孫守孝

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)山西太原030000）

0 引言

放頂煤開采是目前厚煤層開采的主要方法之一，頂煤的回收與工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律有著重要的聯(lián)系[1]。而其中工作面推進(jìn)速度對減小工作面礦壓顯現(xiàn)程度、對液壓支架的影響及圍巖變形有著重要的影響，為保證放頂煤工作面的安全開采，需針對工作面推進(jìn)速度和支承壓力之間的關(guān)系進(jìn)行研究[2,3]。

劉全明[4]采用3DEC對不同推進(jìn)速度下的超前支承壓力、頂板斷裂位置等進(jìn)行了研究；馮龍飛[5]針對堅硬頂板采用不同推進(jìn)速度研究了頂班釋放能量的變化規(guī)律，對胡家河煤礦開采強度進(jìn)行了優(yōu)化?，F(xiàn)針對鋪龍灣礦5102綜放工作面推進(jìn)速度對支承壓力變化規(guī)律進(jìn)行研究

1 工程概況

1.1 工作面概況

山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司位于山西省大同市左云縣，5102工作面主采煤層為5#煤層，煤厚在6.5 m～8.7 m之間，煤層平均傾角為3°，煤層含三至五層夾石，夾石穩(wěn)定厚度0.10 m～1.1 m，工作面頂?shù)装鍘r性如表1所示。5102工作面位于井田西部，北部為DF4斷層保安煤柱，西部為礦界，東為盤區(qū)大巷，南部為已采5106工作面。5102工作面上部為重疊布置4#煤4207工作面，層間距為56.4 m～78.8 m，下部為8#煤實煤區(qū)。5102綜放工作面采用MG300/730WD雙滾筒采煤機割煤，ZF9000/18/35液壓支架支護(hù)，SGZ-764/400刮板運輸機，放頂煤自然垮落法處理采空區(qū)，工作面采用DW42-250/110X單體液壓支柱進(jìn)行超前支護(hù)。

表1 5102工作面頂?shù)装鍘r性表

工作面頂板屬較為破碎的復(fù)合頂板，綜放工作面回采過程中煤壁片幫、超前支護(hù)處頂板破碎，兩幫炸幫，有臺階下沉現(xiàn)象，安全出口距離達(dá)不到要求等。另外5102工作面傾向長度由145 m變?yōu)?80 m，工作面存在18條斷層，其中5 m～7.4 m斷層4條，這些因素嚴(yán)重影響5102礦壓觀測工作，可能造成劇烈的礦壓顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響開采的安全性、產(chǎn)量和效益。因此需分析5102工作面推進(jìn)速度對礦壓顯現(xiàn)情況的影響，進(jìn)而保證工作面安全開采。

2 推進(jìn)速度對支承壓力現(xiàn)場實測研究

2.1 觀測設(shè)備

采用YHY-60型單體柱壓力測量儀配合礦用手持采集器對5102工作面進(jìn)行超前支承壓力的測量儀表測量，在上下順槽不同位置，工作面不同推進(jìn)速度下進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集存儲、收集、分析。

2.2 壓力表測量點的布置

在5102回風(fēng)巷和運輸巷距工作面煤壁100 m、200 m、300 m處各安裝一臺測力儀，編號A、B、C、D、E、F。布置如圖1。A、D測點前100 m，工作面推進(jìn)速度為5 m/d左右；B、E測點前100 m，工作面推進(jìn)速度3 m/d左右；C、F測點前100 m，工作面推進(jìn)速度為1 m/d左右。工作面推至A、D測點處時，用紅外線手持采集器采集并存儲相關(guān)數(shù)據(jù)后，將A、D測點測力儀卸下，并將測力儀清零。工作面推至其它測力點處，重復(fù)上面操作，三臺測力儀數(shù)據(jù)收集完畢時，為一個測量周期。

圖1 工作面測點布置圖

2.3 工作面上下巷支承壓力分布規(guī)律統(tǒng)計

通過對回采期間，5102工作面前方支承壓力進(jìn)行觀測，整理分析所測數(shù)據(jù)繪制出工作面超前支承壓力變化規(guī)律圖。如圖2、3所示。圖中A、D曲線為工作面推進(jìn)速度為5 m/d時壓力表所測數(shù)據(jù)，B、E曲線為工作面推進(jìn)速度3 m/d時壓力表所測數(shù)據(jù)，C、F曲線為工作面推進(jìn)速度為1 m/d時壓力表所測數(shù)據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計整理分析可知，工作面上下巷超前支承壓力的分布規(guī)律及變化特點如下：

圖2 回風(fēng)巷超前支承壓力 線變化規(guī)律曲線

圖3 運輸巷超前支承壓力 變化規(guī)律曲

（1）從整體趨勢來看，超前支承壓力在回采工作面前方的分布，大體分為3個階段：在工作面前方80 m以外處應(yīng)力不發(fā)生變化，未受到采動影響，工作面前方35 m～80 m區(qū)段內(nèi)，應(yīng)力變化較大，受采動影響較為強烈，工作面前方35 m范圍內(nèi)應(yīng)力變化很大，受采動影響十分劇烈，隨著工作面的不斷推進(jìn)。支承壓力一直呈增大趨勢，達(dá)到峰值以后又開始逐漸降低。

（2）從各個不同曲線圖對比分析可知，工作面超前支承壓力的峰值及峰值位置會隨著工作面推進(jìn)速度的改變而不同。在不同的推進(jìn)速度下，各條曲線的壓力峰值大小不同，出現(xiàn)的位置也不同，推進(jìn)速度越大其峰值出現(xiàn)的位置就更加靠前。推進(jìn)速度為5 m/d時，距工作面約10 m～12 m處達(dá)到峰值，推進(jìn)速度為3 m/d時，距工作面約14 m～16 m處達(dá)到峰值，推進(jìn)速度為1 m/d時，距工作面約20 m～22 m處達(dá)到峰值。

（3）當(dāng)工作面推進(jìn)速度相同時，工作面前方支承壓力受工作面回采的影響從80 m左右處開始，并隨著工作面地不斷推進(jìn)先是緩慢增強，靠近煤壁約15 m～20 m范圍內(nèi)又呈急劇下降趨勢。當(dāng)工作面推進(jìn)速度不同時，工作面前方支承壓力變化幅度越大，推進(jìn)速度越快，在煤壁5 m～20 m范圍內(nèi)，壓力曲線斜率越大，其超前支承壓力變化幅度越大，峰值位置也越靠近煤壁位置。

（4）從支承壓力分布情況來看，受工作面采動影響導(dǎo)致圍巖集中應(yīng)力的動態(tài)轉(zhuǎn)移，高應(yīng)力區(qū)集中分布在距煤壁5 m～20 m范圍內(nèi)。根據(jù)上述分析可知，工作面推進(jìn)速度在3 m/d左右是比較合適的，工作面前方5 m～20 m范圍為高應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)加強支護(hù)。

3 推進(jìn)速度對支承壓力現(xiàn)場數(shù)值模擬研究

通過FlAC3D軟件模擬5102工作面1 m/d、3 m/d、5 m/d、7 m/d的推進(jìn)速度下圍巖支承壓力和塑性區(qū)的分布。不同推進(jìn)速度下圍巖支承壓力云圖如圖4，工作面不同推進(jìn)速度下圍巖塑性區(qū)分布如圖5。從圖4可知，隨著推進(jìn)速度的變化，工作面前方支承壓力分布范圍也隨之發(fā)生變化。當(dāng)5102工作面推進(jìn)速度為1 m/d時，工作面前方應(yīng)力集中范圍和程度較小，對石門圍巖穩(wěn)定影響較小，隨著5102工作面推進(jìn)速度的加快，工作面前方應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸明顯，當(dāng)推進(jìn)速度大于3 m/d時的應(yīng)力集中程度已經(jīng)十分明顯，石門圍巖右測變形較大，穩(wěn)定性較差，當(dāng)推進(jìn)速度大于5 m/d以后應(yīng)力集中程度已基本不再發(fā)生改變，對石門圍巖穩(wěn)定性影響也基本保持不變。分析圖5可知，工作面回采導(dǎo)致了前方產(chǎn)生塑性破壞區(qū)。工作面推進(jìn)速度小于3 m/d時，塑性區(qū)變化不是很明顯。隨著推進(jìn)速度的增加，塑性區(qū)范圍不斷增大，當(dāng)推進(jìn)速度達(dá)到5 m/d時工作面煤壁前方的塑性區(qū)與石門周圍塑性區(qū)已經(jīng)開始接近貫通，推進(jìn)速度達(dá)到7 m/d時工作面煤壁前方的塑性區(qū)與石門周圍塑性區(qū)已經(jīng)貫通，破壞最為明顯，所以工作面推進(jìn)速度3 m/d～5 m/d較為合理，這與現(xiàn)場實測分析結(jié)果基本相同。

圖4 圍巖支承壓力云圖

圖5 圍巖塑性區(qū)分布

4 結(jié)束語

針對鋪龍灣煤業(yè)5102工作面推進(jìn)速度對支承壓力變化規(guī)律影響，采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬研究了不同推進(jìn)速度下的工作面礦壓變化規(guī)律，得到了如下結(jié)論：

（1）現(xiàn)場實測可得：受工作面采動影響，在工作面前方會形成集中應(yīng)力，工作面前方80 m以外采動影響不太明顯；工作面前方35 m～80 m區(qū)段內(nèi)，應(yīng)力變化較大，受采動影響較為強烈；工作面前方35 m范圍內(nèi)應(yīng)力變化劇烈，受采動影響十分嚴(yán)重。

（2）現(xiàn)場實測可得：隨著工作面推進(jìn)速度的不斷增加，靠近工作面煤壁前方的塑性區(qū)范圍不斷增大。當(dāng)推進(jìn)速度大于5 m/d時石門右側(cè)塑性區(qū)范圍加大，右側(cè)圍巖松散垮落現(xiàn)象明顯，支護(hù)工作難度加大，所以工作面推進(jìn)速度為3 m/d～5 m/d較為合理。

（3）綜合數(shù)值模擬結(jié)果工作面前方塑性區(qū)范圍、應(yīng)力分布情況等，確定合理的工作面推進(jìn)速度為3 m/d～5 m/d。