铺龙湾煤业综放工作面推进速度对超前支承压力的影响分析

孙守孝

（山西煤炭进出口集团山西太原030000）

0 引言

放顶煤开采是目前厚煤层开采的主要方法之一，顶煤的回收与工作面矿压显现规律有着重要的联系[1]。而其中工作面推进速度对减小工作面矿压显现程度、对液压支架的影响及围岩变形有着重要的影响，为保证放顶煤工作面的安全开采，需针对工作面推进速度和支承压力之间的关系进行研究[2,3]。

刘全明[4]采用3DEC对不同推进速度下的超前支承压力、顶板断裂位置等进行了研究；冯龙飞[5]针对坚硬顶板采用不同推进速度研究了顶班释放能量的变化规律，对胡家河煤矿开采强度进行了优化。现针对铺龙湾矿5102综放工作面推进速度对支承压力变化规律进行研究

1 工程概况

1.1 工作面概况

山西铺龙湾煤业有限公司位于山西省大同市左云县，5102工作面主采煤层为5#煤层，煤厚在6.5 m～8.7 m之间，煤层平均倾角为3°，煤层含三至五层夹石，夹石稳定厚度0.10 m～1.1 m，工作面顶底板岩性如表1所示。5102工作面位于井田西部，北部为DF4断层保安煤柱，西部为矿界，东为盘区大巷，南部为已采5106工作面。5102工作面上部为重叠布置4#煤4207工作面，层间距为56.4 m～78.8 m，下部为8#煤实煤区。5102综放工作面采用MG300/730WD双滚筒采煤机割煤，ZF9000/18/35液压支架支护，SGZ-764/400刮板运输机，放顶煤自然垮落法处理采空区，工作面采用DW42-250/110X单体液压支柱进行超前支护。

表1 5102工作面顶底板岩性表

工作面顶板属较为破碎的复合顶板，综放工作面回采过程中煤壁片帮、超前支护处顶板破碎，两帮炸帮，有台阶下沉现象，安全出口距离达不到要求等。另外5102工作面倾向长度由145 m变为180 m，工作面存在18条断层，其中5 m～7.4 m断层4条，这些因素严重影响5102矿压观测工作，可能造成剧烈的矿压显现，严重影响开采的安全性、产量和效益。因此需分析5102工作面推进速度对矿压显现情况的影响，进而保证工作面安全开采。

2 推进速度对支承压力现场实测研究

2.1 观测设备

采用YHY-60型单体柱压力测量仪配合矿用手持采集器对5102工作面进行超前支承压力的测量仪表测量，在上下顺槽不同位置，工作面不同推进速度下进行了数据采集存储、收集、分析。

2.2 压力表测量点的布置

在5102回风巷和运输巷距工作面煤壁100 m、200 m、300 m处各安装一台测力仪，编号A、B、C、D、E、F。布置如图1。A、D测点前100 m，工作面推进速度为5 m/d左右；B、E测点前100 m，工作面推进速度3 m/d左右；C、F测点前100 m，工作面推进速度为1 m/d左右。工作面推至A、D测点处时，用红外线手持采集器采集并存储相关数据后，将A、D测点测力仪卸下，并将测力仪清零。工作面推至其它测力点处，重复上面操作，三台测力仪数据收集完毕时，为一个测量周期。

图1 工作面测点布置图

2.3 工作面上下巷支承压力分布规律统计

通过对回采期间，5102工作面前方支承压力进行观测，整理分析所测数据绘制出工作面超前支承压力变化规律图。如图2、3所示。图中A、D曲线为工作面推进速度为5 m/d时压力表所测数据，B、E曲线为工作面推进速度3 m/d时压力表所测数据，C、F曲线为工作面推进速度为1 m/d时压力表所测数据。经统计整理分析可知，工作面上下巷超前支承压力的分布规律及变化特点如下：

图2 回风巷超前支承压力 线变化规律曲线

图3 运输巷超前支承压力 变化规律曲

（1）从整体趋势来看，超前支承压力在回采工作面前方的分布，大体分为3个阶段：在工作面前方80 m以外处应力不发生变化，未受到采动影响，工作面前方35 m～80 m区段内，应力变化较大，受采动影响较为强烈，工作面前方35 m范围内应力变化很大，受采动影响十分剧烈，随着工作面的不断推进。支承压力一直呈增大趋势，达到峰值以后又开始逐渐降低。

（2）从各个不同曲线图对比分析可知，工作面超前支承压力的峰值及峰值位置会随着工作面推进速度的改变而不同。在不同的推进速度下，各条曲线的压力峰值大小不同，出现的位置也不同，推进速度越大其峰值出现的位置就更加靠前。推进速度为5 m/d时，距工作面约10 m～12 m处达到峰值，推进速度为3 m/d时，距工作面约14 m～16 m处达到峰值，推进速度为1 m/d时，距工作面约20 m～22 m处达到峰值。

（3）当工作面推进速度相同时，工作面前方支承压力受工作面回采的影响从80 m左右处开始，并随着工作面地不断推进先是缓慢增强，靠近煤壁约15 m～20 m范围内又呈急剧下降趋势。当工作面推进速度不同时，工作面前方支承压力变化幅度越大，推进速度越快，在煤壁5 m～20 m范围内，压力曲线斜率越大，其超前支承压力变化幅度越大，峰值位置也越靠近煤壁位置。

（4）从支承压力分布情况来看，受工作面采动影响导致围岩集中应力的动态转移，高应力区集中分布在距煤壁5 m～20 m范围内。根据上述分析可知，工作面推进速度在3 m/d左右是比较合适的，工作面前方5 m～20 m范围为高应力集中区域，应加强支护。

3 推进速度对支承压力现场数值模拟研究

通过FlAC3D软件模拟5102工作面1 m/d、3 m/d、5 m/d、7 m/d的推进速度下围岩支承压力和塑性区的分布。不同推进速度下围岩支承压力云图如图4，工作面不同推进速度下围岩塑性区分布如图5。从图4可知，随着推进速度的变化，工作面前方支承压力分布范围也随之发生变化。当5102工作面推进速度为1 m/d时，工作面前方应力集中范围和程度较小，对石门围岩稳定影响较小，随着5102工作面推进速度的加快，工作面前方应力集中现象逐渐明显，当推进速度大于3 m/d时的应力集中程度已经十分明显，石门围岩右测变形较大，稳定性较差，当推进速度大于5 m/d以后应力集中程度已基本不再发生改变，对石门围岩稳定性影响也基本保持不变。分析图5可知，工作面回采导致了前方产生塑性破坏区。工作面推进速度小于3 m/d时，塑性区变化不是很明显。随着推进速度的增加，塑性区范围不断增大，当推进速度达到5 m/d时工作面煤壁前方的塑性区与石门周围塑性区已经开始接近贯通，推进速度达到7 m/d时工作面煤壁前方的塑性区与石门周围塑性区已经贯通，破坏最为明显，所以工作面推进速度3 m/d～5 m/d较为合理，这与现场实测分析结果基本相同。

图4 围岩支承压力云图

图5 围岩塑性区分布

4 结束语

针对铺龙湾煤业5102工作面推进速度对支承压力变化规律影响，采用现场实测、数值模拟研究了不同推进速度下的工作面矿压变化规律，得到了如下结论：

（1）现场实测可得：受工作面采动影响，在工作面前方会形成集中应力，工作面前方80 m以外采动影响不太明显；工作面前方35 m～80 m区段内，应力变化较大，受采动影响较为强烈；工作面前方35 m范围内应力变化剧烈，受采动影响十分严重。

（2）现场实测可得：随着工作面推进速度的不断增加，靠近工作面煤壁前方的塑性区范围不断增大。当推进速度大于5 m/d时石门右侧塑性区范围加大，右侧围岩松散垮落现象明显，支护工作难度加大，所以工作面推进速度为3 m/d～5 m/d较为合理。

（3）综合数值模拟结果工作面前方塑性区范围、应力分布情况等，确定合理的工作面推进速度为3 m/d～5 m/d。