綜采工作面超前支承壓力分布規律研究

王建輝

摘要：本文對文家坡煤礦41盤區4101綜采工作面的超前支承壓力進行理論分析，并對其分布規律進行研究，通過現場實測，證明理論分析的正確性。

關鍵詞：綜采工作面；超前支承壓力；分布規律

1引言

綜合機械化開采技術是目前我國煤炭開采行業中應用最廣泛的煤炭開采方法，其開采按超前支承壓力的分布對開采過程中出現的沖擊地壓、煤與瓦斯突出、頂煤（板）的冒落、支架的受力、巷道的維護等都有較大的關聯，所以研究綜采工作面超前支承壓力的分布規律，對工作面防突、采掘施工工藝的選取具有重要的作用。

2工作面概況

礦井位于陜西省彬縣，東南距西安150km，西北距長武縣40km。設計生產能力4.0Mt/a，設計服務年限61.7a。文家坡礦目前開采41盤區，該盤區布設8個采煤工作面，目前回采4101工作面，接替面為4102，順序開采方式。4101為綜采工作面，4104及以后煤層變厚為綜放工作面。礦井開拓大巷及盤區準備巷道均沿煤層掘進。4101綜采工作面共布置4條巷道，分別為4101工作面帶式輸送機巷，4101工作面回風巷，4101工作面泄水灌漿巷和4101工作面高位瓦斯抽放巷。4101工作面切眼長度240m，垂直于工作面回風巷和帶式輸送機巷布置；高位瓦斯抽放巷布置在工作面內側，距回風巷水平距離為25m，距工作面煤層頂板垂直距離為3.5倍的采高且平行于巷道布置。

4101綜采工作面采用后退式走向長壁綜合機械化一次采全高開采，全部垮落法管理頂板。DSJ140/250/5×400可伸縮皮帶運煤。采用MG500/1330-WD型電牽引雙滾筒采煤機雙向割煤。工作面中間架ZF13000/21/40型132架。端頭采用ZTZ13000/25/38型端頭架1組支護，過渡架采用ZFG13000/24/40H支架7架支護，回風巷超前液壓支架組采用ZTC39830/25/38B型4組支護，帶式輸送機巷超前液壓支架組為ZTC29870/25/38A型3組支護。準備巷道支護方式為：錨網索+噴混凝土聯合支護，回采巷道支護方式為：錨網索支護。準備巷道、回采巷道支護參數為：錨桿長度2.5米，拱部、直墻間排距800*800mm，錨索長度7.1米，間排距為1400*2100mm。

3超前支承壓力產生機理

3.1塑性區內支承壓力計算

綜采工作面超前支承壓力影響范圍可以分為如圖1中的4個區域，分別為彈性區，塑性區，綜采工作面和采空區[1]。

圖中下方所示為極限平衡區和彈性區的受力狀態分析，其極限平衡方程可以表示為：

根據莫爾-庫侖強度定律，以及二維應力狀態下的極限平衡關系，可以得出塑性區內支承壓力的表達公式為：

其中：為層間的摩擦系數；為煤體內摩擦角；為塑性區內任一點到煤壁的距離，m；為煤層厚度，m；為煤體支承力，MPa。

令，則支承壓力峰值點到煤壁的距離可表示為：

由公式（2）和（3）可以看出，綜采工作面前方支承壓力峰值的大小與開采高度成反比例關系，隨開采高度的增加而降低，而支承壓力峰值點的位置則是隨著開采高度的增加而向煤體深部轉移[2]。

3.2彈性區內支承壓力計算

綜采工作面前方的彈性區即為圖1中的區域，其支承壓力的公式可以表示為：

由公式5可以看出，綜采工作面前方的彈性區內支承壓力的范圍與煤厚成正比關系。

4超前支承壓力的現場實測

4.1礦壓觀測內容和測點布置

綜采工作面礦壓監測主要分兩個部分，一是工作面礦壓監測，另一是巷道礦壓監測。礦壓觀測內容包括工作面支架阻力觀測、兩端頭超前架及順槽超前支護范圍內單體液壓支柱阻力觀測、巷道圍巖變形觀測以及支護質量動態監測。4101工作面兩順槽由工作面端頭至停采線這段巷道內，每40米布置1個測站，第一個測站布置于距工作面100米處，每個測站包括頂板離層、錨桿（錨索）監測、鉆孔應力等。每條巷道（按2000米監測范圍）布置50個測站，兩條巷道共布置100個測站，每種傳感器需要100臺。

4.2離層儀的安裝和測量

每個測站在巷道正中頂板打一個深度為8.8米的頂板離層安裝孔，要求打孔規范（采用φ28mm-30mm鉆頭打孔）；頂板正中打孔安裝1根錨桿（或錨索，相鄰兩個測站交替布置，要求所用錨桿或錨索的材質、長度、性能與之前已安裝的完全一致，安裝錨桿（索）的同時安裝好應力傳感器）；在工作面巷道幫實體煤一側鉆孔安裝鉆孔應力傳感器，要求打孔規范（采用φ42mm鉆頭水平打孔，打孔位置距底板1.0m，深度6m）。要求所打頂板離層安裝孔、新安裝的錨桿（或錨索）以及所打鉆孔應力傳感器安裝孔盡量在巷道斷面同一條線上，不宜偏離過遠。兩條巷道均按此要求施工。測量頻度為：測站設計初，每天觀測一次，待變形穩定后每周2～3次。

4.3實測數據分析

經過測量得出4101綜采工作面超前支承壓力分布曲線，如圖2所示。

由圖中可以看出，4101綜采工作面超前支承壓力較大的范圍為工作面之前40m左右的范圍內，且支承壓力峰值出現在工作面前18m左右的位置，且峰值大小約為19MPa左右，實測數值與理論計算數值基本吻合，證明理論分析的正確性。

5結語

本文對文家坡煤礦41盤區4101綜采工作面的超前支承壓力進行理論計算分析，且在實際綜采過程中對其實際數據進行測量，證明了理論分析的正確性，并得出了綜采工作面超前支承壓力分布的規律為隨著距煤壁距離的增加，塑性區內的支承壓力變化呈指數函數關系，并最終遞增至支承壓力峰值，彈性區內支承壓力變化呈負指數函數關系，并最終遞減至原始支承壓力。根據實際測量，支承壓力峰值出現在工作面前18m左右，有利于頂煤的破碎冒落，但同時也應該加強支護，防止出現漏冒頂事故。

參考文獻：

[1]陳青峰.綜采工作面超前支承壓力分布監測研究[J].科技信息，2012（23）：408-409

[2]武月江.綜采工作面超前支承壓力分布規律研究[J].煤炭與化工，2014，37（2）：50-52