超大采高綜采工作面回撤通道支護(hù)技術(shù)研究

彭林軍，岳 寧，安 亮，李申龍，蔡逢華，馮振華，李明輝

(1.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；2.陜西未來能源化工有限公司 金雞灘煤礦，陜西 榆林 719000)

0 引 言

金雞灘煤礦8.2 m超大采高綜采工作面正常液壓支架單臺質(zhì)量78.3 t，此次回撤國內(nèi)外無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可借鑒，同時液壓支架回撤時回撤通道的支護(hù)困難、回撤設(shè)備配套工藝等帶來了亟待解決的新問題。

我國專家學(xué)者對圍巖控制、工作面末采礦壓顯現(xiàn)異常機(jī)理分析，提出了防治動載礦壓事故的措施，如采取末采等壓措施、提高回撤通道支護(hù)強(qiáng)度、控制工作面末采速度等進(jìn)行了大量的相關(guān)研究工作[1-2]。王國法等[3-4]對超大采高工作面液壓支架與圍巖耦合作用關(guān)系及成套裝備研制應(yīng)用展開研究，得出了控制煤壁片幫發(fā)生滑移失穩(wěn)的液壓支架臨界護(hù)幫力。張立輝等[5]對8 m大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究，得出隨著采高加大，工作面煤壁片幫現(xiàn)象加劇，礦壓顯現(xiàn)明顯。宋振騏等[6]在煤礦重大事故預(yù)測和控制的動力信息基礎(chǔ)的研究，對傳遞巖梁周期裂斷步距與周期來壓步距差異分析及動力信息基礎(chǔ)的研究。黃慶享等[7]對淺埋煤層大采高工作面礦壓規(guī)律及頂板結(jié)構(gòu)研究，并提出了近淺埋煤層的概念，主要以雙關(guān)鍵層及其疊合作用導(dǎo)致的大小周期來壓為主的礦壓特征。梁運(yùn)培等[8]研究了大采高綜采采場關(guān)鍵層運(yùn)動型及對工作面礦壓的影響，得出了大采高綜采采場關(guān)鍵層存在2種結(jié)構(gòu)形態(tài)和6種運(yùn)動型式,并給出了各結(jié)構(gòu)形態(tài)和運(yùn)動型式的形成條件。楊仁樹等[9]對特殊條件下大采高工作面回撤通道穩(wěn)定性控制研究，確定合理的回撤通道位置。呂坤等[10]特厚煤層綜放工作面回撤通道支護(hù)技術(shù)研究，得出回撤通道圍巖變形破壞特征及錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)原則。王曉振等[11]對淺埋綜采面高速推進(jìn)對周期來壓特征的影響，得出推進(jìn)速度對周期來壓特征的影響規(guī)律。鄭芳菲等[12]綜采工作面末采階段等壓原理與頂板控制技術(shù)。王曉振等[13]在神東淺埋綜采面末采段讓壓開采原理及應(yīng)用，得出讓壓開采是一種通過在綜采面回撤前適當(dāng)位置停采來避免貫通回撤時工作面受頂板來壓威脅的有效技術(shù)措施。趙輝[14]厚煤層綜放工作面末采期間主撤巷道加強(qiáng)支護(hù)及礦壓監(jiān)測，用實(shí)測法驗(yàn)證了主撤巷道支護(hù)設(shè)計安全性。王志強(qiáng)等[15]重型綜放工作面快速回撤與末采期頂板控制技術(shù)，得出采用小斷面調(diào)節(jié)巷和高程測量法相結(jié)合方法控制末采階段圍巖穩(wěn)定性。朱衛(wèi)兵等[16]神東礦區(qū)回撤階段調(diào)節(jié)巷適用的合理埋深研究，確定了神東礦區(qū)調(diào)節(jié)巷適用的合理埋深。韓龍[17]對綜采工作面末采及回撤礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與頂板控制技術(shù)進(jìn)行了研究，得出通過計算留預(yù)留一定尺寸的等壓煤柱進(jìn)行停采讓壓。趙志超[18]酸刺溝礦綜放回撤通道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究。何滿潮等[19-20]對恒阻大變形錨桿力學(xué)特性及其工程，結(jié)果表明恒阻錨索能夠通過保持恒定阻力并產(chǎn)生拉伸變形來吸收沖擊能量，有效解決了頂板控制問題。該技術(shù)利用恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)加固頂板，大大減弱超大采高綜采工作面基本頂來壓劇烈、局部冒頂和煤壁片幫難支護(hù)的難題，同時對回撤巷道支護(hù)參數(shù)和支護(hù)工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。使工作面回撤通道將滿足安全回撤要求。

筆者以金雞灘煤礦2-2108大采高綜采工作面末采階段為研究對象，對超大采高綜采工作面主回撤通道支護(hù)及圍巖控制進(jìn)行了研究，將為榆神礦區(qū)類似條件下回撤通道礦壓控制及支護(hù)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 2-2上108工作面概況

金雞灘煤礦井田范圍在陜北侏羅紀(jì)煤田鄂爾多斯盆地東北緣，位于陜北榆神府煤田南部，地處毛烏素沙漠邊緣與黃土高原的過渡地帶，地表為厚松散風(fēng)積沙覆蓋，本區(qū)地貌單元主要包括：灘地、沙丘沙地、黃土丘陵及河谷地貌?，F(xiàn)開采2-2上煤層厚度為5.5～8.4 m，平均6.65 m，煤層由開切眼向終采線逐漸變厚，煤層埋深為200～305 m，平均采深246m，松散層厚度平均35m，屬于近淺埋煤層?；卷?直接頂)：灰色粉砂巖，粉砂狀結(jié)構(gòu)，成分以石英為主，含少量云母和黑色礦物以及大量植物根莖化石。厚度14.15～18.61 m。直接底：淺灰色細(xì)砂巖，細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，成分以石英、長石為主，含植物碎屑化石。厚度4.04～8.95 m。基本底：灰黑-深灰色泥巖，具滑面，半堅硬，波狀層理，厚度16.71～25.9 m?？傮w趨勢為一個傾角小于1°、向北西傾斜的單斜構(gòu)造。無褶皺、陷落柱和巖漿巖。西南方向?yàn)榈V井邊界，其他方向?yàn)槲床蓜訁^(qū)域，無老窯、小窯影響，周圍再無其他采掘工程。

1 2-2上108工作面概況

金雞灘煤礦井田范圍在陜北侏羅紀(jì)煤田鄂爾多斯盆地東北緣，位于陜北榆神府煤田南部，地處毛烏素沙漠邊緣與黃土高原的過渡地帶，地表為厚松散風(fēng)積沙覆蓋，本區(qū)地貌單元主要包括：灘地、沙丘沙地、黃土丘陵及河谷地貌?，F(xiàn)開采2-2上煤層厚度為5.5～8.4 m，平均6.65 m，煤層由開切眼向停采線逐漸變厚，煤層埋深為200～305 m，平均采深246 m，松散層厚度平均35 m，屬于近淺埋煤層。本區(qū)地質(zhì)條件簡單，地層平坦，總體趨勢為一向北西傾斜的單斜構(gòu)造，無褶皺和巖漿活動，適宜布置超大采高工作面。

2 主回撤通道支護(hù)設(shè)計及數(shù)值模擬

2.1 主回撤通道支護(hù)設(shè)計

主回撤通道支護(hù)設(shè)計如圖1所示。主回撤通道凈斷面尺寸為：寬度6.6 m、高度4.8 m，掘進(jìn)量31.68 m2。支護(hù)設(shè)計說明:頂板錨索采用?21.8 mm×13 300 mm恒阻錨索(鋼絞線強(qiáng)度等級為1 860)，錨固長度不小于1 500 mm，錨固力不小于420 kN，預(yù)緊力不低于250 kN，每根錨索消耗CK2360型樹脂藥卷3卷；靠主回撤通道回采側(cè)錨索托盤需加楔形墊片；恒阻錨索托盤規(guī)格300 mm×300 mm×24 mm。恒阻錨索W鋼帶(材料6 300 mm×300 mm×5 mm厚)孔距中心800，2 400,2 400 mm。頂板錨桿采用無縱筋左旋螺紋鋼錨桿?22 mm×2 400 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm，錨固力100 kN；回采側(cè)采用玻璃鋼錨桿?20 mm×2 300 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm，未采側(cè)采用螺紋鋼錨桿?20 mm×2 000 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm，設(shè)計錨固力60 kN， 每根錨桿消耗CK2550型樹脂藥卷1卷。錨桿托盤規(guī)格為

圖1 主回撤通道支護(hù)設(shè)計Fig.1 Support design of the main retreat channel

150 mm×150 mm×10 mm；鋼筋網(wǎng)規(guī)格?6.5鋼筋、網(wǎng)格100 mm×100 mm，網(wǎng)搭接長度100 mm，連網(wǎng)扣距200 mm；W鋼帶預(yù)留孔徑?=40 mm；錨索托盤預(yù)留孔徑?=20 mm。

主回撤通道頂板及聯(lián)巷主回撤端5 m范圍內(nèi)錨索采用恒阻大變形錨索，主回撤通道恒阻錨索按照A、B、C 3個不同應(yīng)力區(qū)域劃分，排距分別為1 000、1 500、2 000 mm，各交叉口5 m范圍內(nèi)排距1 000 mm；恒阻錨索托盤和恒阻器安裝前鋼絞線外露孔外180～300 mm；錨固力不小于420 kN，恒阻錨索預(yù)緊力不低于250 kN。主回撤通道平面設(shè)計如圖2所示。

圖2 主回撤通道支護(hù)設(shè)計平面Fig.2 Plan drawing of support for main retreat passage

恒阻大變形錨索關(guān)鍵是恒阻體在恒阻套管內(nèi)發(fā)生滑移，即恒阻大變形錨索隨著圍巖大變形而發(fā)生徑向拉伸的大變形，以此來吸能耗能，避免由于巖體大變形而發(fā)生錨索斷裂、失效現(xiàn)象。當(dāng)圍巖發(fā)生大變形之后，巖體內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到新的平衡，其能量得到釋放，圍巖的變形能小于恒阻器的設(shè)計恒阻力，錨索軸力小于恒阻體與恒阻套管的摩擦阻力，圍巖在恒阻大變形錨桿(索)的支護(hù)作用下再次處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 恒阻大變形錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural of anchor cable support with large deformation and constant resistance

2.2 主回撤通道支護(hù)數(shù)值模擬

2.2.1恒阻錨索分區(qū)支護(hù)模擬研究

恒阻大變形錨索區(qū)域支護(hù)分布如圖4所示。從左到右4個恒阻大變形錨索，錨索1為傾斜，錨索2,3、4為豎直。由恒阻大變形錨索的伸長量可以看出，恒阻大變形錨索均超過了15 cm，最大值為26.7 cm。

圖4 恒阻錨索區(qū)域受力分布Fig.4 Distribution stress distribution of constant resistance anchor cable area

數(shù)值計算表明： C區(qū)域的錨索伸長量大于B和A區(qū)域；越靠近工作面的錨索伸長率越大；錨索2、錨索3分布在2個垛式支架之間，恒阻大變形錨索的伸長量差別不大。

2.2.2垛式支架撤出回撤通道穩(wěn)定性研究

雙排垛式支架撤出過程中回撤通道穩(wěn)定性分析主要劃分以下幾個階段：左側(cè)垛式支架撤出、右側(cè)垛式支架撤出、撤出5 d后、撤出10 d后?？紤]到C區(qū)域的穩(wěn)定性相對比A和B區(qū)域稍差，因此主要分析C區(qū)域的圍巖塑性區(qū)狀態(tài)變化趨勢和圍巖變形演化規(guī)律，用以判斷雙排垛式支架撤出過程中回撤通道穩(wěn)定性。巖層塑性區(qū)狀態(tài)變化趨勢如圖5所示。

圖5 巷道巖層塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of plastic zone of rock layer in roadway

數(shù)值計算結(jié)果表明，垛式支架撤出過程中回撤通道能夠臨時保持穩(wěn)定性，撤出10 d后巖層塑性區(qū)已經(jīng)大面積的分布到回撤通道上方，而且回撤通道上方的變形已經(jīng)普遍較大，回撤通道上方巖層將失去穩(wěn)定性。

3 主回撤通道支護(hù)現(xiàn)場工程應(yīng)用

3.1 主回撤通道等壓分析

末采期間工作面推進(jìn)速度放慢，礦壓顯現(xiàn)異常劇烈，停采等壓技術(shù)主要是研究工作面與主回撤通道貫通前基本頂?shù)闹芷趤韷阂?guī)律，從而判斷是否采取等壓措施。通過現(xiàn)場工作面距主回撤通道100～30 m的2～3周期來壓步距數(shù)據(jù)分析，得出工作面周期來壓步距平均為19.3 m，來壓影響長度3～4 m，根據(jù)理論預(yù)計等壓煤柱在距主回撤通道6 m處，工作面距離主回撤通道25.3 m時是采場最后一次周期來壓，若在該位置能夠及時來壓，則不需要等壓，確定來壓后再掛網(wǎng)推進(jìn)。停采等壓預(yù)計模型如圖6所示。

圖6 主回通道停采等壓預(yù)計Fig.6 Isobaric prediction of stoppage of main return channel

3.2 主回撤通道貫通工程實(shí)踐

經(jīng)過對采場綜采支架觀測數(shù)據(jù)研究分析，選取末采階段中部支架(表2)2個周期來壓進(jìn)行分析。

表2 工作面中部支架末采階段來壓參數(shù)Table 2 Analysis of pressure data in middle stage of working support

過現(xiàn)場觀測工作面推進(jìn)至5 206.1 m(距終采線23.1 m)基本頂周期來壓，工作面推進(jìn)至5 219.5 m基本頂來壓(來壓強(qiáng)度20 268 kN)此時距主回撤通道7.9 m，是基本頂最后一次周期來壓，因此無需采取等壓措施直接開采至貫通，且在貫通前2 m處來壓結(jié)束，可以推斷下一次周期來壓斷裂位置位于主輔回撤通道中間保護(hù)煤柱上方，位于靠近主回撤通道副幫4.8 m處，如圖7所示。

圖7 主回撤通道貫通礦壓實(shí)踐Fig.7 Practice drawing of main retreat channel through mine pressure

工作面全面貫通后直至撤面期間，工作面始終處于非來壓狀態(tài)，回撤通道圍巖整體變形量很小，工作面最終實(shí)現(xiàn)了無來壓貫通，回撤效果良好。

3.3 主回撤通道現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1)大采高主撤架在線數(shù)顯頂板離層儀觀測結(jié)果分析，如圖8所示。

圖8 頂板位移量折線Fig.8 Top plate displacement polyline

由圖8頂板離層變形可以看出，距回撤通道7.9～88.4 m時基本未發(fā)生變化；距回撤通道7.9～1.9 m時急劇增長，此時基本頂來壓，來壓持續(xù)長度為6 m，頂板位移達(dá)到最大值81.8 mm；直到距回撤通道1.9 m處位移保持此值至工作面貫通。

2)主回撤通道恒阻錨索在線觀測結(jié)果分析，如圖9所示。

圖9 恒阻錨索應(yīng)力折線Fig.9 Stress line chart of constant resistance anchor cable

通過現(xiàn)場恒阻大變形錨索數(shù)顯在線3號測站(位于通道中部C區(qū))測力儀觀測圖得出，距回撤通道88.4～7.9 m時基本未發(fā)生變化，主要是回撤通道雙排垛式支架支撐；距回撤通道7.9 m時，錨索全部測點(diǎn)不同程度受到動壓影響，距回撤通道7.9～1.9 m時影響劇烈，此時基本頂來壓，來壓持續(xù)長度為5.9 m，恒阻錨索受力最大位于回撤通道中部100 m處，受力值達(dá)到198.5 kN，恒阻錨索讓壓量達(dá)到180 mm,錨索現(xiàn)場受力照片如圖10所示。

圖10 恒阻錨索受力情況Fig.10 Stress condition of constant resistance anchor cable

3)工作面貫通現(xiàn)場照片及主回撤通道整體向采空區(qū)傾斜，如圖11所示。

圖11 工作面貫通Fig.11 Working surface penetration

4 結(jié) 論

1)通過現(xiàn)場末采階段礦壓觀測，得出距回撤通道停采線7.9 m時基本頂斷裂，貫通前最后一次周期來壓，頂板整體礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，在貫通前2 m處來壓結(jié)束，因此無需采取等壓措施直接開采至貫通。計算并現(xiàn)場驗(yàn)證了貫通時周期來壓斷裂位置位于主輔回撤通道中間保護(hù)煤柱上方約4.8 m處，現(xiàn)場實(shí)踐證明工作面回撤期間圍巖始終處于非來壓狀態(tài)，回撤通道圍巖整體變形量很小。工作面最終實(shí)現(xiàn)了無來壓貫通，回撤效果良好。

2)超大采高主回撤通道采用恒阻大變形錨索+鋼帶十字鏈接支護(hù)設(shè)計合理，A、B、C分區(qū)支護(hù)設(shè)計在大采高大空間回撤通道中起到了關(guān)鍵作用，充分利用恒阻錨索材料自身可變形的特點(diǎn)，起到“突然變形”向“緩慢變形”讓壓可控的效果，巷道中部靠近回采側(cè)錨索最大延伸達(dá)到180 mm，滿足支護(hù)設(shè)計要求。

3)隨著靠采空側(cè)垛架逐漸撤除，恒阻大變形錨索完全受力，主回撤通道頂板整體向采空區(qū)傾斜的現(xiàn)象，說明大斷面巷道一側(cè)鄰空成懸臂梁，該區(qū)域頂板下沉速度比另一側(cè)要快些，恒阻大變形錨索有一定的延伸量，保持了主回撤通道整體的穩(wěn)定性。支架撤出7～10 d，回撤通道上方巖層普遍垮落。在整個設(shè)備回撤過程基本沒有受到影響。證明巷道支護(hù)技術(shù)可靠，為類似礦井回撤末采階段圍巖控制提供了理論依據(jù)。