采煤工作面超前支承壓力分析及超前支護優化

樊衛閣，王慶路，王 偉

（兗州煤業股份有限公司楊村煤礦，山東 濟寧272118）

0 引 言

楊村煤礦323 工作面軌道順槽沿空側煤柱4m，回采期間超前支承壓力影響范圍30m，巷道頂底板移近量500～1 200mm，兩幫移近量500～800mm，超前支護支設兩排單體，支設距離30m。工作面推至477m 后，沿空側煤柱23.3m，超前支承壓力影響范圍減少，通過研究超前323 工作面超前支承壓力顯現和巷道圍巖變形特征，對采煤工作面巷道支護和設備選型具有重要的意義。

1 工作面概況

323 工作面北靠322 工作面，南臨TD302 工作面，東至304 工作面采空區，以西為三煤運輸集中巷。323 工作面所采煤層為山西組3 層煤，煤層結構簡單，穩定可采，煤層厚度變化為5.80～9.10m，平均8.32m，煤層普氏系數（f）一般在1.91 左右，為軟～中等硬度煤層。煤層可采性指數為1.0，變異系數5.09%。煤層起伏不大，煤層傾角1°～7°，平均4°。

323 工作面軌道順槽沿空布置，工作面推至477m 時，沿空側煤柱寬度由原來4m，過渡至23.3m。323 軌順超前支護的方式為：支設2 排超前支護，柱距1.0m。距離工作面側煤壁0.5m 和巷中各支設1 排單體液壓支柱，溜尾最后1 組支架與巷幫大于0.7m 時, 距離巷幫0.5m 支設1 排單體液壓支柱，2 排的支護距離均為30m。

圖1 323 工作面平面布置圖

2 工作面超前支承壓力范圍確定

2.1 理論計算[2]

理論上，采煤工作面超前支承壓力影響范圍包括塑性區與彈性區，計算方法如下。

2.1.1 塑性區

塑性區內支承壓力為σy，根據錢鳴高、石平五等有關圍巖極限平衡和支承壓力分布基于“孔”模型的求解，在工作面前方極限平衡區內支承壓力的計算公式可表示為：

式中：f為煤層與頂底板間摩擦因數；φ為煤體內摩擦角；x為塑性區內任一點到煤壁的距離，m；M為煤層厚度，m；N0為煤幫的支撐能力，MPa。

為求出超前應力峰值點位置x0，令塑性區支承壓力達到最大壓應力值σy=KγH，則

式中：K為應力集中系數；H為煤層埋深，m；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3。

2.1.2 彈性區[3]

由超前支承壓力峰值向煤體深處，應力值逐漸過渡到接近原巖應力值，此區域煤巖體保持較好完整性，屬于彈性區范疇。

根據彈性力學理論，超前支承壓力分布表達式為：

式中：β為側壓系數，取值2.02。

設彈性區范圍為x1，當x= x0+ x1時，σy=γH，即為原巖應力值，代入式（3）得

2.1.3 支承壓力影響范圍及峰值

以323 工作面為例，M取值8m，f 取值0.25，內摩擦角取值20°，H取值273m，得到塑性區寬度為12m，彈性區寬度9m，因此323 工作面超前支承壓力影響范圍為21m，峰值位于距離工作面12m 位置處。

2.2 巷道收斂觀測分析

2.2.1 觀測點布置

8 月11 日在323 工作面軌道順槽布置了3 個礦壓觀測點，測量每個觀測點位置的巷道頂低高度和寬度，1#點距離工作面132m，2#點距離工作面92m，3#點 距 離 工 作 面72m，1#點 與2#點 間 距40m，2#點與3#點間距20m，3#點與工作面的距離72m，如圖2 所示。

圖2 觀測點布置示意圖

2.2.2 觀測點數據對照

安排礦壓觀測工，每隔4-5 天測量1 次巷道頂底、兩幫的寬度，將7 次觀測數據進行匯總，并繪制圍巖移近量曲線（見圖3、圖4）。根據曲線圖分析總結圍巖移近量變化趨勢，并且根據變化量，劃分工作面超前支承壓力影響區域。

2.2.3 觀測點數據分析與范圍確定

由圖3 可知，2# 觀測點距離工作面大于20m時，巷道高度和兩幫距離逐漸減小，變化趨勢緩慢；距離工作面在20m 范圍內時，巷道高度和兩幫距離同樣減小，但變化趨勢較大。

圖3 軌順2 點變化折線圖

由圖4 可知，3#觀測點距離工作面大于17m時，巷道高度和兩幫距離逐漸減小，變化趨勢緩慢；距離工作面在17m 范圍內時，巷道高度和兩幫距離同樣減小，但變化趨勢較大。

圖4 軌順3 點變化折線圖

由此可知軌順巷道超前收斂變化影響區域小于20m。

2.3 結 論

通過彈性力學理論計算，323 工作面超前支承壓力影響范圍為21m；通過巷道收斂觀測分析，超前壓力影響距離在20m。結合2 種方法研究，可以確定323 軌順超前壓力影響距離為20～21m。

3 軌順超前支護距離優化

3.1 軌順超前支護距離試驗

根據323 工作面現場條件，工作面推至大煤柱區域時，可減少超前支護距離，為此通過觀測超前支護區域巷道圍巖變化量的定量現場試驗，優化單體支設距離。

試驗方法：在原軌順超前支護方式基礎上，通過分階段逐漸減少單體支設數量方式，每階段進行3～4d，觀測巷道頂底高度和兩幫寬度變化量。根據現場經驗，7 天內巷道頂底、兩幫移近量小于500mm時，對工作面正常回采影響較小。分階段進行優化（見圖5），323 軌順布置收斂觀測點，測量巷道高度和兩幫變化量，距工作面煤壁10m、15m、20m、25m、30m 分別布置1 組。工作面每推過一組點時，需補充布置1 組。

圖5 超前支護優化階段示意圖

3.2 試驗過程分析

3.2.1 階段一和階段二

1）階段一（2 月19 日-2 月22 日）：軌順超前支護，巷道中間排單體支護距離不變仍為30m，巷道工作面側單體支護距離減少10m，改為20m。

2）階段二（2 月22 日-2 月25 日）：軌順超前支護，巷道中間排單體支護距離減少10m，改為30m，巷道工作面側單體支護距離不變，仍為20m。

表1 2 月19 日-2 月25 日觀測數據變化量

由表1 可知，超前壓力影響區域巷道頂底板移近量最大點為2#點，變化了330mm，頂底板移近量最小點為5#點，變化了50mm，平均移近量152mm；巷道兩幫移近量最大為1#點，變化了430mm，巷道兩幫移近量最小為4#點，變化了30mm，平均移近量140mm。

通過分析得出，階段一、階段二超前區域巷道圍巖移近量較小，對工作面安全生產無影響。

3.2.2 階段三和階段四

1）階段三（2 月26 日-3 月1 日）：軌順超前支護，巷道中間排單體支護距離不變仍為20m，巷道工作面側單體支護距離減少10m，改為10m。

2）階段四（3 月1 日-3 月7 日）：軌順超前支護，巷道中間排單體支護距離不變仍為20m，巷道工作面側單體全撤掉。

表2 2 月26 日-3 月7 日頂底板觀測數據

由表2 可知，頂底板移近量最大為7#點，變化量為430mm，頂底板移近量最小為2#點，變化了30mm，平均移近量252mm；巷道兩幫移近量最大為6#點，變化了320mm，巷道兩幫移近量最小為2#點，變化了50mm，平均移近量192mm。

通過分析，階段三、階段四超前區域巷道圍巖移近量較小，對工作面安全生產影響較小。

3.3 試驗結果

通過四階段收斂觀測，超前支護距離減至20m，超前支護單體支柱使用數量減少了40 棵，滿足工作面安全回采需求。

4 結 論

1）通過力學計算，得到323 工作面超前支承壓力影響范圍為21m，峰值位于距離工作面12m 位置處。

2）經過323 軌道巷道圍巖收斂觀測分析，可知軌順巷道超前支承壓力影響區域小于20m。

3）依據超前支承壓力分析結論，優化了超前支護距離，減少單體支柱使用數量40 棵。

4）為工作面礦壓研究和超前支承壓力分析，提供了可靠的參考依據。