近距離煤層下部綜采工作面超前支護(hù)優(yōu)化

侯拴貴

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 太原 030200）

對(duì)于綜采工作面而言，巷道超前支護(hù)段支護(hù)空間較大，易受回采動(dòng)壓影響，支護(hù)難度相應(yīng)較大，做好工作面超前支護(hù)段支護(hù)管理是確保工作面安全高效回采的關(guān)鍵[1-2]。對(duì)于近距離煤層而言，根據(jù)綜采工作面開(kāi)采底板破壞機(jī)理可知，上部煤層開(kāi)采會(huì)造成下部煤層頂板的完整性遭到破壞，下部工作面超前支承壓力分布情況會(huì)出現(xiàn)新的變化，支承應(yīng)力分布規(guī)律發(fā)生改變必將對(duì)超前支護(hù)的形式和質(zhì)量提出新的要求[3-4]。西曲礦主采煤層為3#、4#、8#和9#煤層，其中北二采區(qū)所采9#煤層距離上部8#煤層間距平均不足8m，且上部8#煤層的開(kāi)采造成了9#煤層頂板強(qiáng)度和完整性下降，為了提高9#煤層綜采工作面超前支護(hù)質(zhì)量，必須對(duì)超前支承壓力分布規(guī)律進(jìn)行研究。鑒于此，決定以29205綜采工作面為例對(duì)超前支承壓力分布進(jìn)行研究，確定超前支護(hù)方案。

1 工作面概況

29205工作面位于礦井北二采區(qū)，南部為工作面采空區(qū)，北部和東部為實(shí)體煤，西部為采區(qū)集中巷道。該工作面所采煤層為9#煤層，上部8#煤層已經(jīng)于10年前開(kāi)采結(jié)束，兩煤層間距平均為7.4m。8#煤層平均煤厚2.2m，中間夾矸均厚0.1m，煤層平均傾角為3.5°，平均埋深220m，可采系數(shù)為1，屬于穩(wěn)定可采中厚煤層工作面。29205工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度和傾斜長(zhǎng)度分別為960m和140m，頂板為均厚7.4m的砂質(zhì)泥巖-細(xì)粒砂巖-砂質(zhì)泥巖，底板為均厚5.3m的砂質(zhì)泥巖-細(xì)粒砂巖。工作面采用“一進(jìn)一回”式通風(fēng)，兩巷沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面均為矩形，巷道凈高和凈寬分別為2.2m和3.6m，采用“錨網(wǎng)索鋼帶”進(jìn)行支護(hù)。超前支護(hù)段采用單體柱配合11#礦工鋼架設(shè)走向棚子進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，采場(chǎng)布置ZY3600-12/28型支架94臺(tái)。

2 超前支護(hù)段破壞情況分析

工作面煤體采出后，圍巖應(yīng)力重新進(jìn)行分布，分布一般規(guī)律見(jiàn)圖1所示。應(yīng)力分布產(chǎn)生的原因主要是，在工作面煤體回采后，前方一定范圍煤壁一端承載著上覆巖層的大部分重量，該區(qū)域支承壓力遠(yuǎn)大于工作面后方支承壓力，同時(shí)，采空區(qū)巖體垮落后又承載了一部分上覆巖體重量，促使上覆巖體形成由前方煤體和后方垮落巖體作為承載支點(diǎn)的拱形，而采煤作業(yè)空間恰處于拱的下方，工作面支承壓力呈現(xiàn)出了應(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)，且應(yīng)力分布隨著工作面前移不斷前移。工作面支承壓力增高區(qū)的存在會(huì)一程度地造成區(qū)域范圍工作面頂板完整性和強(qiáng)度下降，應(yīng)力增高區(qū)影響范圍與原巖應(yīng)力大小、圍巖特性、回采工藝等密切相關(guān)，確定支承壓力增高區(qū)影響范圍和支承壓力強(qiáng)度是確定工作面超前支護(hù)段的重要依據(jù)。另外，工作面采動(dòng)后，工作面超前支承壓力會(huì)通過(guò)煤體和煤柱向底板傳遞，當(dāng)傳遞至底板的支承壓力超出底板應(yīng)力極限時(shí)，底板出現(xiàn)塑形變形破壞，對(duì)下部煤層開(kāi)采和巷道布置等造成直接影響。

分析29205工作面布置情況可知，上部為8#煤層工作面采空區(qū)，且與8#煤層平均間隔僅為7.4m，因此，29205工作面超前段巷道穩(wěn)定性不僅與本工作面開(kāi)采有關(guān)，同時(shí)也受到上部8#煤層開(kāi)采的影響。為了掌握29205工作面上方頂板受8#煤層開(kāi)采影響破壞情況，在29205工作面回采巷道向頂板布置窺視鉆孔，結(jié)果顯示8#煤層底板5～6.4m范圍內(nèi)底板巖層裂隙發(fā)育，推斷8#煤層開(kāi)采底板破壞深度為 5～6.4m。

圖1 工作面前后支承壓力分布情況

3 超前支承壓力分布

為了掌握29205工作面超前支承壓力分布情況，在回采巷道煤體側(cè)埋設(shè)煤體應(yīng)力計(jì)進(jìn)行實(shí)測(cè)。在回風(fēng)巷工作面前方100m處向外每隔10m布置一個(gè)鉆孔，鉆孔位于巷道煤體側(cè)，鉆孔深度10m，共計(jì)布置10個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔內(nèi)安設(shè)1臺(tái)應(yīng)力計(jì)，設(shè)定應(yīng)力計(jì)每隔5s記錄一次數(shù)值，應(yīng)力計(jì)讀數(shù)可通過(guò)應(yīng)力計(jì)數(shù)值采集器進(jìn)行采集。當(dāng)工作面推至觀測(cè)鉆孔時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，每班采集一次，將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行匯總分析，結(jié)果見(jiàn)圖2所示。由圖2可知，超前支承壓力影響范圍在工作面前方40～45m，其中支承壓力峰值在工作面前方14～17m，所測(cè)支承壓力峰值為19.1MPa。在礦井非采空區(qū)下9#煤層19102工作面回采巷道按照同樣方案布置應(yīng)力計(jì)觀測(cè)鉆孔，結(jié)果顯示，超前支承壓力影響范圍為60～65m，支承壓力峰值位于工作面前方10～15m，支承應(yīng)力可達(dá)30MPa以上。由此可知，近距離下部煤層工作面支承壓力和強(qiáng)度均有所降低。

圖2 29205工作面回風(fēng)巷超前支承壓力分布

4 超前支護(hù)優(yōu)化方案

29205工作面超前段原支護(hù)方案為：回風(fēng)巷和機(jī)巷均采用11#礦工鋼配合液壓?jiǎn)误w柱架設(shè)傾向棚子進(jìn)行支護(hù)，棚子為“一梁三柱”，棚距為800mm，巷道超前支護(hù)長(zhǎng)度為50m，要求單體柱壓力不低于90kN。

鑒于29205工作面超前支承壓力分布實(shí)際，超前支承壓力影響范圍和強(qiáng)度均低于非采空區(qū)下綜采工作面，決定對(duì)超前支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。具體為：回風(fēng)巷超前支護(hù)長(zhǎng)度暫定為40m，風(fēng)巷采用長(zhǎng)度為4m的π型鋼梁配合液壓?jiǎn)误w柱架設(shè)“一梁四柱”走向棚子。走向棚子共布置3排，中間一排沿巷道中線布置，另外2排分別距離巷幫400mm。三排鋼梁要求交錯(cuò)邁步800m，若巷道存在高冒區(qū)時(shí)在鋼梁上方架設(shè)木垛進(jìn)行剎頂，確保鋼梁接頂嚴(yán)實(shí)，單體柱要求穿戴柱鞋；進(jìn)風(fēng)巷超前支護(hù)長(zhǎng)度為40m，考慮到巷幫變形及轉(zhuǎn)載機(jī)的影響，機(jī)巷架設(shè)空間狹窄，采用1m鉸接梁代替π型鋼梁，鉸接梁共3排，中間一排緊貼轉(zhuǎn)載機(jī)下幫布置，另外兩排距離巷幫300mm，鉸接梁采用“一梁一柱”架設(shè)，存在高冒區(qū)時(shí)架設(shè)木垛進(jìn)行剎頂，確保鉸接梁平直接頂。鑒于8#煤層的開(kāi)采造成29205工作面局部頂板完整性和強(qiáng)度下降，對(duì)于頂板較碎區(qū)域采用注射瑪麗散進(jìn)行加固，然后在該區(qū)域采用11#礦工鋼配合單體柱架設(shè)傾向棚子或者架設(shè)窄木垛進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

5 效果

29205工作面兩巷超前段采用新支護(hù)方案后，未出現(xiàn)頂板明顯下沉現(xiàn)象，整體支護(hù)質(zhì)量較好，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)需求。采用新支護(hù)方案后，降低了超前段支護(hù)長(zhǎng)度，大量地減少了11#礦工鋼的使用量，減少了棚子的數(shù)量，降低了架棚、拆棚的職工勞動(dòng)強(qiáng)度，在確保滿足現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)要求的基礎(chǔ)上提高了勞動(dòng)效率，有利于工作面的高產(chǎn)高效。