6 m处，应力集中系数为2.31。与材料巷相比，运输巷侧的超前支承压力影响范围增大0.7 m，应力峰值增大了0.2 MPa，距综采面的距离增大了0.2 m，应力集中系数增大了0.02。

图8 仰采阶段综采面超前支承压力分布曲线Fig.8 Distribution curve of advanced abutment pressure in fully-mechanized mining face in upward working stage

(2)仰采时，综采面超前支承压力向采空区方向倾斜，因此支承压力影响范围较俯采时的小，但直接顶随着综采面的向前推进，随采随冒，基本顶岩层断裂成的岩块在重力的作用下向采空区方向旋转、下滑，使得综采面液压支架上方岩层结构很不稳定，引起矿压显现极其剧烈，使得超前支承压力集中程度较俯采时大[13-15]。

5 现场实测

由于运输巷安装有带式输送机，空间受限不方便实测，因此只在材料巷用压力表对超前支护范围内的单体液压支护压力进行了实测。实测结果如图9所示。

图9 单体液压支柱压力分布曲线Fig.9 Pressure distribution curve of single hydraulic prop

由图9可知：①俯采阶段，工作面前方0～21.4 m为剧烈影响区，21.4～40.0 m为微弱影响区，应力峰值在工作面前方12.3m处，应力集中系数为1.71；②过向斜轴部阶段，工作面前方0～18.3 m为剧烈影响区，18.3～35.0 m为微弱影响区，应力峰值在工作面前方10.5 m处，应力集中系数为2.48；③仰采阶段，工作面前方0～18m为剧烈影响区，18～33 m为微弱影响区，应力峰值在工作面前方8.95 m处，应力集中系数为2.22。

6 结论

(1)对比分析不同超前支护方式的优缺点，结合1204综采面的工程地质条件，确定超前支护方式为“单体液压支柱+Π型钢梁”，单体液压支柱选用DZ-35型，Π型钢梁选用DFB4000-300型。

(2)数值模拟得出：向斜构造区域回采时：俯采阶段，工作面超前支承压力影响范围为42 m，应力集中系数为1.83；过向斜轴部阶段，工作面超前支承压力影响范围为35.4 m，应力集中系数为2.45；仰采阶段，超前支承压力影响范围为32.2 m，应力集中系数为2.32。

(3)现场实测得出：俯采阶段，工作面超前支承压力影响范围为40 m，应力集中系数为1.71；过向斜轴部阶段，工作面超前支承压力影响范围为35 m，应力集中系数为2.48；仰采阶段，工作面超前支承压力影响范围为33 m，应力集中系数为2.22。

(4)向斜构造区域回采时，过向斜轴部阶段的应力集中程度最大，仰采阶段的次之，俯采阶段的最小；但俯采阶段的支承压力影响范围最大，过向斜轴部阶段的次之，仰采阶段的最小。