特厚易自燃煤層綜放工作面末采收作技術研究

劉念全，張福敏

（鄂爾多斯市華興能源有限責任公司，內蒙古 準格爾旗 010300）

0 引 言

內蒙古準格爾礦區煤炭資源豐富，煤層厚度較大，主采煤層為易自燃煤層，發火周期35 d 左右，回采工藝以綜采放頂煤工藝為主[1]。自燃發火周期短，要求工作面收作設備拆除速度快[2]；綜采放頂煤工作面所需采煤機、主架等設備尺寸、重量均較大，搬運所需巷道規格尺寸大[3]；特厚煤層工作面順槽沿煤層底板布置，頂板支護錨桿錨索均錨固在煤層中，支架拆除后頂板隨拆隨垮，頂板管理難度較大[4]。因此，特厚煤層綜放工作面作好末采安全管理尤為關鍵[5-6]，故對特厚煤層綜放工作面末采安全保障技術要求具有重要的現實意義，亦可為煤礦類似條件下工作面末采收作提供依據。

1 工作面設備回撤方式

1.1 工作面概況

唐家會礦02 工作面位于礦井一盤區東翼，北鄰01 工作面，南鄰03 工作面，西自一盤區6 煤輔運大巷，東至DF11 斷層組保護煤柱；工作面西側三條盤區系統大巷已施工完畢。工作面長度235 m，回采工藝綜采放頂煤。

老頂主要為細砂巖，平均厚度為5.4 m，以灰白色的石英長石為主，泥質膠結，呈次棱角狀分選性差。直接頂主要為粉細砂巖，平均厚度2.9 m，以灰色的石英為主，分選性中等，局部夾砂泥巖薄層，夾煤線條痕，厚度不大，富水性較弱。直接底主要為泥巖，平均厚度6.9 m，表現為灰褐色的厚層狀構造，斷口參差狀，塊狀結構，含較多的植物化石碎片。老底主要為砂質泥巖結構，平均厚度4.7 m，灰褐色，厚層狀構造，斷口參差狀，見植物化石。局部相變為細砂巖。

1.2 工作面設備回撤方式

現有工作面設備回撤方式主要有預掘雙通道+垛式支架、現掘單通道不用垛式支架、預掘單通道+強力墩柱支護[7]。

1.2.1 預掘雙通道+ 垛式支架

工作面回采至工作面收作線之前，在收作線位置提前施工主回撤通道和輔助回撤通道，兩條回撤通道之間施工3 條聯巷。主回撤通道在工作面回采至距停采線100 m 位置前采用垛式支架支護頂板。具體布置方式如圖1 所示。

該方式具有回撤設備多通道，可雙工作面同時作業，拆除速度快，工期短等優點；存在回撤通道在工作面末采期間受采動影響較大，回撤通道工程量大，垛式支架費用較高等缺點[8]。

圖1 預掘雙通道+ 垛式支架布置方式Fig.1 Arrangement of pre-excavated double-channel+battle-type support

1.2.2 現掘單通道不用垛式支架

工作面回采至停采線位置，支架保持不動，使用單體配合支架推移千斤頂推移前部運輸機，采用采煤機割煤，人工支護頂板刷擴出回撤通道，回撤設備。具體布置方式如圖2 所示。

該方式具有回撤通道工程量小，通道受采動影響小，不需要使用垛式支架支護頂板等優點；存在單通道回撤設備，回撤速度慢，時間長等缺點[9]。

圖2 現掘單通道布置方式Fig.2 Single channel layout

1.2.3 預掘單通道+ 強力墩柱支護

工作面回采至停采線之前，預掘回撤通道，采用強力墩柱代替預掘回撤通道內傳統采用的垛式液壓支架支護頂板，工作面末采貫通回撤通道（采用單通道形式） 后，采用采煤機一次性割碎墩柱并隨工作面煤流系統運出后，回撤設備，具體布置方式如圖3 所示。墩柱制作材料采用高水材料制作或特殊砼材料制作，其中砼的骨料采用風化紅片石代替普通碎石子，墩柱強度≤25 MPa，該方式具有回撤設備準備時間短，支護成本較垛式支架費用低等優點；存在單通道回撤設備，回撤速度慢、時間長、墩柱材料影響礦井煤質等缺點。

針對該工作面煤層易自燃、自燃發火周期短、采空區防滅火工作困難等特點，選擇采用預掘雙通道+垛式支架方式進行回撤。

2 工作面末采頂板管理

2.1 支架掩護范圍頂板支護

工作面支架及支架尾梁頂板支護采用聚酯高強度纖維柔性網，在尾梁鋪網段預先縫制風筒布一層，減少采空區氧氣含量。該網具有網片面積大、整體性好、柔韌輕便、抗拉力強、操作工藝簡單、阻燃、可預制性強、一次性上網免連接等優點，可大大提高末采工作效率[9]。

圖3 預掘單通道+ 強力墩柱支護布置方式Fig.3 Support arrangement of pre-excavated single channel+strong pier column

2.2 主回撤通道頂板管理

主回撤通道斷面為矩形斷面，規格5 500 mm×4 200 mm，主回撤通道采用錨索網+垛式支架支護。巷道頂板布置7 根錨桿，頂板錨桿規格φ20 mm×2 500 mm。頂板布置5 根錨索，由長5 m 槽鋼組合在一起，錨索間距為1 100 m，頂板錨索規格φ21.6 mm×10 300 mm，兩幫各布置5 根錨桿，其中靠切眼幫為玻璃鋼錨桿，靠輔回撤通道幫為金屬錨桿，巷幫玻璃鋼錨桿規格φ20 mm×2 000 mm，巷幫金屬錨桿規格φ20 mm×2 500 mm，巷道靠輔回撤通道幫布置一排走向錨索，錨索距底板高度1 800 mm，幫部錨索規格φ21.6 mm×5 300 mm。為減緩工作面超前支承壓力對主回撤通道的影響，工作面距通道50 m 前架設兩排垛式支架進行加固。主回撤通道支護平斷面如圖4 所示。

主回撤通道內安設兩排ZZ12000/22/46X 型四柱掩護式液壓支架，每排40 臺支架。為確保支護方式及參數合理有效，特采用數值模擬方法進行模擬驗證。

圖4 主回撤通道支護斷面Fig.4 Support section of main retreat channel

2.2.1 數值模型的建立

根據主回撤通道圍巖地質條件，選取揭露的砂質泥巖、細砂巖、中細砂巖以及煤層作為建模對象，以主回撤通道附近鉆孔資料為計算依據。采用UDEC4.0 建立相應的分析模型，計算模型尺寸為260 m×125 m。模型左右及下邊界均為位移固約束邊界，上邊界為應力邊界，按上覆巖層厚度施加均布荷載，材料破壞遵循Mohr-Coulomb 強度準則[10]。圖5 為主回撤通道的數值計算模型。

2.2.2 模擬方案

支護方案要求在巷道開挖后立即進行支護，錨索及錨桿均采用cable 單元模擬，垛式支架和工作面液壓支架采用Support 單元模擬，結合支架增阻特性曲線賦予Table 值。

圖5 主回撤通道支護與加固數值模型Fig.5 Numerical model of main retreat channel support and reinforcement

2.2.3 數值模擬計算結果分析

為了更直觀的觀察巷道圍巖的應力與變形情況，另在巷道左側實體幫巖體內設置監控測線和監控點監測巷道圍巖應力變化。測線測點如圖6 所示布置，測線1 布置在巷道左幫中間位置，測點1 布置在測線上方。

圖6 監測線和測點布置Fig.6 Arrangement of monitoring lines and points

主回撤通道圍巖的應力云圖和塑性區分布圖以及1 號測點應力變化如圖7～圖9 所示。由于巷道的開挖和工作面的回采改變了原巖應力分布，從1號測點應力變化曲線可以看出，隨著巷道的開挖，1 號測點垂直應力值從約12 MPa 激增至17 MPa，工作面向前回采至采通，最測點應力穩定在24.1 MPa。從垂直應力云圖可以看出，巷道左側圍巖整體處于高應力狀態，但未出現拉應力狀態，應力峰值距巷幫表面約8.5 m 位置。主回撤通道的左幫和頂底板均未發生塑性破壞。測點應力峰值與巷道表面距離見表1。

表1 應力峰值及距巷道表面距離統計Table 1 Statistics of stress peak value and distance from roadway surface

圍巖垂直位移和水平位移如圖10、圖11 所示，主回撤通道頂板最大下沉值為455 mm，底板最大底鼓量為105 mm，頂板最大下沉量出現在巷道中部附近，左幫最大位移值為370 mm，說明頂板下沉量較小。主回撤通道圍巖位移量見表2。經數值模擬驗證滿足工作面末采收作安全要求，并在02 工作面實踐應用，并采用“十”字布點法布置頂底板和幫部位移觀測站，主回撤通道底鼓最大變形量111 mm，非貫通幫最大位移量155 mm，頂板下沉量322 mm，對設備回撤基本無影響。

圖7 巷道圍巖垂直應力云圖和測線垂直應力分布Fig.7 Vertical stress nephogram of surrounding rock of roadway and vertical stress distribution of survey line

圖8 測點1 垂直應力變化曲線Fig.8 Vertical stress change curve of measuring point 1

圖9 巷道圍巖塑性區分布Fig.9 Plastic zone distribution of roadway surrounding rock

3 工作面末采貫通層位控制

綜采工作面末采貫通層位控制方法一般有貫通調節巷（硐） 法、貫通調節鉆孔法、底煤鉆探法和標高調整法等。

根據已回采工作面經驗和周邊礦井調研分析，為確保貫通質量，唐家會礦02 工作面末采期收作工程采用貫通調節鉆孔法與貫通調節硐法聯合使用。工作面距停采線大于200 m 之前，在主回撤通道采煤幫施工貫通調節鉆孔和貫通調節硐室。具體布置及結構如圖11 和圖12 所示，調節鉆孔距主回撤通道底板1.5 m，設計長度20 m，孔間距 20 m，孔徑 75 mm，下入1.5 寸白色 PVC 塑料管，然后向PVC 管內注入石灰涂料。調節硐室沿主回撤通道頂板施工，斷面3 m×3 m，支護采用錨索網梁支護，長度6 m。施工結束后在硐室內施工木垛，確保工作面貫通時有明顯層位關系。

表2 主回撤通道圍巖位移量統計Table 2 Statistics of surrounding rock displacement in the main retreat channel

圖10 巷道圍巖垂直位移云圖Fig.10 Cloud map of vertical displacement of surrounding rock of roadway

在工作面距離收作線20 m 時，在工作面回采期間，可根據揭露的調節鉆孔調整工作面，直到找到所有調節鉆孔，并根據工作面和調節鉆孔相對位置進行層位調整。02 工作面布置平面和剖面如圖12、圖13 所示。在工作面回采至6 m 位置時，根據工作面和調節硐室相對位置關系進行層位調整，工作面沿調節硐室頂板回采，貫通層位控制直觀，可靠性高。該方法可有效避免工作面收作貫通錯茬，減少貫通后的挑頂臥底工程量，為工作面拆除創造良好施工條件，縮短拆除工期，為工作面快速收作封閉提供保障。

圖12 02 工作面布置平面Fig.12 Plane of 02 working face

圖13 02 工作面布置剖面Fig.13 Section of 02 working face

4 結 語

特厚易自燃煤層綜放工作面末采收作質量對綜放大型設備能否安全回撤有著至關重要的影響。為加快工作面設備回撤速度，收作工作面及時封閉，消除采空區自燃發火隱患，經過數值模擬和現場實踐應用，總結出一套適用于特厚易自燃煤層綜放工作面末采收作頂板管理和貫通層位控制合理有效的技術保障方案，為煤礦相似條件下工作面末采收作提供很好的借鑒。