趙 耀，時(shí)建成

（山西晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

在綜采工作面中，要實(shí)現(xiàn)工作面安全高效回采的關(guān)鍵是做好工作面超前支護(hù)段的支護(hù)管理，超前支護(hù)段的空間大，容易受到回采時(shí)的動(dòng)壓影響，使支護(hù)難度增大[1-2]。特別是在近距離煤層開采過程中，上部煤層的開采會(huì)對(duì)下部煤層產(chǎn)生影響，造成其頂板的完整性下降，導(dǎo)致下部工作面的超前支承壓力重新分布，支承壓力的改變勢(shì)必會(huì)對(duì)超前支護(hù)的形式產(chǎn)生影響，造成原有的支護(hù)方案無法適應(yīng)現(xiàn)有的圍巖應(yīng)力變化過程，最終導(dǎo)致超前支護(hù)段的圍巖變形破壞嚴(yán)重，支護(hù)體產(chǎn)生傾斜或傾倒現(xiàn)象[3-5]。磁窯溝煤礦現(xiàn)主采的11號(hào)煤層11103工作面上覆是已經(jīng)回采完畢的10號(hào)煤層10203工作面，在開采過程中導(dǎo)致下部11103工作面出現(xiàn)頂板下沉、底鼓等危險(xiǎn)現(xiàn)象。鑒于此，為了保證11103工作面超前支護(hù)質(zhì)量以及工作面的正常安全回采，研究下部工作面頂板完整性以及超前支承壓力的分布情況，對(duì)超前支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 概 況

磁窯溝煤礦11號(hào)煤層11103工作面位于礦井西北部，煤層埋深100～205 m。工作面長(zhǎng)1 202 m，寬179 m，煤層平均傾角3°～5°，11號(hào)煤層西部煤層?xùn)|薄西厚、南薄北厚，11103回采工作面煤層平均厚度為4.30 m，其煤層內(nèi)有0.35 m夾矸，上部平均煤厚約為1.65 m、下部平均煤厚約為2.30 m。采用走向長(zhǎng)壁式一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。巷道頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 巷道頂?shù)装迩闆r分布Table 1 Distribution of roadway roof and floor

由于11號(hào)煤層11103工作面上方是已經(jīng)回采完的10號(hào)煤層10203工作面采空區(qū)，且兩層煤相距5.47 m，層間距較近，上層煤開采導(dǎo)致下層煤頂板的強(qiáng)度和完整性下降，造成下部工作面開采時(shí)超前支護(hù)段圍巖變形嚴(yán)重，工作面超前支護(hù)難度較大，特別是礦井原有的超前支護(hù)是采用單體支柱配合工字鋼進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度不足，容易造成支柱傾斜、底板鼓起、巷道斷面收縮等現(xiàn)象，而且原有的支護(hù)方式使工人的勞動(dòng)強(qiáng)度高，支柱、回柱時(shí)的危險(xiǎn)性也較大。因此，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)11103工作面超前支承壓力的分布情況進(jìn)行研究，并基于研究結(jié)果對(duì)超前支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 超前支護(hù)段分析

2.1 應(yīng)力分布

煤礦井下工作面開采后勢(shì)必會(huì)破壞周圍的圍巖應(yīng)力，導(dǎo)致其重新分布[6]，具體的分布規(guī)律如圖1所示。工作面回采后，上覆巖層的分布會(huì)出現(xiàn)橫三區(qū)，即：煤壁支撐區(qū)、離層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)，其中煤壁支撐區(qū)就是工作面前方一定范圍內(nèi)的煤壁，以及由其支撐的上覆巖體所組成的區(qū)域，煤壁支撐區(qū)的煤壁支撐了上覆巖體的大部分重量，使工作面前方支承壓力大于后方支承壓力[7]。同時(shí)，垮落到采空區(qū)的巖體又會(huì)承載上覆巖體的一部分重量，最終被逐漸壓實(shí)，形成重新壓實(shí)區(qū)，導(dǎo)致上覆巖體形成以煤壁支撐區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)為支撐點(diǎn)的拱形，離層區(qū)剛好位于拱頂部位，其下方是采煤工作面，因此，工作面的支承壓力出現(xiàn)了應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)的分布特點(diǎn)，且隨著工作面的不斷推進(jìn)應(yīng)力分布也在不斷前移[8]。位于工作面應(yīng)力增高區(qū)范圍內(nèi)頂板的完整性和強(qiáng)度會(huì)因?yàn)閼?yīng)力的增高而有所下降，這也是導(dǎo)致工作面超前支護(hù)段易破壞的原因[9]。

圖1 工作面前后支承壓力分布情況Fig.1 Bearing pressure distribution before and after work

2.2 超前支承壓力分布

在11103工作面回風(fēng)巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)周圍的應(yīng)力大小，以此來確定超前支承壓力的分布情況，具體的方案如下。

在工作面回風(fēng)巷道靠近煤體一側(cè)打鉆孔，每個(gè)鉆孔的深度為10 m，起始鉆孔距離工作面煤壁100 m，每個(gè)鉆孔相距5 m，總共布置20個(gè)鉆孔，鉆孔施工完畢后給每個(gè)鉆孔內(nèi)安裝一臺(tái)應(yīng)力計(jì)，并將每臺(tái)應(yīng)力計(jì)記錄一次數(shù)值的時(shí)間間隔設(shè)置為5 s，開始采集數(shù)據(jù)的時(shí)間為工作面推進(jìn)至觀測(cè)孔時(shí)，每班采集一次，通過應(yīng)力計(jì)數(shù)值采集器對(duì)應(yīng)力計(jì)讀數(shù)進(jìn)行采集。將采集到的數(shù)據(jù)匯總后進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 1 1 1 03工作面超前支承壓力分布Fig.2 Distribution of advance bearing pressure in No.11103 Face

可以看出，11103工作面超前支承壓力的峰值為18.3 MPa，出現(xiàn)的區(qū)域?yàn)楣ぷ髅媲胺?5～23 m。其影響范圍在工作面前方50 m以內(nèi)，50 m外的區(qū)域影響不大。按照同樣的方法，在礦井非采空區(qū)下的工作面回采巷道中布置應(yīng)力計(jì)，觀測(cè)支承壓力的變化情況，分析結(jié)果表明：在非采空區(qū)下的工作面回采巷道超前支承壓力的峰值在9 MPa以內(nèi)，出現(xiàn)在工作面前方10～16 m處，整個(gè)影響范圍在工作面前方30 m內(nèi)。通過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)11103工作面超前支承壓力的大小以及范圍相對(duì)于非采空區(qū)下的工作面超前支承壓力均有所增大。

由于上部工作面的開采破壞了下部11103工作面頂板完整性，同時(shí)導(dǎo)致下部工作面超前支承壓力增大，致使11103工作面開采時(shí)超前支護(hù)段圍巖變形破壞嚴(yán)重：煤壁片幫嚴(yán)重、頂板下沉量增大、支護(hù)體支柱傾斜等，導(dǎo)致工作面無法繼續(xù)向前推進(jìn)。因此，需要對(duì)11103工作面超前支護(hù)段支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，并確定新的支護(hù)方案。

3 超前支護(hù)優(yōu)化方案

磁窯溝煤礦11號(hào)煤層11103工作面原有的超前支護(hù)方案為單體液壓支柱配合礦用工字鋼進(jìn)行支護(hù)，超前支護(hù)支柱采用DW45-250/110x型號(hào)礦用單體液壓支柱，單體工作阻力不得小于15 MPa，柱距1.2 m，支柱間距誤差不大于100 mm，且單體距負(fù)幫安全通道距離不小于0.8 m，支護(hù)長(zhǎng)度從工作面煤壁算起不小于20 m。

采用單體對(duì)綜采工作面超前支護(hù)段支護(hù)，每班需要安排3人作業(yè)，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工效率低，而且支護(hù)穩(wěn)定性相比液壓支架效果略差一些。工作面每班按照6.4 m推進(jìn)，機(jī)頭機(jī)尾總共需要支護(hù)單體數(shù)量為40個(gè)，數(shù)量較大，搬運(yùn)也較困難。

為了降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，增加工作面超前支護(hù)的可靠性，對(duì)工作面超前支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。工作面回風(fēng)巷超前支護(hù)由單體改為超前支架ZY8000/24/50D，共3組，每組1架，拉移千斤頂由里向外編號(hào)為H1、H2、H3，支撐高度為2.4～5 m（巷高3.7 m），工作面循環(huán)步距800 mm，支架寬度為1.75 m，長(zhǎng)度為7.3 m，H1號(hào)架與煤壁平齊，3組支架的支護(hù)距離大于20 m。操作流程為H1號(hào)架外移800 mm，升緊支架；H2號(hào)架外移800 mm，升緊支架；H3號(hào)架外移800 mm，升緊支架為一次循環(huán)。根據(jù)巷道頂板情況在頂梁上背設(shè)道木，調(diào)整好支架狀態(tài)，保證接頂嚴(yán)實(shí)，支架初撐力不小于22 MPa。當(dāng)H3號(hào)液壓支架推移過程出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，可以利用1.2 m單體對(duì)幫部進(jìn)行輔助支撐，保證推進(jìn)平直、成排成線。如現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)片幫嚴(yán)重、頂板下沉等異常情況時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在兩側(cè)加設(shè)單體和錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

11103工作面在采用超前支架進(jìn)行超前支護(hù)后，超前支護(hù)段的空間得到了大幅提升，方便了工作面的運(yùn)輸，提高了礦井生產(chǎn)過程中的安全性，且未出現(xiàn)明顯的頂板下沉和底鼓片幫現(xiàn)象，基本上達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)的支護(hù)需求。使用超前支架支護(hù)后大幅提升了支護(hù)效率，減少了單體支柱、礦用工字鋼等傳統(tǒng)支護(hù)體的使用量，降低了材料的消耗，提高了勞動(dòng)效率，通過前后架交替自移實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化超前支護(hù)，有助于實(shí)現(xiàn)工作面的高產(chǎn)高效。

4 結(jié) 論

（1）通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，掌握了11103工作面超前支承壓力的分布情況，經(jīng)過分析得出其超前支承壓力影響范圍和強(qiáng)度均高于近距離煤層非采空區(qū)下工作面的超前支承壓力影響范圍和強(qiáng)度，導(dǎo)致超前支護(hù)段圍巖變形嚴(yán)重，支護(hù)體傾斜，工作面無法繼續(xù)向前推進(jìn)。

（2）對(duì)礦井原有的超前支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，即將礦井原有的單體液壓支柱、工字鋼等超前支護(hù)體用超前液壓支架替換，減少了單體支柱、工字鋼的消耗，且使用超前支架后，通過支架的交替自移實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化超前支護(hù)，提高了礦井生產(chǎn)過程中的安全性，并且在降低工人勞動(dòng)量的同時(shí)提升了工作效率，有助于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。

（3）采用超前液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)后，巷道的整體支護(hù)效果良好，未出現(xiàn)明顯的頂板下沉、底鼓等現(xiàn)象，基本達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)需求，研究結(jié)果為相似礦井的超前支護(hù)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。