綜放工作面末采期間頂板及設(shè)備撤出巷控制技術(shù)研究

郎軍 郭璋 韓偉

摘要：針對綜放工作面單通道設(shè)備撤出巷支護問題，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測及結(jié)合以往工作實踐經(jīng)驗，對伊泰京粵酸刺溝礦業(yè)有限責任公司6_上115綜放工作面設(shè)備撤出巷支護相關(guān)事項進行了研究總結(jié)，結(jié)果表明：合理的支護方式，可以對末采期間巷道破壞進行有效控制，6_上115綜放工作面的順利貫通，驗證了支護設(shè)計的可行性和適用性。

關(guān)鍵詞：綜放工作面;設(shè)備撤出巷;數(shù)值模擬;支護

中圖分類號：TD327.2;TD823.97文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0086-05

我國煤炭開采已從淺部逐漸進入深部開采階段。由采高增加而導致的采動壓力顯現(xiàn)越來越突出，尤其是工作面回撤巷道將經(jīng)受動壓的嚴峻考驗。酸刺溝煤礦6_上煤煤層的埋深達到251m以上，其上覆基巖層結(jié)構(gòu)、受采動影響的運動及破壞有其自身特點，12.6m綜放工作面的回采對上覆基巖的擾動更加強烈，頂板控制困難，而頂板控制是確保工作面安全順利貫通的基礎(chǔ)，但針對特殊地質(zhì)條件還需作進一步研究。快速搬家技術(shù)的關(guān)鍵在于能否保持回撤通道的穩(wěn)定，合理地選擇末采期間回撤通道支護方式是礦井實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。因此，本文結(jié)合酸刺溝煤礦具體地質(zhì)和生產(chǎn)條件，綜合采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方法，確定設(shè)備撤出巷合理礦壓控制和支護技術(shù)，確保回撤安全。

1工作面概況

酸刺溝井田位于鄂爾多斯大型構(gòu)造盆地東北緣的準格爾煤田，6_上115工作面位于井田一盤區(qū)南翼最東部，工作面走向2754m，傾向254.6m，工作面埋深251m。采用單一走向長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤法，采高3.8m，煤層平均厚度12.6m。直接頂為灰白色粗粒砂巖，老頂為灰白色一灰色礫巖、中粗粒砂巖及少量泥巖。直接底為灰色泥巖、灰白色中一粗粒砂巖，半堅硬。末采回撤采用單通道設(shè)備撤出巷，規(guī)格5.6m×4.2m。

2頂板穩(wěn)定性分類

巷道錨桿錨索支護范圍內(nèi)的巖層結(jié)構(gòu)特征直接影響到支護效果，礦用巖層鉆孔窺視儀可以直觀地反映鉆孔內(nèi)巖體不連續(xù)面、離層等情況，為支護設(shè)計、圍巖穩(wěn)定性評價提供現(xiàn)實依據(jù)。本次設(shè)備撤出巷窺視鉆孔設(shè)置在距膠運順槽10m、60m、120m、180m和240m處，共設(shè)5孔分別窺視，鉆孔直徑28mm，鉆孔深度15m，布置如圖1所示。

窺視結(jié)果分析：觀測范圍內(nèi)頂煤厚度變化不大，基本在5.3-7.9m之間。6_上115工作面設(shè)備撤出巷直接頂為灰白色粗粒砂巖，在3.5-6.1m之間。老頂為中粗粒砂巖及少量泥巖（在2#、3#孔內(nèi)有約1m左右的泥巖）。頂板巖體完整性良好，基本沒有裂隙。

物理力學試驗試樣采用探水鉆機鉆取，鉆進方向與水平方向夾角成45°，鉆進長度30m，取芯直徑80mm。通過巖芯鉆取得出，該處煤層厚度在11.5m，平均煤芯采取率為29.5%，平均巖芯采取率為95.8%。

將煤層的地質(zhì)鉆孔資料和窺視鉆孔資料及物理力學試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用于煤層頂板穩(wěn)定性預測系統(tǒng)，由頂板預測結(jié)果可得，頂板類型屬于Ⅲ類。

3周期來壓步距

現(xiàn)場監(jiān)測是一種最直接、最有效的巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究方法。礦壓監(jiān)測從工作面距離設(shè)備撤出巷100m時開始，布置5個測站，分別監(jiān)測6#、40#、70#、105#、140#支架的工作阻力，分別對每個測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析整理，根據(jù)實測所得支架工作阻力的變化計算工作面來壓步距，工作面不同位置周期來壓步距如表1所示，平均周期來壓步距為25.2m。

4數(shù)值模擬分析

選用FLAC-3D計算軟件分析工作面回采對設(shè)備撤出巷圍巖的應(yīng)力及變形量的影響，為設(shè)備撤出巷支護方式選擇、支護參數(shù)確定提供參考。

4.1模型建立

本次數(shù)值模擬以酸刺溝煤礦6_上115工作面為計算模型，模型塊體的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾一庫侖準則。采深為251m，煤厚12.6m，采高3.8m。模型高71m，長136m，寬100m，各巖層的力學參數(shù)采用試驗所得數(shù)據(jù)，模型建立如圖2所示。

4.2模擬方案

支護方法即采用6_上115設(shè)備撤出巷預想支護方案。具體方法是：煤層從距設(shè)備撤出巷80m開始開采，末采期間取6個階段進行分析，距離設(shè)備撤出巷依次為30m、20m、15m、10m、5m、0m。在計算的過程中，對設(shè)備撤出巷頂板及兩幫煤巖體內(nèi)豎直應(yīng)力以及位移的變化進行分析。

4.3模擬結(jié)果分析

當巷道開挖后，巷道圍巖內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，巷道頂板的塑性區(qū)范圍為3.0m，底板的塑性區(qū)范圍為1.5m，兩幫的塑性區(qū)范圍為2.0m，如圖3所示。設(shè)備撤出巷回采幫垂直應(yīng)力分布曲線分別如圖4所示。巷道開挖引起圍巖垂直應(yīng)力重新分布，在巷道頂?shù)装甯浇纬纱怪睉?yīng)力降低區(qū)。頂板中部2m范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力幾乎為0，兩幫垂直應(yīng)力基本呈對稱分布，在1.5m范圍應(yīng)力降低，1.5～2.Orm范圍是應(yīng)力平衡區(qū)，2.0m以外垂直應(yīng)力升高，峰值位于2.5m處，為9.7MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.9。

水平應(yīng)力分布曲線如圖5所示。頂板2.5m范圍以外水平應(yīng)力逐漸升高，兩幫中部在2.0m范圍內(nèi)應(yīng)力很小，隨著煤體向深部延伸，水平應(yīng)力逐漸升高，在5.0m范圍以外水平壓力逐漸趨于穩(wěn)定。

末采期間，當工作面距離設(shè)備撤出巷30m時，設(shè)備撤出巷受采動影響并不明顯。

如圖6～9所示，當工作面距離設(shè)備撤出巷20m時，設(shè)備撤出巷受采動影響明顯，巷道圍巖變形破壞開始加劇。超前支承壓力峰值為15.2MPa，在工作面前方3～4m范圍內(nèi)。受采動影響，設(shè)備撤出巷附近的垂直應(yīng)力峰值增大到14.4MPa，距左幫3m。較巷道開挖時產(chǎn)生的垂直應(yīng)力集中增大48.5%，峰值所處位置向左側(cè)擴展0.5m。

當工作面距離設(shè)備撤出巷15m時，超前支承壓力峰值為15.5MPa，在工作面前方3-4m范圍內(nèi)。垂直應(yīng)力峰值增大到15.7MPa，距左幫3.5m。峰值所處位置向左側(cè)擴展0.5m。頂板塑性區(qū)和右?guī)退苄詤^(qū)已經(jīng)連接。底板的塑性區(qū)范圍變化不大，兩幫的塑性區(qū)范圍變化不明顯。

當工作面距離設(shè)備撤出巷10m時，超前支承壓力峰值為18.9MPa，在工作面前方3.5m處。垂直應(yīng)力峰值增大到18.9MPa，距回采幫4.0m。煤柱幫出現(xiàn)應(yīng)力集中，峰值為15MPa，說明設(shè)備撤出巷煤柱幫同樣受到工作面超前支承壓力的影響。兩幫的塑性區(qū)范圍明顯不一致，回采幫塑性區(qū)范圍為4.0m，并且已經(jīng)和工作面前方塑性區(qū)相互連接，煤體大部分都已經(jīng)遭到破壞。

當工作面距離設(shè)備撤出巷5m時，超前支承壓力已經(jīng)轉(zhuǎn)移到設(shè)備撤出巷煤柱幫，與巷道圍巖應(yīng)力相互疊加作用，峰值大小為17.5MPa，設(shè)備撤出巷頂板的塑性區(qū)范圍為5.0m，并目頂板回采幫塑性區(qū)明顯大于煤柱幫。

當工作面距離設(shè)備撤出巷0m，即貫通時，超前支承壓力與巷道圍巖應(yīng)力相互疊加，峰值為17.6MPa，在距右?guī)?.5m處，較巷道開挖時產(chǎn)生的垂直應(yīng)力集中增大81.4%。設(shè)備撤出巷頂板煤體已經(jīng)完全遭到破壞，靠近工作面處頂板破壞深度甚至延伸到上面的老頂粗砂巖。煤柱幫的塑性區(qū)范圍為3.5m，并且已經(jīng)和巷道頂板塑性區(qū)連接，形成一個巨大的矩形塑性區(qū)。

如圖10所示，末采期間，隨著工作面的推進，與設(shè)備撤出巷的距離逐漸縮短，巷道附近的應(yīng)力也發(fā)生了一系列的變化，由最初的9.7MPa逐漸增長到18.9MPa，當工作面距離設(shè)備撤出巷10m時，巷道附近應(yīng)力值到達最大。

通過數(shù)值模擬研究設(shè)備撤出巷在末采期間受采動影響的規(guī)律可知：

1）在工作面逐步推進，逐漸接近設(shè)備撤出巷過程中，巷道圍巖的塑性區(qū)范圍也是逐漸擴大。頂板在末采期間的變形破壞嚴重，靠近煤壁側(cè)的頂板破壞深度更深;巷道兩幫，在超前支承壓力的作用下，圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)。

2）設(shè)備撤出巷在貫通后的巷道只有頂?shù)装搴兔褐鶄?cè)幫部，在數(shù)值模擬過程中，隨著工作面推進，超前支承壓力移動，頂板和煤柱幫的塑性區(qū)逐漸擴大，并且互相發(fā)展，形成了巷道右上部的大面積塑性破壞。綜上兩點，認為設(shè)備撤出巷圍巖支護的“主控部位”應(yīng)當為頂板和右?guī)停疵褐鶐汀?/p>

3）工作面貫通后，設(shè)備撤出巷頂板塑性區(qū)范圍到達7m，靠近煤壁側(cè)的頂板破壞深度更深，煤柱幫塑性區(qū)范圍達到3.5m。因此，設(shè)備撤出巷頂板錨桿（索）長度至少要超過7m，頂板靠近煤壁側(cè)的錨索施工時應(yīng)向煤柱幫偏離一個角度，煤柱幫錨桿（索）長度至少超過3.5m。

4）通過工作面采動對設(shè)備撤出巷影響的數(shù)值模擬可知，工作面距離設(shè)備撤出巷30m時，采動對設(shè)備撤出巷圍巖穩(wěn)定影響不大;工作面距離設(shè)備撤出巷20m時，采動對設(shè)備撤出巷圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生影響;工作面距離設(shè)備撤出巷15m時，采動對設(shè)備撤出巷圍巖穩(wěn)定影響較大。為了保證末采順利貫通與設(shè)備撤出巷穩(wěn)定，當工作面距離設(shè)備撤出巷30m時，停止放煤;當工作面距離設(shè)備撤出巷15m時，工作面開始鋪設(shè)高強度聚酯纖維柔性網(wǎng)。

5錨桿錨索受力監(jiān)測

為了精確測試錨桿錨索受力情況，在6_上115設(shè)備撤出巷布置了3個頂板壓力傳感器和礦用本安型監(jiān)測儀測站，在錨桿錨索測力儀器安裝后，錨桿初撐力為2.8t，錨桿受力平穩(wěn)，受工作面采動影響后，錨桿受力迅速增大，最大值為4.7t，之后受力曲線又保持平穩(wěn)。錨索初撐力4t，錨索受力平穩(wěn)，受工作面采動影響后，錨索受力迅速增大，最大值為9.8t，之后受力曲線又保持平穩(wěn)。錨桿錨索受力在設(shè)備撤出巷貫通前保持穩(wěn)定，在即將貫通時錨索受力突然增大，錨桿受力也有增大趨勢，但沒有發(fā)生破斷現(xiàn)象。

6深基點位移數(shù)據(jù)分析

結(jié)合現(xiàn)場施工實際和試驗研究的需要，設(shè)備撤出巷布置3個深基點位移測點。深基點儀器采用鷹眼式結(jié)構(gòu)，其監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠直接反映巷道圍巖的變化情況，為巷道支護優(yōu)化方案提供重要實踐依據(jù)。

在深基點設(shè)備安裝后，隨著回采工作面的推進，工作面沒有靠近之前，頂板圍巖位移量很小，之后受采動影響，位移量迅速增加，0-1m范圍內(nèi)出現(xiàn)了40mm的位移量，1～2m范圍內(nèi)出現(xiàn)了20mm的位移量，2-4.8m范圍內(nèi)出現(xiàn)了40mm的位移量，4.8～10m范圍內(nèi)出現(xiàn)了20mm的位移量，總共出現(xiàn)了120mm的位移量。這表明107主回撤受采動影響礦壓現(xiàn)象劇烈，主要位移集中在0-1m和2-4.8m范圍內(nèi)，如圖11所示。

7設(shè)備撤出巷支護參數(shù)

綜合礦壓規(guī)律、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測研究結(jié)果，提出設(shè)備撤出巷的支護參數(shù)為：頂板每排8根φ20x2200mm左旋螺紋鋼錨桿+w鋼帶，排距1400mm;3根φ21.6x12000mm錨索，排距1400mm。煤柱幫每排5根φ20x2200mm左旋螺紋鋼錨桿+w鋼帶，排距700mm;回采側(cè)幫每排5根φ20x2000mm玻璃鋼錨桿，加木托盤，排距700mm。待工作面受采動影響平穩(wěn)后再次對設(shè)備撤出巷進行支護，根據(jù)多次實踐經(jīng)驗，貫通前三個月開始支護效果最好。支護方式為：頂板每排之間補打3根φ21.6x12000mm錨索，間排距與原錨索支護方式相同。煤柱幫每排補打3根φ18.9x6300mm錨索，加w鋼帶，排距1500mm，距底板900mm，如圖12所示。設(shè)備撤出巷口（輔、膠運側(cè)）使用雙根焊接11#礦用工字鋼+21.6x12000mm錨索支護，錨索排距1000mm，施工11排。輔、膠運順槽（設(shè)備撤出巷開口）回采側(cè)20m，煤柱側(cè)10m范圍，分別使用11#礦用工字鋼+21.6x12000mm錨索支護，錨索排距1000mm。支護完畢后對頂板采用雙抗塑料網(wǎng)片進行護頂，防止貫通時托盤掉落。外部支護手段采用工作阻力22000kN的垛式支架，布置兩排。

8結(jié)語

通過礦壓監(jiān)測、數(shù)值模擬、理論計算、現(xiàn)場實測等研究手段，得出以下結(jié)論：

1）通過6_上115綜放面液壓支架受力監(jiān)測分析，得出了工作面周期來壓步距范圍為20～30m，平均周期來壓步距約25.2m。

2）通過數(shù)值模擬研究設(shè)備撤出巷在末采期間受采動影響的規(guī)律可知，工作面貫通時，設(shè)備撤出巷頂板塑性區(qū)范圍到達7m，靠近煤壁側(cè)的頂板破壞深度更深，煤柱幫塑性區(qū)范圍達到3.5m。因此，設(shè)備撤出巷頂板錨桿（索）長度至少要超過7m，煤柱幫錨桿（索）長度至少超過3.5m。

3）根據(jù)數(shù)值模擬中設(shè)備撤出巷的礦壓規(guī)律，為了保證末采順利貫通與設(shè)備撤出巷穩(wěn)定，當工作面距離設(shè)備撤出巷30m時，停止放煤;當工作面距離設(shè)備撤出巷15m時，工作面開始鋪網(wǎng)。網(wǎng)片采用高強度聚酯纖維柔性網(wǎng)。

4）6_上115設(shè)備撤出巷頂板錨桿錨索受力監(jiān)測結(jié)果顯示，錨桿受力最大值為4.7t，錨索初撐力4t，錨索受力最大值為9.8t，錨桿錨索受力在設(shè)備撤出巷貫通前保持穩(wěn)定，在即將貫通時錨索受力突然增大，錨桿受力也有增大趨勢，但沒有發(fā)生破斷現(xiàn)象。

5）通過綜合研究，最后確定了設(shè)備撤出巷的合理支護方案。