康國(guó)峰，劉建偉，徐昕

（同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司，山西大同，037003）

0 引言

煤層開(kāi)采破壞原巖應(yīng)力，使其重新分布，在工作面前方形成超前支承壓力[1]，尤其是大采高綜放開(kāi)采時(shí)，臨空順槽這種超前影響更為劇烈[2]。同忻礦8309綜放工作面開(kāi)采至100 m 時(shí)，礦方計(jì)劃在5309 回風(fēng)順槽將傳統(tǒng)超前50 m范圍尾巷“單體柱+花梁”超前支護(hù)形式[3]改為使用新型單跨無(wú)反復(fù)支撐門(mén)式支架進(jìn)行超前支護(hù)[4]，見(jiàn)圖1、圖2。

單體柱的支護(hù)強(qiáng)度較低，在超前支承壓力作用下，超前段頂板易發(fā)生下沉破壞；反復(fù)支柱和撤柱的過(guò)程易導(dǎo)致頂板破碎，發(fā)生尾巷安全出口不暢通，甚至局部冒頂?shù)仁鹿?；支回柱過(guò)程存在眾多不安全因素，且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗時(shí)多。改用新型門(mén)式支架支設(shè)后，支護(hù)面積加大，只需一名司機(jī)操作WC3Y（B）型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車(chē)便可完成運(yùn)輸和支設(shè)，安全系數(shù)加大，勞動(dòng)效率增加。但由于該門(mén)式支架首次在同煤集團(tuán)同忻礦試用，為保障安全生產(chǎn)，需對(duì)8309 面超前支承受壓進(jìn)行系統(tǒng)研究，為超前支護(hù)范圍和使用門(mén)式支架的數(shù)量確定提供理論依據(jù)，以便更好指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖1 傳統(tǒng)尾巷單體支護(hù)

圖2 新型門(mén)式支架

1 工程背景

同忻礦8309工作面可采走向長(zhǎng)度2 770.5 m，平均煤厚14.88 m，工作面長(zhǎng)200 m，為單斜構(gòu)造，近水平煤層。采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開(kāi)采方法，機(jī)采高度3.9 m，放煤10.98 m，采放比為1：2.81。8309面5309巷與8307面采空區(qū)相鄰，面間留有38 m寬煤柱護(hù)巷，位置關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 8309面5309巷與8307面采空區(qū)位置關(guān)系圖

8309 面開(kāi)采至采位100 m 時(shí)，同忻礦計(jì)劃在5309巷改用門(mén)式支架進(jìn)行超前支護(hù)。5309巷原來(lái)采用“三梁三柱”的“單體柱+花梁”形式支護(hù)，在超前50 m范圍布置三排單體柱，共計(jì)126 根。現(xiàn)計(jì)劃改用新型門(mén)式支架進(jìn)行尾巷超前支護(hù)，該門(mén)式支架是首次在同忻礦試用，使用數(shù)量和支護(hù)范圍確定需要科學(xué)的理論依據(jù)。

門(mén)式支架的型號(hào)為L(zhǎng)C2×1410/26.5/41.5Z，由一根橫梁、兩根立柱、鏈條及其它配件等組成。立柱規(guī)格為φ 200/φ 160，行程為1 500 mm，采用外進(jìn)液方式，工作阻力為1 410 kN。橫梁長(zhǎng)度4 400 mm，寬度400 mm，高度400 mm。使用WC3Y（B）型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸、支設(shè)。為準(zhǔn)確確定門(mén)式支架在5309巷的超前支護(hù)范圍和使用數(shù)量，需要對(duì)5309臨空巷的超前支承壓力規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2 試驗(yàn)方案

由經(jīng)典礦壓理論知，回采工作面巷道受工作面超前支承壓力和臨空順槽側(cè)向壓力疊加作用影響，往往礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，會(huì)出現(xiàn)巷道變形嚴(yán)重、底鼓、片幫等現(xiàn)象。為準(zhǔn)確掌握5309巷超前支承壓力變化情況，在8309工作面5309巷布置9個(gè)測(cè)試鉆孔，規(guī)格為R=φ 42 mm，L=10 m、15 m、20 m，每個(gè)長(zhǎng)度的鉆孔各布置3個(gè)進(jìn)行研究。鉆孔布置方式見(jiàn)圖4。

圖4 應(yīng)力測(cè)試鉆孔布置圖

3 工作面前方煤體應(yīng)力變化特征分區(qū)

通過(guò)收集10月27日～12月18日工作面回采期間現(xiàn)場(chǎng)鉆孔應(yīng)力數(shù)據(jù)，繪制如圖5～10 所示的各鉆孔隨工作面推進(jìn)應(yīng)力變化趨勢(shì)圖。

圖5 2#應(yīng)力計(jì)數(shù)值變化趨勢(shì)圖

由圖5可以得出以下結(jié)論：

（1）工作面前方應(yīng)力數(shù)值變化趨勢(shì)是先增大，增大到一定數(shù)值后開(kāi)始減小，最后趨于穩(wěn)定。

（2）工作面前方約20 m 范圍屬于應(yīng)力增高區(qū)，最大應(yīng)力值為6 MPa；

（3）在工作面前方20 m 到50 m 的范圍，隨著距工作面距離的增加，應(yīng)力逐漸降低，在工作面前方約50 m處，降低至接近原巖應(yīng)力值4 MPa；

（4）超前支承壓力在工作面前方以50 m 為界，以?xún)?nèi)為穩(wěn)定區(qū)，以外為基本不受影響區(qū)。

圖6 3#應(yīng)力計(jì)數(shù)值變化趨勢(shì)

圖6中，3#應(yīng)力計(jì)的讀數(shù)出現(xiàn)0 MPa的原因是由于開(kāi)關(guān)閥沒(méi)有關(guān)緊及壓力口漏油造成的，在工作面推進(jìn)至169.5 m時(shí)，重新注油，讀數(shù)上升至4.62 MPa，注油結(jié)束后，應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)又逐漸上升，在距離工作面22.5 m時(shí)，上升至最高，讀數(shù)為6.4 MPa，之后又開(kāi)始下降。

圖7 5#應(yīng)力計(jì)數(shù)值變化趨勢(shì)圖

圖8 7#應(yīng)力計(jì)數(shù)值變化趨勢(shì)圖

由圖7 可以看出，工作面前方應(yīng)力變化趨勢(shì)也是先升后降，以73.2 m 為界，以外的應(yīng)力基本呈穩(wěn)定狀態(tài)，幾乎接近原巖應(yīng)力狀態(tài)。不受工作面采動(dòng)的影響，應(yīng)力約為4.5 MPa；在作面前方20 m～30 m 的范圍，應(yīng)力急劇升高至最大值6.5 MPa。此后，應(yīng)力開(kāi)始減小。

由圖8可以知：隨著工作面向前推進(jìn)，應(yīng)力也是呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，在距工作面100 m 以外時(shí)應(yīng)力呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，可認(rèn)為此時(shí)煤巖體為原巖應(yīng)力狀態(tài)，基本不受工作面采動(dòng)影響，應(yīng)力值約為5 MPa；在工作面前方10 m～20 m 的范圍，應(yīng)力呈現(xiàn)先緩慢升高后迅速升高的趨勢(shì)，最終升高至最大8.7 MPa。此后，隨著距工作面距離的增加，應(yīng)力開(kāi)始減小，最終減至2 MPa。

圖9 9#應(yīng)力計(jì)數(shù)值變化趨勢(shì)

由圖9知，隨著工作面的向前推進(jìn)，應(yīng)力依然是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在工作面前方80 m外也是接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，幾乎不受工作面采動(dòng)影響，應(yīng)力值約為4.2 MPa；從工作面前方80 m～30 m，應(yīng)力呈現(xiàn)迅速升高的趨勢(shì)，最終升高至8.9 MPa，此后隨著距工作面距離的減小，應(yīng)力開(kāi)始減小，最終減小至2.5 MPa。

綜合對(duì)圖5～圖9 分析可知：工作面前方煤體應(yīng)力隨工作面推進(jìn)整體上都有先升后降的變化趨勢(shì)，究其原因是因?yàn)楫?dāng)煤巖體開(kāi)采后，其原巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生破壞并且工作面前方煤巖體的應(yīng)力會(huì)上升，產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，而工作面附近的煤壁應(yīng)力會(huì)降低，使煤巖體狀態(tài)產(chǎn)生破壞。

圖10 工作面支承壓力演化過(guò)程

表1 鉆孔應(yīng)力計(jì)超前支承壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出圖10 所示的工作面超前支承壓力演化過(guò)程和如下規(guī)律：

（1）綜放工作面臨空巷道前方支承壓力隨著與工作面距離的增加呈現(xiàn)先增大后減小最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。

（2）約在工作面前方20 m 的范圍內(nèi)，應(yīng)力處于上升趨勢(shì)，且在20 m左右達(dá)到峰值，之后開(kāi)始下降。

（3）在距工作面20 m～80 m 的范圍，應(yīng)力呈下降趨勢(shì)。在80 m 外，煤巖體的應(yīng)力趨于穩(wěn)定，基本處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。

綜合來(lái)看，本次測(cè)試的應(yīng)力結(jié)果有些偏低，究其原因主要是由于測(cè)試區(qū)域圍巖比較破碎，加上領(lǐng)空側(cè)為采空區(qū)，使壓力得到較大釋放導(dǎo)致的，但是整體趨勢(shì)基本相同。為保證安全生產(chǎn)，將門(mén)式支架的超前支護(hù)范圍確定為80 m?？紤]到門(mén)式支架橫梁寬度為0.4 m，間距取1.5 m。故5309巷共需42個(gè)門(mén)式支架便可實(shí)現(xiàn)對(duì)尾巷超前80 m 的支護(hù)。考慮到工作面超前20 m 往往是峰值區(qū)，可以在工作面超前20 m的區(qū)域輔助“單體+花梁”支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

4 效果對(duì)比

圖11 兩種超前支護(hù)頂板下沉量數(shù)值對(duì)比

選取門(mén)式支架超前工作面80 m 支護(hù)和原來(lái)“單體+花梁”超前支護(hù)50 m時(shí)的頂板下沉量進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)原來(lái)的頂板下沉量最大值為60 cm，經(jīng)過(guò)對(duì)同忻礦綜放工作面臨空巷道超前支承壓力分布規(guī)律研究后，在此基礎(chǔ)上確定出使用門(mén)式支架超前支護(hù)80 m后，頂板下沉量最大值僅為30 cm。效果良好，見(jiàn)圖11。

5 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果在工作面前方0 m～20 m 范圍內(nèi)煤巖體應(yīng)力迅速升高；在20 m～80 m 范圍內(nèi)煤巖體應(yīng)力迅速降低；在80 m 以外的范圍煤巖體應(yīng)力趨于穩(wěn)定狀態(tài)，基本不受采動(dòng)影響。通過(guò)研究確定出超前門(mén)式支架的使用數(shù)量為42個(gè)，且在本次研究基礎(chǔ)上決定將超前支護(hù)范圍擴(kuò)大到80 m 后，支護(hù)效果良好，頂板最大下沉量由原來(lái)的60 cm 下降到30 cm，該研究方法有效，可以推廣應(yīng)用。