近距離煤層工作面超前支護優化研究

趙 耀，時建成

（山西晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

在綜采工作面中，要實現工作面安全高效回采的關鍵是做好工作面超前支護段的支護管理，超前支護段的空間大，容易受到回采時的動壓影響，使支護難度增大[1-2]。特別是在近距離煤層開采過程中，上部煤層的開采會對下部煤層產生影響，造成其頂板的完整性下降，導致下部工作面的超前支承壓力重新分布，支承壓力的改變勢必會對超前支護的形式產生影響，造成原有的支護方案無法適應現有的圍巖應力變化過程，最終導致超前支護段的圍巖變形破壞嚴重，支護體產生傾斜或傾倒現象[3-5]。磁窯溝煤礦現主采的11號煤層11103工作面上覆是已經回采完畢的10號煤層10203工作面，在開采過程中導致下部11103工作面出現頂板下沉、底鼓等危險現象。鑒于此，為了保證11103工作面超前支護質量以及工作面的正常安全回采，研究下部工作面頂板完整性以及超前支承壓力的分布情況，對超前支護進行優化。

1 概 況

磁窯溝煤礦11號煤層11103工作面位于礦井西北部，煤層埋深100～205 m。工作面長1 202 m，寬179 m，煤層平均傾角3°～5°，11號煤層西部煤層東薄西厚、南薄北厚，11103回采工作面煤層平均厚度為4.30 m，其煤層內有0.35 m夾矸，上部平均煤厚約為1.65 m、下部平均煤厚約為2.30 m。采用走向長壁式一次采全高綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板。巷道頂底板情況見表1。

表1 巷道頂底板情況分布Table 1 Distribution of roadway roof and floor

由于11號煤層11103工作面上方是已經回采完的10號煤層10203工作面采空區，且兩層煤相距5.47 m，層間距較近，上層煤開采導致下層煤頂板的強度和完整性下降，造成下部工作面開采時超前支護段圍巖變形嚴重，工作面超前支護難度較大，特別是礦井原有的超前支護是采用單體支柱配合工字鋼進行支護，支護強度不足，容易造成支柱傾斜、底板鼓起、巷道斷面收縮等現象，而且原有的支護方式使工人的勞動強度高，支柱、回柱時的危險性也較大。因此，通過現場實測，對11103工作面超前支承壓力的分布情況進行研究，并基于研究結果對超前支護進行優化。

2 超前支護段分析

2.1 應力分布

煤礦井下工作面開采后勢必會破壞周圍的圍巖應力，導致其重新分布[6]，具體的分布規律如圖1所示。工作面回采后，上覆巖層的分布會出現橫三區，即：煤壁支撐區、離層區、重新壓實區，其中煤壁支撐區就是工作面前方一定范圍內的煤壁，以及由其支撐的上覆巖體所組成的區域，煤壁支撐區的煤壁支撐了上覆巖體的大部分重量，使工作面前方支承壓力大于后方支承壓力[7]。同時，垮落到采空區的巖體又會承載上覆巖體的一部分重量，最終被逐漸壓實，形成重新壓實區，導致上覆巖體形成以煤壁支撐區和重新壓實區為支撐點的拱形，離層區剛好位于拱頂部位，其下方是采煤工作面，因此，工作面的支承壓力出現了應力增高區、應力降低區和應力穩定區的分布特點，且隨著工作面的不斷推進應力分布也在不斷前移[8]。位于工作面應力增高區范圍內頂板的完整性和強度會因為應力的增高而有所下降，這也是導致工作面超前支護段易破壞的原因[9]。

圖1 工作面前后支承壓力分布情況Fig.1 Bearing pressure distribution before and after work

2.2 超前支承壓力分布

在11103工作面回風巷道進行現場實測周圍的應力大小，以此來確定超前支承壓力的分布情況，具體的方案如下。

在工作面回風巷道靠近煤體一側打鉆孔，每個鉆孔的深度為10 m，起始鉆孔距離工作面煤壁100 m，每個鉆孔相距5 m，總共布置20個鉆孔，鉆孔施工完畢后給每個鉆孔內安裝一臺應力計，并將每臺應力計記錄一次數值的時間間隔設置為5 s，開始采集數據的時間為工作面推進至觀測孔時，每班采集一次，通過應力計數值采集器對應力計讀數進行采集。將采集到的數據匯總后進行分析，結果如圖2所示。

圖2 1 1 1 03工作面超前支承壓力分布Fig.2 Distribution of advance bearing pressure in No.11103 Face

可以看出，11103工作面超前支承壓力的峰值為18.3 MPa，出現的區域為工作面前方15～23 m。其影響范圍在工作面前方50 m以內，50 m外的區域影響不大。按照同樣的方法，在礦井非采空區下的工作面回采巷道中布置應力計，觀測支承壓力的變化情況，分析結果表明：在非采空區下的工作面回采巷道超前支承壓力的峰值在9 MPa以內，出現在工作面前方10～16 m處，整個影響范圍在工作面前方30 m內。通過實測發現11103工作面超前支承壓力的大小以及范圍相對于非采空區下的工作面超前支承壓力均有所增大。

由于上部工作面的開采破壞了下部11103工作面頂板完整性，同時導致下部工作面超前支承壓力增大，致使11103工作面開采時超前支護段圍巖變形破壞嚴重：煤壁片幫嚴重、頂板下沉量增大、支護體支柱傾斜等，導致工作面無法繼續向前推進。因此，需要對11103工作面超前支護段支護方式進行優化，并確定新的支護方案。

3 超前支護優化方案

磁窯溝煤礦11號煤層11103工作面原有的超前支護方案為單體液壓支柱配合礦用工字鋼進行支護，超前支護支柱采用DW45-250/110x型號礦用單體液壓支柱，單體工作阻力不得小于15 MPa，柱距1.2 m，支柱間距誤差不大于100 mm，且單體距負幫安全通道距離不小于0.8 m，支護長度從工作面煤壁算起不小于20 m。

采用單體對綜采工作面超前支護段支護，每班需要安排3人作業，不僅勞動強度大、人工效率低，而且支護穩定性相比液壓支架效果略差一些。工作面每班按照6.4 m推進，機頭機尾總共需要支護單體數量為40個，數量較大，搬運也較困難。

為了降低人工勞動強度，增加工作面超前支護的可靠性，對工作面超前支護方案進行優化。工作面回風巷超前支護由單體改為超前支架ZY8000/24/50D，共3組，每組1架，拉移千斤頂由里向外編號為H1、H2、H3，支撐高度為2.4～5 m（巷高3.7 m），工作面循環步距800 mm，支架寬度為1.75 m，長度為7.3 m，H1號架與煤壁平齊，3組支架的支護距離大于20 m。操作流程為H1號架外移800 mm，升緊支架；H2號架外移800 mm，升緊支架；H3號架外移800 mm，升緊支架為一次循環。根據巷道頂板情況在頂梁上背設道木，調整好支架狀態，保證接頂嚴實，支架初撐力不小于22 MPa。當H3號液壓支架推移過程出現跑偏現象，可以利用1.2 m單體對幫部進行輔助支撐，保證推進平直、成排成線。如現場出現片幫嚴重、頂板下沉等異常情況時，可根據現場實際情況，在兩側加設單體和錨桿進行補強支護。

11103工作面在采用超前支架進行超前支護后，超前支護段的空間得到了大幅提升，方便了工作面的運輸，提高了礦井生產過程中的安全性，且未出現明顯的頂板下沉和底鼓片幫現象，基本上達到了現場的支護需求。使用超前支架支護后大幅提升了支護效率，減少了單體支柱、礦用工字鋼等傳統支護體的使用量，降低了材料的消耗，提高了勞動效率，通過前后架交替自移實現了機械化、自動化超前支護，有助于實現工作面的高產高效。

4 結 論

（1）通過現場實測，掌握了11103工作面超前支承壓力的分布情況，經過分析得出其超前支承壓力影響范圍和強度均高于近距離煤層非采空區下工作面的超前支承壓力影響范圍和強度，導致超前支護段圍巖變形嚴重，支護體傾斜，工作面無法繼續向前推進。

（2）對礦井原有的超前支護方案進行優化，即將礦井原有的單體液壓支柱、工字鋼等超前支護體用超前液壓支架替換，減少了單體支柱、工字鋼的消耗，且使用超前支架后，通過支架的交替自移實現了機械化、自動化超前支護，提高了礦井生產過程中的安全性，并且在降低工人勞動量的同時提升了工作效率，有助于實現高產高效。

（3）采用超前液壓支架進行超前支護后，巷道的整體支護效果良好，未出現明顯的頂板下沉、底鼓等現象，基本達到了現場支護需求，研究結果為相似礦井的超前支護提供了可借鑒的經驗。