近距离煤层下部综采工作面超前支护优化

侯拴贵

（山西西山煤电股份有限公司西曲矿，山西 太原 030200）

对于综采工作面而言，巷道超前支护段支护空间较大，易受回采动压影响，支护难度相应较大，做好工作面超前支护段支护管理是确保工作面安全高效回采的关键[1-2]。对于近距离煤层而言，根据综采工作面开采底板破坏机理可知，上部煤层开采会造成下部煤层顶板的完整性遭到破坏，下部工作面超前支承压力分布情况会出现新的变化，支承应力分布规律发生改变必将对超前支护的形式和质量提出新的要求[3-4]。西曲矿主采煤层为3#、4#、8#和9#煤层，其中北二采区所采9#煤层距离上部8#煤层间距平均不足8m，且上部8#煤层的开采造成了9#煤层顶板强度和完整性下降，为了提高9#煤层综采工作面超前支护质量，必须对超前支承压力分布规律进行研究。鉴于此，决定以29205综采工作面为例对超前支承压力分布进行研究，确定超前支护方案。

1 工作面概况

29205工作面位于矿井北二采区，南部为工作面采空区，北部和东部为实体煤，西部为采区集中巷道。该工作面所采煤层为9#煤层，上部8#煤层已经于10年前开采结束，两煤层间距平均为7.4m。8#煤层平均煤厚2.2m，中间夹矸均厚0.1m，煤层平均倾角为3.5°，平均埋深220m，可采系数为1，属于稳定可采中厚煤层工作面。29205工作面设计走向长度和倾斜长度分别为960m和140m，顶板为均厚7.4m的砂质泥岩-细粒砂岩-砂质泥岩，底板为均厚5.3m的砂质泥岩-细粒砂岩。工作面采用“一进一回”式通风，两巷沿煤层顶板掘进，巷道断面均为矩形，巷道净高和净宽分别为2.2m和3.6m，采用“锚网索钢带”进行支护。超前支护段采用单体柱配合11#矿工钢架设走向棚子进行加强支护，采场布置ZY3600-12/28型支架94台。

2 超前支护段破坏情况分析

工作面煤体采出后，围岩应力重新进行分布，分布一般规律见图1所示。应力分布产生的原因主要是，在工作面煤体回采后，前方一定范围煤壁一端承载着上覆岩层的大部分重量，该区域支承压力远大于工作面后方支承压力，同时，采空区岩体垮落后又承载了一部分上覆岩体重量，促使上覆岩体形成由前方煤体和后方垮落岩体作为承载支点的拱形，而采煤作业空间恰处于拱的下方，工作面支承压力呈现出了应力增高区、应力降低区和应力稳定区的分布特点，且应力分布随着工作面前移不断前移。工作面支承压力增高区的存在会一程度地造成区域范围工作面顶板完整性和强度下降，应力增高区影响范围与原岩应力大小、围岩特性、回采工艺等密切相关，确定支承压力增高区影响范围和支承压力强度是确定工作面超前支护段的重要依据。另外，工作面采动后，工作面超前支承压力会通过煤体和煤柱向底板传递，当传递至底板的支承压力超出底板应力极限时，底板出现塑形变形破坏，对下部煤层开采和巷道布置等造成直接影响。

分析29205工作面布置情况可知，上部为8#煤层工作面采空区，且与8#煤层平均间隔仅为7.4m，因此，29205工作面超前段巷道稳定性不仅与本工作面开采有关，同时也受到上部8#煤层开采的影响。为了掌握29205工作面上方顶板受8#煤层开采影响破坏情况，在29205工作面回采巷道向顶板布置窥视钻孔，结果显示8#煤层底板5～6.4m范围内底板岩层裂隙发育，推断8#煤层开采底板破坏深度为 5～6.4m。

图1 工作面前后支承压力分布情况

3 超前支承压力分布

为了掌握29205工作面超前支承压力分布情况，在回采巷道煤体侧埋设煤体应力计进行实测。在回风巷工作面前方100m处向外每隔10m布置一个钻孔，钻孔位于巷道煤体侧，钻孔深度10m，共计布置10个钻孔，每个钻孔内安设1台应力计，设定应力计每隔5s记录一次数值，应力计读数可通过应力计数值采集器进行采集。当工作面推至观测钻孔时开始采集数据，每班采集一次，将数据传输至计算机进行汇总分析，结果见图2所示。由图2可知，超前支承压力影响范围在工作面前方40～45m，其中支承压力峰值在工作面前方14～17m，所测支承压力峰值为19.1MPa。在矿井非采空区下9#煤层19102工作面回采巷道按照同样方案布置应力计观测钻孔，结果显示，超前支承压力影响范围为60～65m，支承压力峰值位于工作面前方10～15m，支承应力可达30MPa以上。由此可知，近距离下部煤层工作面支承压力和强度均有所降低。

图2 29205工作面回风巷超前支承压力分布

4 超前支护优化方案

29205工作面超前段原支护方案为：回风巷和机巷均采用11#矿工钢配合液压单体柱架设倾向棚子进行支护，棚子为“一梁三柱”，棚距为800mm，巷道超前支护长度为50m，要求单体柱压力不低于90kN。

鉴于29205工作面超前支承压力分布实际，超前支承压力影响范围和强度均低于非采空区下综采工作面，决定对超前支护进行优化。具体为：回风巷超前支护长度暂定为40m，风巷采用长度为4m的π型钢梁配合液压单体柱架设“一梁四柱”走向棚子。走向棚子共布置3排，中间一排沿巷道中线布置，另外2排分别距离巷帮400mm。三排钢梁要求交错迈步800m，若巷道存在高冒区时在钢梁上方架设木垛进行刹顶，确保钢梁接顶严实，单体柱要求穿戴柱鞋；进风巷超前支护长度为40m，考虑到巷帮变形及转载机的影响，机巷架设空间狭窄，采用1m铰接梁代替π型钢梁，铰接梁共3排，中间一排紧贴转载机下帮布置，另外两排距离巷帮300mm，铰接梁采用“一梁一柱”架设，存在高冒区时架设木垛进行刹顶，确保铰接梁平直接顶。鉴于8#煤层的开采造成29205工作面局部顶板完整性和强度下降，对于顶板较碎区域采用注射玛丽散进行加固，然后在该区域采用11#矿工钢配合单体柱架设倾向棚子或者架设窄木垛进行加强支护。

5 效果

29205工作面两巷超前段采用新支护方案后，未出现顶板明显下沉现象，整体支护质量较好，能够满足现场支护需求。采用新支护方案后，降低了超前段支护长度，大量地减少了11#矿工钢的使用量，减少了棚子的数量，降低了架棚、拆棚的职工劳动强度，在确保满足现场支护要求的基础上提高了劳动效率，有利于工作面的高产高效。