不同長(zhǎng)度工作面的支承壓力規(guī)律與超前支護(hù)研究

張寧

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)有限公司 辛置礦，山西 霍州 031400）

0 引言

隨著井工煤礦開采深度的增加，地下煤礦開采地質(zhì)環(huán)境日益復(fù)雜，常遇到斷層、陷落柱等影響布置規(guī)則矩形長(zhǎng)壁工作面的特殊地況[1-3]。這種情況常需要因地制宜的布置不規(guī)則的工作面，在保障煤層采出率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效安全開采。常見的不規(guī)則工作面在開采時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同長(zhǎng)度的現(xiàn)象，在礦山壓力顯現(xiàn)程度上是不同的[4-5]，工作面前方的超前支承壓力段存在明顯差異，對(duì)兩側(cè)巷道的超前支護(hù)距離產(chǎn)生影響。對(duì)于工作面超前支護(hù)距離的精確監(jiān)測(cè)，許濤[6]提出可以通過整條測(cè)線應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果確定；李志強(qiáng)等[7]則根據(jù)監(jiān)測(cè)分析了開采厚度對(duì)超前支護(hù)距離有著正比關(guān)系；在超前段巷道支護(hù)技術(shù)上，趙素杰[8]提出建立端頭及超前支護(hù)液壓支架組進(jìn)行控頂并保障安全通暢；師云龍[9]重點(diǎn)分析了超前支護(hù)段液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)選擇；馬登林[10]則認(rèn)為超前支護(hù)應(yīng)以注漿錨索代替支柱、支架，并成功應(yīng)用。

以上學(xué)者針對(duì)工作面超前礦壓規(guī)律和巷道超前段支護(hù)方法進(jìn)行了廣泛的研究，但對(duì)于同一區(qū)段不同工作面長(zhǎng)度的影響規(guī)律研究較少。本文通過現(xiàn)場(chǎng)勘查及FLAC3D 數(shù)值分析方法，對(duì)不同長(zhǎng)度工作面的超前礦壓規(guī)律和超前支護(hù)距離進(jìn)行研究，并得到巷道在工作面前方的加強(qiáng)支護(hù)距離和方案，為相似工程提供典型案例參考。

1 概 況

李雅莊煤礦隸屬于霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，核定生產(chǎn)能力為240 萬t/a，礦區(qū)地表為黃土丘陵剝蝕地貌，存在很多黃土塬、梁。

李雅莊煤礦2-615 工作面位于六采區(qū)中部右翼，該工作面的左側(cè)為2-607 回采工作面。由于右側(cè)及前方存在大斷層，設(shè)計(jì)工作面由兩個(gè)不同斜長(zhǎng)的矩形組成，整體形狀不規(guī)則，如圖1 所示。

圖1 615 工作面平面示意Fig.1 The plan of No.615 Fac

2-615 工作面待采煤層由斜長(zhǎng)為110 m 的塊段一和斜長(zhǎng)為210 m 的塊段二組成。工作面在兩個(gè)階段的推進(jìn)距離分別約為530 m 和358 m，總推進(jìn)距離為888 m。

2-615 工作面煤層屬于二疊系山西組2 號(hào)煤，為1、2 號(hào)煤層合并區(qū)域，節(jié)理較發(fā)育，平均煤層厚度為3.5 m，預(yù)計(jì)夾矸厚度最薄為0.1 m，最厚為0.2 m，復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。煤層一般含1 層夾矸，以泥巖、炭質(zhì)泥巖為主。煤巖類型為半亮型、光亮型。工作面煤層的頂板多為細(xì)砂巖，水平層理，富含煤紋，含少量白云母片，底板含灰黑色粉砂巖條帶，單向抗壓強(qiáng)度366 kg/cm2，抗拉強(qiáng)度31～33 kg/cm2。

615 工作面頂?shù)装鍘r層厚度及特征見表1。

表1 615 工作面頂?shù)装鍘r層措施Table.1 Roof and floor strata of 615 working face

2 工作面不同塊段開采的數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)615 工作面設(shè)計(jì)規(guī)程，建立不同塊段的工作面回采數(shù)值模型，其對(duì)應(yīng)情況如圖2 所示。

圖2 不同工作面長(zhǎng)度的有限元模型Fig.2 The finite element model with different working face length

模型一：長(zhǎng)×寬×高為150 m×146 m×32.78 m；

模型二：長(zhǎng)×寬×高為150 m×246 m×32.78 m。

模型四周方向固定，底部邊界固定。在模型的上邊界施加均布載荷。

式中：γ 為容重，kg/m3；H為埋深，m。

計(jì)算可得上邊界應(yīng)施加14.4 MPa 壓應(yīng)力，同時(shí)，側(cè)壓系數(shù)取1.2，重力加速度取10 m/s2。

在采空區(qū)表面建立Interface 接觸面，以實(shí)現(xiàn)在煤層開挖后，采空區(qū)底板承接其垮落的頂板。在兩處模型中，采取標(biāo)準(zhǔn)的控制變量法，兩模型僅在工作面長(zhǎng)度上存在差異，而在推進(jìn)距離、采高、巷道位置、計(jì)算模擬參數(shù)上均保持相同。

2.2 工作面超前支承壓力分析

在兩模型運(yùn)行平衡后，采空區(qū)頂板會(huì)充分垮落，工作面及前方巷道的應(yīng)力重新分布。此時(shí)，工作面前方煤體和兩側(cè)巷道圍巖內(nèi)支承壓力出現(xiàn)強(qiáng)應(yīng)力集中的情況。選取垂直應(yīng)力指標(biāo)，可以得到采場(chǎng)和巷道兩側(cè)的支承壓力分布狀況，如圖3 所示。

圖3 采場(chǎng)和巷道圍巖支承壓力分布Fig.3 Abutment pressure distribution of face and roadway surrounding rock

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面前方的超前支承壓力高峰區(qū)和巷道兩側(cè)的支承壓力高峰區(qū)的模擬結(jié)果，對(duì)超前支護(hù)段的距離進(jìn)行分析。

由圖3 可知，長(zhǎng)度110 m 和210 m 的工作面前方均有超前支承壓力高峰帶產(chǎn)生，且其區(qū)域均展現(xiàn)出“中間小，兩邊大”的特征，反映了工作面端頭和其超前段巷道支護(hù)的必要性。

兩模型運(yùn)行結(jié)果的不同點(diǎn)：210 m 工作面的超前支承壓力高峰帶寬度較大，且最大應(yīng)力增高系數(shù)達(dá)到了2.68；而110 m 工作面的超前支承壓力在寬度和增高系數(shù)上均相對(duì)較小。

為了準(zhǔn)確測(cè)量超前段巷道在實(shí)體煤側(cè)的應(yīng)力變化程度及范圍，對(duì)巷道實(shí)體煤幫處布置測(cè)線，測(cè)量距離為50 m，測(cè)量結(jié)果如圖4 所示。

圖4 工作面超前支承壓力曲線Fig.4 Advance abutment pressure curve of working face

由圖4 可知，巷道實(shí)體煤幫的工作面超前支承壓力在推進(jìn)方向上均呈現(xiàn)“先快速增大，后降至平緩”的規(guī)律。110 m 長(zhǎng)度的工作面在超前段應(yīng)力的峰值為35.1 MPa，位于超前段8 m 的位置。而210 m 長(zhǎng)度的工作面在超前段應(yīng)力的峰值為36.5 MPa，位于超前段6.3 m 的位置。由此可得，隨著工作面長(zhǎng)度的增加，超前支承壓力的峰值點(diǎn)前移，峰值強(qiáng)度增加，且超前支承壓力影響范圍增加。

2.3 工作面超前段巷道剪應(yīng)力分析

剪應(yīng)力分析較好的反映主應(yīng)力差的大小，以表征圍巖易發(fā)生剪切破壞的區(qū)域，超前段巷道的圍巖剪應(yīng)力分布如圖5 所示。

圖5 超前段巷道圍巖剪應(yīng)力分布Fig.5 Shear stress distribution of roadway surrounding rock in advance section

210 m 工作剪應(yīng)力高峰區(qū)在程度和峰值上均大于110 m 工作面的情況。同時(shí)，從影響范圍上，110 m 工作面剪應(yīng)力集中距離為18.4 m，210 m 工作面剪應(yīng)力集中距離為22.5 m，兩距離值雖有差異，但從云圖上看，關(guān)鍵控制區(qū)域均在煤壁前方15 m 之內(nèi)。

2.4 巷道超前支護(hù)距離分析

根據(jù)110 m 和210 m 工作面數(shù)值模型的模擬結(jié)果，結(jié)合前方實(shí)體煤超前支承壓力和剪應(yīng)力分析，110 m 工作面兩側(cè)巷道超前段支護(hù)距離應(yīng)為20 m，210 m 工作面兩側(cè)巷道超前段支護(hù)距離應(yīng)控制在25 m，兩種長(zhǎng)度的工作面均應(yīng)重視前15 m 內(nèi)的支護(hù)。

3 巷道超前支護(hù)方案

3.1 運(yùn)輸巷的超前支護(hù)

運(yùn)輸巷的超前支護(hù)采用單體液壓支柱配合4.2 m 金屬π 梁、鐵鞋，一梁兩柱、兩行支護(hù)，高度不低于2.8 m，柱距為0.9 m，行人側(cè)支設(shè)后保證行人通道寬度不低于0.8 m，第一排π 梁距離端頭支架前梁最小距離不超過460 mm，最大距離不超過1 260 mm（采煤機(jī)割正巷端頭時(shí)需提前回撤一排π 梁，此時(shí)端頭支架距離正巷超前支護(hù)第一架π梁的距離最大），所有支柱必須掛專用防倒鏈。

615 運(yùn)輸巷的超前支護(hù)方案如圖6 所示。

圖6 運(yùn)輸巷的超前支護(hù)方案Fig.6 Advance support scheme of transportation roadway

3.2 回風(fēng)巷的超前支護(hù)

3.2.1 單體柱支護(hù)

單體柱支護(hù)如圖7 所示。采用單體液壓支柱配合3.6 m 金屬π 梁、鐵鞋，一梁兩柱、兩行支護(hù)，高度不低于2.8 m，柱距為0.9 m，支設(shè)后保證行人通道寬度不低于0.8 m，第一排單體柱距離端頭支架前梁最小距離不超過460 mm，最大距離不超過1 260 mm，所有支柱必須掛專用防倒鏈。

圖7 單體柱的支護(hù)方案Fig.7 The supporting scheme of single column

3.2.2 超前支架支護(hù)

超前支架支護(hù)如圖8 所示。采用ZZ10000/21/42型超前支架3 架進(jìn)行支護(hù)。

圖8 超前支架的支護(hù)方案Fig.8 Supporting scheme of advanced support

當(dāng)超前支架側(cè)護(hù)板距抽放管路距離≤1.2 m 時(shí)，超前行人通道不支設(shè)單體液壓支柱；當(dāng)支架側(cè)護(hù)板距抽放管路距離＞1.2 m 時(shí)，在距抽放管路0.1 m處支設(shè)一排單體液壓支柱對(duì)超前段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，支柱間距為0.8 m。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)實(shí)踐，對(duì)長(zhǎng)度為110 m 和210 m 的工作面進(jìn)行超前20 m 和25 m 的加強(qiáng)支護(hù)，并隨著工作面回采跟進(jìn)支護(hù)，期間頂板控制良好，無劇烈底鼓、幫鼓等動(dòng)壓現(xiàn)象發(fā)生，保障了工作面端頭區(qū)順槽的圍巖穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬對(duì)比得出110 m 長(zhǎng)度和210 m 長(zhǎng)度工作面的超前支承壓力均展現(xiàn)出“中間小，兩邊大”的分布特征，工作面長(zhǎng)度增長(zhǎng)，超前應(yīng)力集中區(qū)寬度增大且最大應(yīng)力系數(shù)增高。

（2）110 m 和210 長(zhǎng)度工作面兩側(cè)巷道超前段支護(hù)距離應(yīng)為20 m 和25 m，且均在前15 m 內(nèi)的存在應(yīng)力高峰區(qū)。

（3）運(yùn)輸巷的超前支護(hù)采用單體液壓支柱配合金屬π 梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，而回風(fēng)巷的超前支護(hù)根據(jù)頂板情況直接采取超前支架進(jìn)行支護(hù)，兩種工作面回采期間均實(shí)現(xiàn)了超前段圍巖的穩(wěn)定。