綜采工作面剛柔組合整體鋪網回撤支護工藝的研究

宋云龍

（山西馬堡煤業有限公司， 山西 長治 046300）

引言

設備回撤為工作面開采結束后的關鍵收尾工作，能夠安全、快速、順利地將設備從綜采工作面撤出是煤礦安全生產的要求和目標。但是，在實際設備回撤過程中由于綜采工作面頂板的來壓周期相對明顯，導致巷道頂板出現嚴重的下沉，進而導致工作面液壓支架被頂板的下壓巖層壓死，最終增加了液壓支架撤出的難度或導致液壓支架無法撤出。為保證液壓支架能夠從工作面安全、順利的撤出，需結合現場實際情況對待撤出設備的工作面和通道進行支護[1]。本文將著重研究綜采工作面剛柔組合整體鋪網回撤支護工藝，具體闡述如下。

1 工程概況

本文以涼水井煤礦42111 工作面為例開展回撤通道支護工藝的一系列研究，該煤礦的設計生產能力為每年4 Mt。42111 綜采工作面煤層的傾角范圍為0°～3°，對應煤層的平均厚度為3 m；煤層中含有一定的煤矸石，對應煤矸石的平均厚度為0.21 m。經探測，42111 工作面的頂底板情況如表1 所示。

表1 42111 工作面頂底板情況

2 工作面開采末期的礦壓規律分析

對回撤通道支護時，為確保液壓支架順利、安全的撤出，需對綜采工作面開采末期的礦壓規律進行全面掌握，確定是否能夠采用停采讓壓技術對工作面頂板的壓力進行釋放[2]。為此，針對42111 工作面建立有效的礦壓監測方案。根據42111 工作面的實際情況，分別在工作面多個液壓支架（編號為：3#、7#、12#、62#、67#、72#、122#、127#、132#）上安裝紅外壓力傳感器對礦壓規律進行監測，監測結果如表2所示。

表2 462111 工作面開采末期液壓支架來壓監測結果MPa

經對工作面液壓支架40 d 內來壓進行監測可知，462111 工作面在開采末期平均來壓為35 MPa；此外，對工作面現場觀察可知，在46111 工作面頂板周期來壓期間，工作面兩幫出現大面積的片幫問題，且在液壓支架掩護梁的位置處出現大面積的煤矸石。而且，當工作面推進的距離為采煤機推進步距的2～3 倍時，工作面頂板的變形減緩且對應支架掩護梁的煤矸石也相對減少[3]。因此，可以得出工作面頂板周期來壓的影響區域為2～3 倍的推進步距。

3 工作面回撤通道的支護設計

針對46111 工作面在開采末期工作面頂板周期來壓規律的監測分析，當對工作面設備進行回撤時需對通道進行支護。本文擬采用剛柔組合整體鋪網工藝對工作面回撤通道進行支護，具體支護參數設計如下。

3.1 纖維網鋪設間距的確定

對于傳統回撤通道的支護在采用錨桿支護的基礎上，采用菱形鐵絲網進行強化支護。但是，在實際支護實施過程中發現，菱形鐵絲網存在支護工序繁雜、安裝效率低、作業人員勞動強度大的問題。為解決上述問題，在錨桿支護的基礎上，針對回撤通道采用鋪設高強樹脂纖維網的方法進行強化支護。高強樹脂纖維網的支護效果在很大程度受制于纖維網的鋪設間距。纖維網鋪設間距的計算公式如式（1）所示：

式中：L1為46111 工作面回撤通道的寬度，L1=4 m；L2為液壓支架頂梁的實際長度，L2=4.6 m；L3為液壓支架掩護梁的長度，L3=4.1 m；L4為46111 工作面回撤通道的高度，L4=3 m；L5為安全高度，取L5=5 m；L6為工作面開采完畢后煤矸石壓纖維網的長度，取L6=10 m。

經計算可知，高強樹脂纖維網的鋪設距離為25.7 m，考慮到實際施工的便捷性，將其圓整為26 m。46111 工作面的長度為230 m，因此確定高強樹脂纖維網的長度為230 m+20 m（安全余量）=250 m。

3.2 錨桿支護參數的設計

待回撤通道完成鋪網操作后，采用錨桿+錨索對鋪網后的回撤通道進行支護。對于錨桿而言，其關鍵參數為錨桿長度和間距。

3.2.1 錨桿長度的確定

實際支護錨桿長度為錨桿的外露長度、錨桿支護的有效長度以及錨固長度的和。結合實際支護經驗，一般將錨桿的外露長度確定為0.15 m；對應錨桿的錨固長度為0.3～0.4 m。錨桿有效長度的計算公式如式（2）所示：

式中：B 為錨桿的有效長度；f 為46111 工作面煤層的硬度系數，取f=1.9；A 為液壓支架回撤通道的寬度，取A=4 m；H 為液壓支架回撤通道的高度，取H=3 m；φ 為 46111 工作面巖層的內摩擦角，取φ=44.2°。

經計算可知，回撤通道錨桿的有效長度為1.72 m；則錨桿的實際長度為0.15 m+1.72 m+0.3 m=2.17 m。為確保錨桿支護擁有一定的余量，最終確定錨桿的長度為2.4 m。

3.2.2 錨桿間距的確定

一般的，錨桿間排距應小于錨桿實際長度的一半。即錨桿的間距應小于1.2 m。結合以往對巷道的支護經驗，擬定錨桿間距為800 mm，錨桿排間距為800 mm。

3.3 支護效果驗證

為驗證剛柔組合整體鋪網對回撤巷道的支護效果，基于FLAC3D 軟件對原支護方案和剛柔組合整體鋪網支護方案對回撤通道圍巖控制效果進行對比分析[4]。根據46111 工作面實際情況，基于FLAC3D軟件建立數值模擬模型，并根據工作面巖層的力學參數對模型中的參數進行設置。針對兩種支護方案對回撤巷道圍巖控制效果進行全面分析，分別在模型中距離回撤通道口5 m（Ⅰ-Ⅰ剖面）、65 m（Ⅱ-Ⅱ剖面）、120 m（Ⅲ-Ⅲ剖面）、175 m（Ⅳ-Ⅳ剖面）以及235 m（Ⅴ-Ⅴ剖面）的位置對頂板的下沉量進行仿真模擬，具體仿真結果如圖1 所示。

圖1 兩種支護方案對回撤通道圍巖控制效果對比

分析圖1 可知，回撤通道在兩種支護方案下，在同一個剖面上距離停采線越遠，對應工作面頂板的下沉量越大；而在距離停采線相同距離的位置上，越深入回撤通道，對應頂板的下沉量越小；基于剛柔組合整體鋪網的支護方式對回撤通道圍巖的控制效果明顯優于原支護方式。結合剛柔組合整體鋪放支護方式，為提高回撤通道的控制效果及高強樹脂纖維網的施工效率和成本，可將剛柔組合整體鋪網支護在設備回撤通道的支護中應用[5]。

4 結論

1）綜采工作面開采完畢后需將其中的液壓支架安全、順利、高效的撤出，為了解決回撤通道支護不利導致的液壓支架回撤困難或無法回撤的問題，需加強對回撤通道的支護設計。

2）46111 工作面在開采末期巷道頂板對液壓支架具有明顯的周期來壓，其來壓步距為推進步距的2～3 倍。為保證46111 工作面液壓支架的順利回撤，采用剛柔組合整體鋪網支護方案對回撤通道進行支護。具體支護參數如下：高強樹脂纖維網的鋪設距離為26 m，鋪設長度為250 m；所采用錨桿支護的長度為2.4 m，錨桿間距為800 mm，錨桿排間距為800 mm。

3）經數值模擬分析可知，剛柔組合整體鋪網支護方案對回撤通道支護效果優于原支護方案。