綜采工作面回撤巷道支護技術優化研究

文/楊 康

安全、快速回撤綜采工作面，直接關系到礦井的安全生產，以及產量和效益的提升。山東能源棗莊礦業集團付村煤業有限公司3上1007工作面上覆巖層的載荷，由液壓支架及回撤通道支護結構體共同承載，控頂范圍內頂板圍巖將承受較高覆巖載荷，頂板脫落的風險較大。針對這一問題，通過分析3上1007工作面回撤支架期間覆巖載荷，對3上1007工作面回撤方案進行了優化設計。

一、礦井概況

付村煤業有限公司3上煤層1007工作面平均埋深約為530m，煤層厚度5.35～5.77m，平均5.5m，屬中硬煤層；工作面走向推進長度約724m，傾斜長度175m，傾角平均7°；工作面直接頂為3.51m粉砂巖，隨采隨冒，基本頂為16.52m中砂巖。通過對3上1007工作面頂板在線壓力監測系統統計數據分析，結合現場觀測，在不考慮斷層和火成巖的情況下，工作面周期來壓步距在13～24m。

當3上1007工作面與其回撤通道貫通后，此時上覆巖層的載荷由液壓支架及回撤通道支護結構體共同承載，由于工作面及回撤通道控頂范圍長度為9.2m，平均采高為5.5m，控頂范圍內頂板圍巖將承受較高覆巖載荷。為保障工作面回撤支架期間的安全生產，需針對該條件下控頂范圍內頂板覆巖載荷大小及當前所采取的支護強度進行計算和驗算，同時需采取相應的技術措施消除頂板災害的風險，保證礦井的安全高效生產。

二、回撤巷道支護方案

3上10 07工作面回撤巷道凈寬高為4.0m×3.0m，掘進期間采用錨桿錨索聯合支護。其中頂板采用Ф18×2200mm的高強（Q500）預應力錨桿，每排5根，間排距為850×900mm；兩幫采用Φ18×2000mm的高強（Q500）預應力錨桿，每排4根，間排距為800×900mm；頂板補打錨索加強支護，每排施工3根錨索，間排距為1.2×2.4m，錨索由270K級7股鋼絞線制作，直徑17.8mm，長度7m，錨索預緊力不小于10t。

末采期間為保證撤架通道的頂板安全，一般需對回撤通道超前采取措施進行加強支護。

三、工作面回撤支架期間覆巖載荷分析

當3上1007工作面與回撤巷道貫通后，覆巖頂板壓力受覆巖結構的應力影響，老頂巖塊斷裂位置對回撤通道圍巖的穩定性影響較為明顯。

1.老頂在停采線后方斷裂

老頂在停采線后方斷裂后，發生回轉下沉。老頂觸矸前，覆巖載荷由工作面及回撤通道頂板承擔，此種情形對回撤通道頂板及幫部穩定性影響有限，常用的支護方式一般可以實現對回撤通道的穩定控制。

2.老頂在巷道上方斷裂

由于老頂在巷道上方已發生斷裂，支架回撤期間對其產生擾動，老頂破斷形成的巖梁發生回轉下沉，使得回撤巷道遭圍巖變形破壞進一步加劇，對回撤作業的安全開展造成不利影響。這種情況還可分為兩種類型。

（1）老頂斷裂位置處于煤壁附近。在頂板自重壓力作用下，頂板極易發生剪切破壞，此時頂板來壓強度大、速度快，礦壓顯現最為劇烈。

（2）老頂在回撤通道煤壁處斷裂。頂板在頂板自重壓力作用下發生變形，巖塊兩端分別受到煤壁與支架的支撐，回撤通道頂板產生彎曲下沉現象。此時頂板來壓強度有限。

為保證回撤作業安全進行，回撤作業時必須對其覆巖老頂破斷情況狀態進行預判，提前制定相應的安全技術措施，以規避周期來壓風險。

3.支架最小工作阻力計算

3上1007工作面老頂周期來壓步距為13～24m，且直接頂隨采隨冒。當3上1007工作面與回撤通道貫通時，假定老頂破斷距為24m（最大周期來壓步距）且老頂沿回撤通道中部破斷、老頂在采空區彎曲下沉而觸矸（存在未觸矸可能），控頂范圍內支架將承受覆巖一部分或全部重量；老頂下部一部分巖層為垮落帶，且與老頂上部巖層離層而未垮落。據此計算支架所需的最小工作阻力。

根據工程實踐經驗及已有理論計算公式，選取以下三種計算方法預估老頂斷裂時3上1007面頂板覆巖壓力。

（1）壓垮型冒頂荷載計算法。支架的工作阻力應能對工作空間及采空區上方垮落帶巖層重量進行支承，垮落帶高度可由下式求得：

式中，M為采高，取5.5m；

Kk為垮落帶巖層平均碎脹系數（未壓實前），取1.4。

可求解得垮落帶高度為13.75m。

經計算，可知選取老頂巖塊長度（周期來壓最小步距、周期來壓平均步距和周期來壓最大步距）分別為13m、18.5m及24m時，支架的工作阻力分別為：5848.79kN、7931.91kN及10015.02kN。

（2）載荷估算法。冒落帶巖層厚度約為3倍采高，在考慮矸石壓實率及一定的富裕系數的基礎上，取5倍的采高進行計算，支架的工作阻力為7202.2kN。

（3）實測統計法。經我國近30年來的實測統計，參照由煤科院提出的煤炭行業標準的綜采工作面支護強度下限，經計算可知，支架的工作阻力應大于6580kN。

取上述三種計算方法結果最大值，可知工作阻力應不小于10015.02kN。目前液壓支架工作阻力為9000kN，較最不利條件下支架所需最小工作阻力小。

4.支架初撐力核算

為了保證直接頂不與老頂離層，必須使直接頂巖梁兩端處于固支狀態。這時，在最小控頂距狀態下，支架初撐力必須滿足以下條件：

（1）支架初撐力能平衡支架上方直接頂巖梁重量；

（2）支架后端的初撐力能平衡采空區上方將要被切斷的那段直接頂懸頂巖重；

（3）支架初撐力所產生的主動力矩能平衡工作空間上方及采空區上方直接頂巖梁所產生的力矩。

經核算可知，支架的初撐力應不小于2277.7kN。即：當3上1007工作面與回撤通道貫通后，應確保液壓支架最小初撐力不小于2277.7kN，才能防止直接頂與老頂離層。

四、綜采工作面回撤巷道加強支護方案

當3上1007工作面與回撤通道未貫通前，回撤通道發生大變形或者老頂破斷引起的控頂范圍圍巖大變形，應采取如下技術措施。

1.加強礦壓監測

包括工作面礦壓和支架回撤通道圍巖的變形監測，以及時掌握頂板周期來壓步距、工作面超前支承壓力和通道變形狀況，為回撤通道安全提供技術依據。

2.回撤通道頂板加強支護方案

（1）回撤通道頂板考慮補打錨索。在現有錨桿（索）支護的基礎上，進行二次錨索加強支護。具體措施為：錨索規格為Φ21.6×7000mm配合300×300×15mm球形托盤，用3卷Z2550型的中速樹脂藥卷錨固，保證加強支護后錨索的間排距為1200×1600mm，錨索預緊力為10t。

（2）對頂板采用單體支柱配合頂梁進行加強支護。此方案可按目前礦初步確定的加強支護中的1棚4柱方式進行。

3.非回采煤幫的加強支護方案

回撤通道高度要求比較大，這樣煤幫的穩定性十分重要，必須進行二次加強支護。

（1）通道起底前，在煤幫進行補強錨索支護。錨索每2排布置2根錨桿，可考慮用鋼帶連接；錨索規格為Φ21.6×5000mm配合300×300×15mm球形托盤，用2卷Z2550型的中速樹脂藥卷錨固；錨索間距為1.5mm，上距頂板1.0m，下距底板0.5m；錨索預緊力為10t。

（2）回撤通道起底后，在起底范圍內補打錨桿和錨索。布置方式和加強支護一樣，但錨桿要加大錨固長度。

五、結論

付村煤業有限公司3上1007工作面老頂斷裂主要分為以下兩種情形：其一是老頂在停采線后方斷裂，常用的支護方式一般可以實現對回撤通道的穩定控制。其二是老頂在巷道上方斷裂。由于老頂在巷道上方已發生斷裂，支架回撤期間對其產生擾動，巖塊極易發生回轉運動，圍巖變形破壞進一步加劇，威脅回撤作業的安全開展，則應在回撤支架期間制定相應的加強支護技術措施，主要包括回撤端支護形式及強度、回撤通道煤壁及頂板加強支護的技術參數等，以確保安全、快速回撤綜采工作面。