薄基巖破碎頂板工作面回撤通道穩定性及控制研究

王中州，李嬌嬌，秦賓賓，陳 浩，呂 凱

（1.河南能源化工集團焦煤公司 寶雨山煤礦，河南 伊川471300；2.河南工業和信息化職業學院，河南 焦作454000；3.中國礦業大學（北京）能源與礦業學院，北京100083；4.河南能源化工集團焦煤公司 趙固二礦，河南 輝縣453634）

工作面收尾回撤設備是煤礦生產接替的1個重要環節[1]。不同于正?；夭晒ぷ髅?，回撤通道具有回撤空間斷面大、設備密集、工序復雜、與后方采空區緊密相鄰的特殊性，回撤通道的合理留設和支護是保證工作面設備安全快速回撤的必要條件[2]。尤其在薄基巖破碎頂板工作面，收尾期間易發生由覆巖整體切落造成的壓架和由頂板破碎造成的冒（漏）頂，影響設備安全順利回撤[3]。煤礦通常采用的回撤通道布置方法包括：預掘雙回撤通道[4－5]、預掘單回撤通道[6－7]和無預掘回撤通道[8]3種。其中，無預掘回撤通道技術因具有靈活選擇停采位置的優點而得到廣泛應用。在回撤通道的合理位置研究方面，楊仁樹等人定性分析了回撤通道上方基本頂斷裂線位置對回撤通道穩定性的影響并確定了回撤通道的合理位置[9]；馬祥和謝福星等人構建了回撤通道頂板結構力學模型并分析了液壓支架工作阻力變化規律[10－11]。在回撤通道支護技術理論研究方面，楊尚等人[12]建立了回撤通道頂板補強支護的錨固梁結構力學模型。此外，其他學者和相關研究人員對收尾工藝和支護技術也進行了有益探索和實踐[13－19]。但是，以上研究對無預掘回撤通道上方基本頂破斷和回轉變形對回撤通道影響的定量分析較少，且特殊地質和生產條件下收尾工藝和回撤通道圍巖控制研究匱乏。基于此，以趙固一礦薄基巖破碎頂板工作面為研究對象，定量分析基本頂斷裂線不同位置對回撤通道圍巖穩定性的影響，確定回撤通道的合理位置并提出有針對性地回撤通道擴刷和支護方案并進行現場驗證，應用效果良好。

1 工程背景

趙固一礦位于焦作煤田東部，主采山西組二1煤層，11271工作面位于礦井東部11采區，埋深為423.7～462 m，上覆基巖厚度為40～55 m，煤層厚度5.3～6.0 m，煤層平均傾角6°，煤層產狀穩定，頂底板巖性分布見表1。工作面采用分層傾斜長壁綜合機械化采煤法沿煤層頂板回采，頂分層設計采高3.5 m，工作面長度為195.5 m，傾向長度為797 m，采用126架ZF10000/20/38型液壓支架及6架ZFG10000/20/38型液壓支架支護頂板。

表1 頂底板巖性分布Table 1 The lithology distribution of roof and floor

采用ZKXG30礦用本安型鉆孔成像儀對趙固一礦11271工作面回采期間來壓和非來壓時液壓支架上方直接頂內部結構進行窺視，直接頂內部結構窺視圖如圖1。

圖1 直接頂內部結構窺視圖Fig.1 The view of internal structure of direct roof

11271工作面來壓時基本頂發生破斷和回轉變形，液壓支架上方直接頂受到基本頂和液壓支架擠壓，在0.5 m深處產生明顯裂隙，在4.3 m處發生嚴重破壞；非來壓時，直接頂孔壁完好，未見明顯破壞。由此可知，工作面來壓時直接頂較非周期來壓時破碎，工作面頂板控制難度大。

2 基本頂斷裂對支架載荷的影響

隨著工作面推進，基本頂發生周期性破斷和回轉變形，其不同位態必然造成工作面礦壓顯現程度不同。趙固一礦11271工作面具有推進速度快、開采強度較高、薄基巖和頂板破碎的特點，在工作面收尾期間，基巖上部厚松散層不易形成穩定結構，其自身載荷直接傳遞至基本頂巖層乃至液壓支架，容易造成壓架事故，影響工作面設備的安全回撤。

根據基本頂關鍵塊斷裂線和回撤通道空間位置的不同，可分為關鍵塊A、關鍵塊B斷裂線位于采空區上方、液壓支架上方、回撤通道上方和實體煤上方4種情況討論，基本頂斷裂線與回撤通道不同空間位置示意圖如圖2。

當關鍵塊A、關鍵塊B的斷裂線位于采空區上方，如圖2（a）。基本頂呈一端固支的懸臂梁結構，由于直接頂為不可自身平衡的巖體，此時液壓支架僅承受直接頂的自重載荷，由式（1）計算可得：

圖2 基本頂斷裂線與回撤通道不同空間位置示意圖Fig.2 The schematic diagram of different spatial positions of basic roof fracture line and retracement channel

式中：Q1為液壓支架載荷，MPa；d為液壓支架控頂距，m；A為液壓支架寬度，m；h為直接頂厚度，m；ρ為直接頂密度，t/m3；g為重力加速度，m/s2。

關鍵塊A、關鍵塊B斷裂線位于液壓支架上方、回撤通道上方和實體煤上方時，如圖2（b）、圖2（c）和圖2（d）。關鍵塊B破斷后發生回轉，對直接頂產生擠壓作用，直接頂將自重載荷和基本頂回轉產生擠壓力傳遞至液壓支架，液壓支架載荷增大，容易造成壓架。此時，液壓支架承受基本頂給定變形壓力和直接頂自重。周期來壓期間直接頂處于較為破碎狀態，直接頂可看作基本頂與液壓支架擠壓壓實的過程，應力和應變關系滿足式（2）：

式中：σ為直接頂應力，MPa；λ為直接頂壓實系數，GPa；ε為直接頂應變；n為直接頂壓實指數。

直接頂擠壓過程應變表達式為[20]：

式中：x為基本頂距斷裂線距離，m；θ為基本頂給定變形回轉角，（°）；θ1為直接頂下沉回轉角，（°）。

直接頂合力M計算公式為：

式中：a為直接頂巖塊寬度，m；l為直接頂巖塊長度，m。此時液壓支架載荷Q2為：

綜合式（1）～式（5）可知，回撤通道液壓支架載荷Q為：

根據趙固一礦11271工作面實際情況，液壓支架控頂距d取值5.2 m，液壓支架寬度A取值1.43 m，直接頂厚度h取值4 m，為直接頂密度ρ取值2.5 t/m3，直接頂壓實系數λ取值1 GPa，直接頂壓實指數n取值3，基本頂給定變形回轉角θ取值7.5°，直接頂巖塊寬度a取值1.43 m，直接頂巖塊長度l取值15 m?；卷敂嗔丫€與回撤通道空間位置不同時，基本頂對液壓支架上方直接頂的擠壓程度不同導致直接頂下沉回轉角不同，液壓支架載荷與直接頂下沉回轉角之間的關系如圖3。

圖3 液壓支架載荷與直接頂下沉回轉角度關系圖Fig.3 The relationship between hydraulic support load and sinking return angle of basic roof

在基本頂“給定變形”的情況下，隨著斷裂線位置從工作面前方實體煤內向液壓支架后方采空區運移，基本頂和液壓支架對直接頂的擠壓程度逐漸緩和，θ和θ1之間差值逐漸減小，液壓支架載荷逐漸降低，直至斷裂線到液壓支架后方且工作面上方和前方基本頂尚未發生斷裂，此時液壓支架載荷最小。

在圖2（b）和圖2（c）情況下，如果液壓支架初撐力不足或者回撤通道支護不及時，容易造成基本頂關鍵塊B整體滑落失穩，動載荷增加，液壓支架載荷瞬增，尤其在回撤液壓支架期間，頂板出現大面積懸露，滑落失穩的危險性進一步增加。圖2(d)中由于斷裂位置位于實體煤上方，關鍵塊B回轉也會對回撤通道煤壁產生擠壓作用，造成煤壁大變形和片幫。

當基本頂斷裂位置在采空區上方時，工作面頂板結構相對穩定，液壓支架承受的載荷最小，將回撤通道布置在該位置有利于圍巖的控制和設備的安全順利回撤。

基本頂斷裂位置在采空區上方需滿足工作面周期來壓步距大于回撤通道寬度和液壓支架長度之和，即：

式中：L為周期來壓步距，m；μ為富余系數，通常取0.2～0.3；b為回撤通道寬度，m；c為液壓支架總長度，m。

通過查閱資料和現場調研，趙固一礦11271工作面周期來壓步距為15 m，回撤通道寬度為2.5 m，液壓支架的長度為6.645 m，富余系數取值0.3，計算可知15 m＞11.138 5 m。11271工作面可滿足基本頂斷裂位置在采空區上方，達到安全順利回撤設備目的。

因此，11271工作面基本頂斷裂線位于采空區上方時為布置回撤通道的合理時機。

3 控制對策和技術

合理的回撤通道位置可以保證收尾期間液壓支架載荷處于最小狀態。同時，為保證回撤設備過程的安全順利，還需要配套合理的收尾工藝和支護方法。

3.1 控制難點及對策

趙固一礦煤層賦存環境具有基巖薄和頂板破碎的特點，工作面回撤通道圍巖控制的難點具有其獨特性：①基本頂及上覆巖層回轉“給定變形”造成的擠壓力通過直接頂傳遞到液壓支架上，如果擠壓力使頂板下沉量超過液壓支架活柱的可縮量，會造成壓架；②液壓支架前方回撤通道頂板暴露的面積大，加之頂板較破碎，極易造成回撤通道頂板冒（漏）頂；③液壓支架撤走后，上方頂板暴露面積增大，基本頂沿工作面方向發生破斷和回轉，附近未回撤區域液壓支架載荷進一步增大；④回撤通道巷幫煤體強度較巖體低，整體性差，回撤通道頂板暴露面積大增加了巷幫的支承壓力，容易發生煤壁大變形和片幫，不利于液壓支架的順利回撤。

基于此，趙固一礦11271工作面回撤通道圍巖控制對策如下：①回撤通道的位置應布置在基本頂及上覆巖層結構比較穩定的位置，此時液壓支架承受載荷最??；②回撤通道的擴刷應避免采用機掘，以減少擴刷回撤通道對頂板和煤體的擾動影響；③加強液壓支架管理，保證液壓支架足夠的初撐力，防止頂板發生離層；④回撤通道及時支護，保證圍巖結構的整體性，提高圍巖結構的承載能力；⑤回撤設備期間，已回撤設備區域及時打木垛，以緩解未回撤設備區域頂板的應力集中和保證工作面通風；⑥回撤通道擴刷完畢后，基本頂上部載荷隨著時間推移傳遞至基本頂，基本頂載荷增加，有破斷和回轉變形風險，回撤通道擴刷完畢后，加快設備回撤速度。

3.2 擴幫方案

11271工作面回撤通道高3.5 m，寬2.5 m，采用上部人工風鎬擴幫、下部采煤機擴幫的臺階式擴幫工藝，人工擴幫施工示意圖如圖4。擴幫流程為：液壓支架架前頂板打錨索加固→上部人工擴刷→臨時支護→頂板永久支護→上部幫支護→采煤機擴刷下部→下部幫支護。

圖4 人工擴幫施工示意圖Fig.4 The schematic diagram ofmanual excavation retracement channel

1）人工擴刷回撤通道上部，每次開幫長度不超過4.5 m，分組平行施工作業時，每組間隔不少于15 m。上部幫嚴格按照“擴1排支1排”要求進行施工，臨時支護空頂距不大于300 mm，采用3.6 m長π鋼梁配合單體液壓支柱沿工作面架設傾向棚臨時支護頂板，一梁三柱。待回撤通道煤墻上部擴刷至支架頂梁2.5 m時，停止擴刷并對上部幫進行永久支護。

2）采煤機割下部幫并進行永久支護。

3.3 支護方案

根據趙固一礦11271工作面現場實際情況，回撤通道頂板采用槽鋼梁錨索配合柔性網進行永久支護，幫部采用無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿支護，回撤通道支護示意圖如圖5。

圖5 回撤通道支護示意圖Fig.5 The draw ing of support for retracement channel

回撤通道具體支護如下：

1）錨索規格φ21.6 mm×8 300 mm，采用4支Z2350型樹脂錨固劑錨固，預緊力不小于200 kN。間排距1 500 mm×600 mm，錨索角度與水平夾角75°。槽鋼梁長度3 600 mm。錨索墊板采用16 mm厚鋼板加工，規格200 mm×100 mm，墊板與槽鋼中間夾墊1塊200 mm×100 mm×50 mm木墊板。

2）幫部無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿規格φ20 mm×2 400mm，每根錨桿使用2支Z2350型樹脂錨固劑錨固預緊扭矩不小于300 N·m，間排距均為1 000 mm×1 000 mm。煤幫全斷面鋪設單層菱形網。

4 控制效果分析

4.1 數值分析

為分析上部人工風鎬擴幫、下部采煤機擴幫的臺階式擴幫工藝以及設計支護方案對回撤通道圍巖的控制效果，采用FLAC3D軟件構建長寬高分別為200 m×1 m×45 m的數值模型，模擬臺階式擴幫工藝和采煤機一次性擴幫工藝回撤通道塑性區分布及有無支護條件下回撤通道圍巖位移分布規律（圖6和圖7）。

圖6 不同擴幫工藝塑性區范圍分布Fig.6 The distribution of plastic zone in different processes

由圖6可知，對比回撤通道頂板和前方實體煤塑性區范圍，臺階式擴幫工藝的塑性區范圍小于采煤機一次性擴幫的塑性區范圍。采用人工擴幫可以降低采煤機割煤對頂板和前方煤體的擾動，對頂板和煤幫的快速及時支護，減少空頂范圍。

由圖7可知，對比回撤通道有無支護條件下回撤通道圍巖位移分布云圖，回撤通道上方頂板垂直位移等值線基本沿垂直方向分布，有支護條件下回撤通道上方頂板的最大垂直位移量為200 mm，無支護條件下回撤通道上方頂板的最大垂直位移量為290 mm；回撤通道前方實體煤幫在支護條件下的水平位移量基本為0，無支護條件下的水平位移量最大為100 mm，說明設計支護方案可有效減小回撤通道上方的頂板下沉和煤幫變形，保障回撤安全。

圖7 回撤通道位移云圖Fig.7 The displacement nephogram of w ithdrawal channel

4.2 現場應用效果分析

在工作面5#、33#、61#、94#、128#液壓支架處布置5個測站，監測開始擴刷回撤通道至回撤設備前液壓支架的活柱下縮情況、工作阻力和頂底板移近量，測站布置示意圖如圖8。

圖8 測站布置示意圖Fig.8 The layout of monitoring station

1）液壓支架活柱平均累計下縮量為119.6 mm。其中3#測站的活柱累計下縮量最大，在回撤支架前達到221 mm；5#測站的活柱累計下縮量最小，在回撤支架前僅為11 mm。

2）支架活柱平均下縮速率為0.4 mm/h，最大下縮速率4.2 mm/h；回撤通道擴刷完后至回撤設備前，支架活柱平均下縮速率0.2 mm/h，最大下縮速率0.8 mm/h，說明回撤通道擴刷完后至回撤設備前這一時期，頂板趨于穩定，支架活柱下縮速率減小。

3）液壓支架工作阻力變化較小，最大變化量僅為11.2 MPa，且呈現中部大，上下部小的分布規律，這是由于沿工作面面長方向，頂板形成梁結構，工作面中部礦壓顯現明顯。

4）采用十字布點法為5個測站位置的頂底板移近量進行觀測，頂底板移近量呈現中部高，上下部低的分布規律。頂底板平均移近量為188 mm，其中3#測站位置頂底板移近量最大，達到305 mm。

5 結 語

1）對比分析了基本頂斷裂線分別位于采空區上方、液壓支架上方、回撤通道上方和實體煤上方時液壓支架承受的載荷大小，指出基本頂斷裂線位于采空區上方時為布置回撤通道的最佳時機。

2）針對薄基巖破碎頂板煤層回撤通道圍巖控制的難點和對策，提出了回撤通道上部人工風鎬擴幫、下部采煤機擴幫的臺階式擴幫工藝及對應的支護方案，采用數值模擬手段分析了擴幫工藝和支護方案的合理性。

3）通過現場應用，收尾期間液壓支架活柱最大累計下縮量為221 mm，最大下縮速率為4.2 mm/h，工作阻力的最大變化量為11.2 MPa，頂底板的最大移近量為305 mm，滿足安全快速回撤設備的要求。