綜采工作面回撤通道圍巖控制技術(shù)研究

徐學(xué)標(biāo)

(潞安集團(tuán) 蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200)

1 工程概況

某礦所采煤層為山西組3號(hào)煤，煤層平均厚度為6.2 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定。30405工作面傾向長(zhǎng)度為210 m，走向長(zhǎng)度為1 140 m，目前工作面已經(jīng)回采1 010 m，進(jìn)入末采階段，即將收尾。因此，必須掌握末采階段工作面回撤巷道圍巖變形規(guī)律，以采取合適的支護(hù)措施對(duì)回撤通道圍巖進(jìn)行控制，保證工作面末采階段的安全回采及工作面設(shè)備的快速回撤。由于30403工作面和30405工作面相鄰，地質(zhì)情況相同，下面依據(jù)30403工作面回撤通道變形特點(diǎn)，對(duì)30405工作面回撤通道圍巖進(jìn)行控制。

2 回撤通道圍巖變形破壞規(guī)律分析

在30403工作面回采期間，當(dāng)工作面推進(jìn)到與回撤通道相距105 m時(shí)，對(duì)回撤通道圍巖表面的變形進(jìn)行了觀測(cè)，直至回撤通道與30403工作面貫通。采用收斂計(jì)監(jiān)測(cè)巷道頂板和兩幫的位移量，回撤通道內(nèi)共布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的間距為50 m。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意

整個(gè)觀測(cè)期間，隨著工作面的推進(jìn)回撤通道圍巖變形情況見(jiàn)圖2。由圖2可知，頂板和兩幫的位移量趨同，可分為以下三個(gè)階段：①工作面與回撤通道相距105～38 m時(shí)，頂板下沉量為4.67～7.48 mm，兩幫移近量為8.57～10.25 mm，圍巖呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，工作面回采動(dòng)壓對(duì)回撤通道產(chǎn)生的影響較?。虎诠ぷ髅媾c回撤通道相距38～8 m時(shí)，頂板下沉速率為6 mm/d，兩幫移近率為5 mm/d，回采動(dòng)壓對(duì)回撤通道產(chǎn)生較大影響，頂板和兩幫位移量較大，但圍巖變形處于可接受范圍內(nèi)，回撤通道能夠正常使用；③工作面與回撤通道相距8～0 m時(shí)，頂板下沉量為324.18～779.48 mm，最大下沉率為350 mm/d，兩幫移近量為61.5～223.5 mm，最大移近率為110 mm/d，受到采動(dòng)劇烈影響，巷道圍巖變形明顯，巷道斷面嚴(yán)重收縮，回撤通道無(wú)法保證正常使用。通過(guò)分析可以得出：30405工作面與回撤通道相距0～8 m時(shí)，在回撤通道內(nèi)將會(huì)發(fā)生劇烈變形，因此，在設(shè)計(jì)支護(hù)方案時(shí)，應(yīng)將該因素考慮其中。

同時(shí)，由圖2還可以看出，伴隨著回采工作的進(jìn)行，相比于1、5測(cè)點(diǎn)，2、3、4測(cè)點(diǎn)的頂板下沉量和兩幫移近量相對(duì)較大，由此可知：回撤通道中部圍巖位移量較兩端大。在回撤通道與工作面貫通后，兩端圍巖變形如圖3(a)所示，頂板整體性良好，煤幫側(cè)出現(xiàn)了輕微的變形，回采側(cè)呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)下沉，回撤通道變形量輕微，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作面搬家需求。回撤通道中部圍巖破壞形式如圖3(b)所示，頂板整體出現(xiàn)了下沉，實(shí)體煤幫側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)擠，回撤通道斷面損失約40%，存在冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法正常使用。因此，在設(shè)計(jì)回撤通道支護(hù)結(jié)構(gòu)過(guò)程中，回撤通道中部區(qū)域(50～100 m)要增加支護(hù)強(qiáng)度。

圖2 回撤通道圍巖變形情況

圖3 回撤通道圍巖變形示意

3 工作面末采階段礦壓和圍巖控制技術(shù)

3.1 停采讓壓

停采讓壓是指在回采過(guò)程中，回撤通道與工作面貫通前，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面老頂周期來(lái)壓步距的改變，對(duì)回采速度進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，在合理位置停采實(shí)現(xiàn)貫通前的最后來(lái)壓，將上覆巖層的壓力轉(zhuǎn)移至采空區(qū)，降低回撤通道頂板和實(shí)體煤側(cè)的豎直方向的應(yīng)力，確保巷道圍巖整體穩(wěn)定[1-3]。

工作面停采讓壓示意如圖4所示，在回采工作面將要與回撤通道貫通時(shí)，若頂板長(zhǎng)時(shí)間無(wú)來(lái)壓，需要繼續(xù)向前推進(jìn)，在貫通之時(shí)，在圖4斷裂1和斷裂2位置處極有可能發(fā)生來(lái)壓，實(shí)體煤上方以及回撤通道可能出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致回撤通道支架的載荷加劇，巷道發(fā)生劇烈變形。若實(shí)施停采讓壓，有助于發(fā)揮掩護(hù)式支架和間隔煤柱的切頂作用，促使工作面老頂斷裂。回撤通道貫通后，末采工作面老頂?shù)目缇嗯c來(lái)壓步距相比較小，頂板來(lái)壓?jiǎn)栴}將不會(huì)再次發(fā)生，回撤通道頂板巖層的穩(wěn)定性良好，變形得到了有效控制。

圖4 工作面停采讓壓示意

停采讓壓的關(guān)鍵在于確定讓壓位置，在停采讓壓時(shí)，若煤柱過(guò)寬，極有可能導(dǎo)致老頂再次斷裂，導(dǎo)致冒頂事故的發(fā)生。若讓壓位置科學(xué)合理，能夠使老頂在合適位置斷裂，不會(huì)再次來(lái)壓[1-3]。針對(duì)停采讓壓位置的選擇，應(yīng)將工作面頂板周期來(lái)壓步距考慮在內(nèi)，還需要考慮到讓壓間隔煤柱的影響，煤柱寬度應(yīng)處于回撤通道回采幫與煤壁的塑性范圍，依據(jù)以下公式計(jì)算：

D=km(R1+R2)

D≥le

式中：D為讓壓間隔煤柱寬度；km為煤柱穩(wěn)定系數(shù)，取值為1.2；R1為回撤通道回采側(cè)煤壁塑性破壞深度；R2為工作面?zhèn)让罕谒苄云茐纳疃龋琹e為工作面周期來(lái)壓步距。

工作面回采期間礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在工作面末采階段距離回撤通道25 m時(shí)，通過(guò)計(jì)算分析支架觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到老頂平均周期來(lái)壓步距為15.5 m，據(jù)此可知：回撤通道與煤柱的寬度之和應(yīng)在15.5 m之上，煤柱寬度應(yīng)大于9.5 m(回撤通道寬6 m)。在工作面實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，讓壓停采工作在距離回撤通道13 m處進(jìn)行，進(jìn)行掛網(wǎng)處理，停采一段時(shí)間后，繼續(xù)推進(jìn)至貫通，未出現(xiàn)來(lái)壓，表明停采讓壓措施科學(xué)合理。

3.2 支護(hù)方式優(yōu)化

根據(jù)鄰近30403工作面回撤通道現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，原有回撤通道支護(hù)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖變形的有效控制，頂板下沉量過(guò)大，回撤通道中部圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形。因此，根據(jù)鄰近工作面巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，及回撤通道頂板情況，對(duì)30405工作面回撤通道采取錨桿(索)+垛式支架的支護(hù)方式。

1) 垛式支架。確保支架支撐力滿足頂板的支撐要求，在工作面采動(dòng)影響下，垛式支架的支撐作用主要表現(xiàn)為對(duì)頂板下沉的支撐，支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)在于降低工作阻力，以此減小頂板的下沉量，并以回采階段頂板下沉量為依據(jù)，適當(dāng)增加垛式支架的支撐力，從而降低頂板下沉量。30405工作面回撤通道選用型號(hào)為為ZD18000/25/50 的垛式支架，該支架能夠提供的工作阻力為12 165 kN，初撐力為9 072 kN，滿足支護(hù)強(qiáng)度要求。在主回撤通道內(nèi)部全面采用上述型號(hào)的垛式支架，主回撤通道內(nèi)垛式支架布置間距為800 mm。

2) 錨桿錨索支護(hù)。工作面與回撤通道貫通時(shí)，讓壓煤柱煤體需要進(jìn)行全部采空處理，若采用螺紋鋼錨桿容易對(duì)采煤機(jī)截齒造成損害。因此，該側(cè)采用玻璃鋼錨桿支護(hù)，錨桿采用D18 mm×2 200 mm的玻璃鋼錨桿， 間排距為800 mm×1 000 mm， 預(yù)緊力不小于50 kN；煤柱幫采用D18 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為400 mm×1 000 mm；頂板錨索采用D18 mm×7 300 mm 的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，排距為2 000 mm， 錨索預(yù)緊力不小于130 kN， 錨固長(zhǎng)度為1 200 mm；回撤通道頂板布置6根錨桿，錨桿采用D18 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，預(yù)緊力不小于50 kN，兩頂角錨桿與頂板成30°夾角；采用D16 mm圓鋼焊制的托梁與金屬網(wǎng)結(jié)合進(jìn)行護(hù)幫護(hù)頂，托梁排距為1 000 mm，并安設(shè)尺寸為長(zhǎng)×寬×厚=5 200 mm×250 mm×4 mm 的鋼帶。主回撤通道支護(hù)方式如圖5所示。

圖5 回撤通道支護(hù)斷面(mm)

4 應(yīng)用效果分析

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)支護(hù)方式以及停采讓壓位置的評(píng)價(jià)，采用和30403工作面回撤通道同樣的觀測(cè)方案，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)30405工作面回采期間回撤通道圍巖位移情況，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。回撤通道貫通前，頂板和實(shí)體煤幫的位移量相近，貫通后，回撤巷道頂板最大位移量為120 mm，兩幫最大位移量為200 mm，滿足工作面回撤搬家要求。

圖6 回撤通道圍巖變形情況