近距離煤層下部綜采工作面超前支護優化

侯拴貴

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 太原 030200）

對于綜采工作面而言，巷道超前支護段支護空間較大，易受回采動壓影響，支護難度相應較大，做好工作面超前支護段支護管理是確保工作面安全高效回采的關鍵[1-2]。對于近距離煤層而言，根據綜采工作面開采底板破壞機理可知，上部煤層開采會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出現新的變化，支承應力分布規律發生改變必將對超前支護的形式和質量提出新的要求[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#煤層的開采造成了9#煤層頂板強度和完整性下降，為了提高9#煤層綜采工作面超前支護質量，必須對超前支承壓力分布規律進行研究。鑒于此，決定以29205綜采工作面為例對超前支承壓力分布進行研究，確定超前支護方案。

1 工作面概況

29205工作面位于礦井北二采區，南部為工作面采空區，北部和東部為實體煤，西部為采區集中巷道。該工作面所采煤層為9#煤層，上部8#煤層已經于10年前開采結束，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，可采系數為1，屬于穩定可采中厚煤層工作面。29205工作面設計走向長度和傾斜長度分別為960m和140m，頂板為均厚7.4m的砂質泥巖-細粒砂巖-砂質泥巖，底板為均厚5.3m的砂質泥巖-細粒砂巖。工作面采用“一進一回”式通風，兩巷沿煤層頂板掘進，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“錨網索鋼帶”進行支護。超前支護段采用單體柱配合11#礦工鋼架設走向棚子進行加強支護，采場布置ZY3600-12/28型支架94臺。

2 超前支護段破壞情況分析

工作面煤體采出后，圍巖應力重新進行分布，分布一般規律見圖1所示。應力分布產生的原因主要是，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，該區域支承壓力遠大于工作面后方支承壓力，同時，采空區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的拱形，而采煤作業空間恰處于拱的下方，工作面支承壓力呈現出了應力增高區、應力降低區和應力穩定區的分布特點，且應力分布隨著工作面前移不斷前移。工作面支承壓力增高區的存在會一程度地造成區域范圍工作面頂板完整性和強度下降，應力增高區影響范圍與原巖應力大小、圍巖特性、回采工藝等密切相關，確定支承壓力增高區影響范圍和支承壓力強度是確定工作面超前支護段的重要依據。另外，工作面采動后，工作面超前支承壓力會通過煤體和煤柱向底板傳遞，當傳遞至底板的支承壓力超出底板應力極限時，底板出現塑形變形破壞，對下部煤層開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，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定性不僅與本工作面開采有關，同時也受到上部8#煤層開采的影響。為了掌握29205工作面上方頂板受8#煤層開采影響破壞情況，在29205工作面回采巷道向頂板布置窺視鉆孔，結果顯示8#煤層底板5～6.4m范圍內底板巖層裂隙發育，推斷8#煤層開采底板破壞深度為 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，在回采巷道煤體側埋設煤體應力計進行實測。在回風巷工作面前方100m處向外每隔10m布置一個鉆孔，鉆孔位于巷道煤體側，鉆孔深度10m，共計布置10個鉆孔，每個鉆孔內安設1臺應力計，設定應力計每隔5s記錄一次數值，應力計讀數可通過應力計數值采集器進行采集。當工作面推至觀測鉆孔時開始采集數據，每班采集一次，將數據傳輸至計算機進行匯總分析，結果見圖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，所測支承壓力峰值為19.1MPa。在礦井非采空區下9#煤層19102工作面回采巷道按照同樣方案布置應力計觀測鉆孔，結果顯示，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，支承應力可達30MPa以上。由此可知，近距離下部煤層工作面支承壓力和強度均有所降低。

圖2 29205工作面回風巷超前支承壓力分布

4 超前支護優化方案

29205工作面超前段原支護方案為：回風巷和機巷均采用11#礦工鋼配合液壓單體柱架設傾向棚子進行支護，棚子為“一梁三柱”，棚距為800mm，巷道超前支護長度為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際，超前支承壓力影響范圍和強度均低于非采空區下綜采工作面，決定對超前支護進行優化。具體為：回風巷超前支護長度暫定為40m，風巷采用長度為4m的π型鋼梁配合液壓單體柱架設“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。三排鋼梁要求交錯邁步800m，若巷道存在高冒區時在鋼梁上方架設木垛進行剎頂，確保鋼梁接頂嚴實，單體柱要求穿戴柱鞋；進風巷超前支護長度為40m，考慮到巷幫變形及轉載機的影響，機巷架設空間狹窄，采用1m鉸接梁代替π型鋼梁，鉸接梁共3排，中間一排緊貼轉載機下幫布置，另外兩排距離巷幫300mm，鉸接梁采用“一梁一柱”架設，存在高冒區時架設木垛進行剎頂，確保鉸接梁平直接頂。鑒于8#煤層的開采造成29205工作面局部頂板完整性和強度下降，對于頂板較碎區域采用注射瑪麗散進行加固，然后在該區域采用11#礦工鋼配合單體柱架設傾向棚子或者架設窄木垛進行加強支護。

5 效果

29205工作面兩巷超前段采用新支護方案后，未出現頂板明顯下沉現象，整體支護質量較好，能夠滿足現場支護需求。采用新支護方案后，降低了超前段支護長度，大量地減少了11#礦工鋼的使用量，減少了棚子的數量，降低了架棚、拆棚的職工勞動強度，在確保滿足現場支護要求的基礎上提高了勞動效率，有利于工作面的高產高效。