鋪龍灣煤業綜放工作面推進速度對超前支承壓力的影響分析

孫守孝

（山西煤炭進出口集團山西太原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規律有著重要的聯系[1]。而其中工作面推進速度對減小工作面礦壓顯現程度、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，需針對工作面推進速度和支承壓力之間的關系進行研究[2,3]。

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

1 工程概況

1.1 工作面概況

山西鋪龍灣煤業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，夾石穩定厚度0.10 m～1.1 m，工作面頂底板巖性如表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。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，SGZ-764/400刮板運輸機，放頂煤自然垮落法處理采空區，工作面采用DW42-250/110X單體液壓支柱進行超前支護。

表1 5102工作面頂底板巖性表

工作面頂板屬較為破碎的復合頂板，綜放工作面回采過程中煤壁片幫、超前支護處頂板破碎，兩幫炸幫，有臺階下沉現象，安全出口距離達不到要求等。另外5102工作面傾向長度由145 m變為180 m，工作面存在18條斷層，其中5 m～7.4 m斷層4條，這些因素嚴重影響5102礦壓觀測工作，可能造成劇烈的礦壓顯現，嚴重影響開采的安全性、產量和效益。因此需分析5102工作面推進速度對礦壓顯現情況的影響，進而保證工作面安全開采。

2 推進速度對支承壓力現場實測研究

2.1 觀測設備

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，工作面不同推進速度下進行了數據采集存儲、收集、分析。

2.2 壓力表測量點的布置

在5102回風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，工作面推進速度為5 m/d左右；B、E測點前100 m，工作面推進速度3 m/d左右；C、F測點前100 m，工作面推進速度為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數據后，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，重復上面操作，三臺測力儀數據收集完畢時，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律統計

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

圖2 回風巷超前支承壓力 線變化規律曲線

圖3 運輸巷超前支承壓力 變化規律曲

（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以外處應力不發生變化，未受到采動影響，工作面前方35 m～80 m區段內，應力變化較大，受采動影響較為強烈，工作面前方35 m范圍內應力變化很大，受采動影響十分劇烈，隨著工作面的不斷推進。支承壓力一直呈增大趨勢，達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速度的改變而不同。在不同的推進速度下，各條曲線的壓力峰值大小不同，出現的位置也不同，推進速度越大其峰值出現的位置就更加靠前。推進速度為5 m/d時，距工作面約10 m～12 m處達到峰值，推進速度為3 m/d時，距工作面約14 m～16 m處達到峰值，推進速度為1 m/d時，距工作面約20 m～22 m處達到峰值。

（3）當工作面推進速度相同時，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先是緩慢增強，靠近煤壁約15 m～20 m范圍內又呈急劇下降趨勢。當工作面推進速度不同時，工作面前方支承壓力變化幅度越大，推進速度越快，在煤壁5 m～20 m范圍內，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致圍巖集中應力的動態轉移，高應力區集中分布在距煤壁5 m～20 m范圍內。根據上述分析可知，工作面推進速度在3 m/d左右是比較合適的，工作面前方5 m～20 m范圍為高應力集中區域，應加強支護。

3 推進速度對支承壓力現場數值模擬研究

通過FlAC3D軟件模擬5102工作面1 m/d、3 m/d、5 m/d、7 m/d的推進速度下圍巖支承壓力和塑性區的分布。不同推進速度下圍巖支承壓力云圖如圖4，工作面不同推進速度下圍巖塑性區分布如圖5。從圖4可知，隨著推進速度的變化，工作面前方支承壓力分布范圍也隨之發生變化。當5102工作面推進速度為1 m/d時，工作面前方應力集中范圍和程度較小，對石門圍巖穩定影響較小，隨著5102工作面推進速度的加快，工作面前方應力集中現象逐漸明顯，當推進速度大于3 m/d時的應力集中程度已經十分明顯，石門圍巖右測變形較大，穩定性較差，當推進速度大于5 m/d以后應力集中程度已基本不再發生改變，對石門圍巖穩定性影響也基本保持不變。分析圖5可知，工作面回采導致了前方產生塑性破壞區。工作面推進速度小于3 m/d時，塑性區變化不是很明顯。隨著推進速度的增加，塑性區范圍不斷增大，當推進速度達到5 m/d時工作面煤壁前方的塑性區與石門周圍塑性區已經開始接近貫通，推進速度達到7 m/d時工作面煤壁前方的塑性區與石門周圍塑性區已經貫通，破壞最為明顯，所以工作面推進速度3 m/d～5 m/d較為合理，這與現場實測分析結果基本相同。

圖4 圍巖支承壓力云圖

圖5 圍巖塑性區分布

4 結束語

針對鋪龍灣煤業5102工作面推進速度對支承壓力變化規律影響，采用現場實測、數值模擬研究了不同推進速度下的工作面礦壓變化規律，得到了如下結論：

（1）現場實測可得：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區段內，應力變化較大，受采動影響較為強烈；工作面前方35 m范圍內應力變化劇烈，受采動影響十分嚴重。

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

（3）綜合數值模擬結果工作面前方塑性區范圍、應力分布情況等，確定合理的工作面推進速度為3 m/d～5 m/d。