高強立柱支護在葫蘆素煤礦雙回撤通道圍巖控制中的應用

郭 佳

(安徽省煤炭科學研究院，安徽 合肥 230001)

工作面開采結束后，回撤工作面設備是煤礦生產接替的重要環節[1]，回撤通道的有效支護和穩定是保證設備安全快速撤除的前提條件[2]。如果回撤通道支護方式和強度不合理，由于受到工作面動壓的影響，可能會發生冒頂和壓架事故，嚴重威脅著人員和設備的安全。

國內外眾多專家學者對工作面末采期間的礦壓特征和回撤通道的支護進行了研究。王中州等[3]針對薄基巖破碎頂板回撤通道，提出了擴幫和頂板錨索、煤幫錨桿聯合支護技術；趙振偉等[4]分析了大采高工作面回撤通道圍巖變形規律，優化了支護方式；谷拴成等[5]分析了末采期間剩余的煤柱受力情況，獲得了回撤通道兩側煤體應力變化規律；于憲陽等[6]分析了采動對煤幫的破壞及注漿重構技術；楊娟[7]研究了工作面推進速度對來壓的影響規律；呂坤等[8]對特厚煤層綜放面回撤通道的變形進行了研究，提出適當注入馬麗散加強回撤通道的支護；姚鑫磊[9]研究了化學注漿技術在回撤通道頂板切落事故中的應用。針對不同的地質和開采條件，形成了多種工作面回撤通道支護技術[10-15]。

相關研究雖然取得了一定的成果，但由于地質和開采條件的差異，以及末采階段動壓對回撤通道的擾動程度不同，導致回撤通道的穩定性控制依然存在難題。因此，本文以葫蘆素煤礦21102綜采工作面為背景，提出了回撤通道圍巖穩定性控制的新型支護方式，并在現場進行了試驗，取得了較好的回撤通道穩定性控制效果。

1 工作面與回撤通道概況

21102綜采工作面為葫蘆素煤礦首采工作面，位于葫蘆素井田2-1煤一盤區西部，工作面北部是為整個東翼服務的3條大巷，南部為葫蘆素煤礦五盤區，西部為21101工作面，東部為21103工作面。工作面長度320 m，推進長度4 150 m。工作面采深626.17～647.91 m。煤層傾角為1°～3°，煤層平均厚度為2.55 m，采高2.0～3.0 m，平均采高2.55 m。

21102工作面提前預掘雙回撤通道，主回撤通道寬度4.8 m，高度3.2 m，底板鋪底厚度0.2 m，鋪底混凝土強度等級C20；輔回撤通道寬度5.2 m，高度3.2 m，底板鋪底厚度0.2 m，鋪底混凝土強度等級C20，噴漿厚度80 mm；主輔回撤通道共布置4條聯絡巷，聯絡巷寬度5.2 m，高度3.2 m，底板鋪底厚度0.2 m，鋪底混凝土強度等級C20。

2 回撤通道圍巖支護方式

為保障工作面臨近終采線時回撤通道的穩定，回撤通道采取錨網索+雙排高強立柱支護方式。在回撤通道掘進期間，采取錨網索支護，在工作面臨近終采線時，采取施工雙排立柱支護。

2.1 錨網索支護

葫蘆素煤礦21102工作面回撤通道在采用掘進期間，采取錨網索支護保障通道的穩定性。頂板錨索φ21.6 mm×8 200 mm，間距1 800 mm；非回采側錨索φ17.8 mm×5 200 mm，距底板1 800 mm；螺紋鋼錨桿φ22 mm×2 400 mm，間距1 000 mm。回撤通道支護如圖1所示。

圖1 回撤通道支護示意Fig.1 Schematic diagram of supporting for withdrawal passage

2.2 高強立柱支護

21102工作面回撤通道高強立柱采用新型ZKD型高水速凝充填材料，其是一種新型雙料特種水泥混合材料，強度達到C15，即立柱承載材料大于15 MPa的配比。立柱外側為HDPE樹脂套管，目的在于提高立柱的圍壓。

該材料由甲料、乙料構成。甲料、乙料以質量比1∶1 配合使用。其中甲料是以硫鋁酸鹽水泥熟料為基材，與懸浮劑及少量超緩凝劑混磨而成，乙料是由石灰、石膏、懸浮劑和復合速凝早強劑等混磨而成。針對工作面采高大、充填體接頂相對困難的特點，選用袋裝凈漿材料進行充填，以使充填體接頂密實，充填體使用的水灰比確定為1∶1。

高強立柱的結構如圖2所示，現場應用如圖3所示。高強立柱內部充填速凝高強材料，其強度可達15 MPa，初凝時間3 h，終凝3～5 d。速凝材料灌注時需用聚酯隔水布做內襯，外加HDPE套管約束，后期在立柱外圍間隔200 mm用約束鋼帶箍筋，為防止歪倒，采用長1.5 m的樹脂錨桿與頂板錨索用卡扣連接，將樹脂錨桿與高強立柱澆筑成一體。

圖3 高強立柱現場應用Fig.3 Field application of high-strength column

3 高強立柱的強度驗算

當21102工作面臨近工作面前方的回撤通道時，建立的力學模型如圖4所示。圖4中，FAx為煤壁端水平約束力；FAy為煤壁端豎向約束力；MA為平面彎矩約束力；PC為高強柱支撐力；TB為巖梁斷裂端剪切力；q為上覆巖層施加載荷；l為巖梁在采空區懸露長度；hl為巷道高度；h為基本頂厚度；Δx為微位移；A為副幫頂板端點；B為正幫頂板端點；C為立柱頂中心點。

圖4 空巷內高強柱受力情況Fig.4 Stress of high-strength column in goaf

根據模型建立平衡方程式：

由∑Fx=0，可得∑FAx=0；由∑Fy=0，可得qL=FAy+PC-TB；由∑M=0，可得MA+PC(L-x)=qL2/2+TB/L。

3.1 立柱強度的驗算

按頂板冒落高度5 m(按一般冒頂高度)，高強柱間距1.8 m，則每個高強柱上方頂板作用力為220.5 kN，呈均布載荷。

根據高強立柱PC點載荷公式：

(1)假設當采煤機距離正幫還有1 m時，頂板巖梁長L=4.8 m，l=1 m；P點載荷RP=772.668 kN。按高強柱徑1.0 m計算，橫截面面積為0.785 m2，則高強柱強度至少需滿足0.98 MPa。

(2)假設當采煤機距離正幫還有5 m時，頂梁長L=4.8 m，l=5 m；P點載荷RP=2.207 MN。按高強柱徑1.0 m計算，橫截面面積為0.785 m2，則高強柱強度至少需滿足2.8 MPa。

(3)假設當采煤機距離正幫還有10 m時，頂梁長L=5.4 m，l=10 m；P點載荷RP=5.031 MN。按高強柱徑1.0 m計算，橫截面面積為0.785 m2，則高強柱強度至少需滿足6.4 MPa。

綜上可知，工作面頂梁及早斷裂，高強柱的受力越小，對支護越有利，建議做好斷頂卸壓工作。由計算可知，立柱承載強度超過6.4 MPa可滿足要求。

3.2 立柱間距的驗算

根據實驗測試，φ1 000 mm支柱的承載能力約為 11.4 MN，φ800 mm 支柱的承載能力約為7.4 MN。高強支柱數量與支護強度的關系如下：

P=(T1×m1+T2×m2)/S

式中，T1、m1分別為φ1 000 mm高強支柱的支護能力、數量；T2、m2分別為φ800 mm高強支柱的支護能力、數量；S為巷道頂板面積；P為支護強度。

如果打2排φ1 000 mm立柱，間距1.8 m，則支護強度P=2.63 MPa；如果打2排φ1 000 mm和φ800 mm立柱，間距1.8 m，支護強度P=2.17 MPa；如果打2排φ800 mm立柱，間距1.8 m，支護強度P=1.7 MPa。

實際上，回撤通道附近的控頂范圍不止5.3 m，在煤壁臨近5 m時就需要控頂，因此走向上控頂范圍需按10.1 m左右考慮。計算如下：如果打2排φ1 000 mm立柱，間距1.8 m，則支護強度P=1.25 MPa；如果打2排φ1 000 mm和φ800 mm立柱，間距1.8 m，支護強度P=1.03 MPa；如果打2排φ800 mm立柱，間距1.8 m，支護強度P=0.81 MPa。

根據礦壓監測，6～8 MN區間為28.2%，8～10 MN區間為65.3%，液壓支架額定阻力10 MN(約1.1 MPa)，即回采期間0.88～1.1 MPa的占65.3%，0.66～0.88 MPa的占28.2%。

綜上可見，考慮到回撤期間控頂停留時間較長，頂板的支護強度大于1.1 MPa即可。

當架設2排φ1 000 mm立柱、間距1.8 m時，考慮到錨桿索的初始支護0.1 MPa，則對頂板的支護強度為1.35 MPa的支護強度，基本可滿足要求。因此，建議架設2排φ1 000 mm立柱，間距1.8 m，排距1.2 m，可“三花”布置。

4 回撤通道圍巖控制效果

4.1 高強立柱的施工工藝

回撤通道采用的高強立體支柱的施工工藝：①用風鎬將巷道底板按直徑1.0 m、臥底深約100 mm，底板找平、防止立柱架設時歪斜；②將立柱橫截面內的頂板錨索的露頭與樹脂錨桿(長約1.5 m)用U型卡子固定連接好；③將聚酯隔水布筒(下端封口、直徑1.0 m)套入HDPE管內，將管體立直、扶正，并在上端用鐵絲與頂板網片固定好，樹脂錨桿在套管內部適當位置；④將輸料管路連接好，并在注料口用鐵絲將隔水布與管路扎好，采用ZBYS礦用雙液泵及配套的攪拌桶，將速凝材料的甲乙配料按1∶1比例混合，泵送入套管內。泵送過程中觀察上方接頂情況，泵壓的作用下聚酯隔水布自適應接頂；⑤采用風動鋼帶緊束設備，用寬度32 mm、厚1.2 mm的鋼帶，沿立柱從上到下每間隔200 mm束緊；⑥采用立柱防倒卡子將各個立柱連接，防止橫向歪倒。

高強支柱可以被采煤機割碎，用膠帶運出，作業的機械化程度高。高強支柱所用的材料為水泥灌漿，由遠端泵送到需要支護的區域，泵入充填袋中。充填袋是通過懸掛在頂板上形成一個空間來注滿水泥漿，從而形成支撐柱。高強支柱支護方式具有以下優點：①操作靈活，可在任意地點架設；②材料用量省，架設迅速，支護強度高；③采煤機可直接截割破碎立柱，無需工人處理；④由于立柱支護強度高，可將巷幫金屬網剪去，避免纏繞采煤機滾筒。

4.2 高強立柱支護應用效果

由于工作面回采過程中，工作面前方存在超前支承壓力，在工作面臨近回撤通道時，會對回撤通道產生擾動，造成回撤通道頂板垮塌，片幫、大范圍冒頂、甚至壓死支架等災害。因此，雙回撤通道在21102工作面回采期間預先掘進，并施工兩排高強立柱，如圖5所示。

圖5 雙排高強柱Fig.5 Double-row high-strength columns

該立柱支護強度高，可將巷幫金屬網剪去，避免纏繞采煤機滾筒。當采煤機臨近高強立柱時，可直接割碎高強立柱，無需工人處理，然后用膠帶運出。回撤通道在錨索網+高強支柱支護的條件下，回撤通道圍巖控制效果較好，現場觀察回撤通道變形量較小，取得了較好的控制效果(圖6、圖7)。

圖6 工作面揭露雙排高強立柱支護空巷效果Fig.6 Effect of double-row high-strength columns supporting goaf exposed in working face

圖7 采煤機割掉兩排高強立柱的效果Fig.7 Effect of shearer cutting off two rows of high-strength columns

5 結論

(1)為保證工作面臨近終采線和工作面設備回撤期間回撤通道的穩定性，提出了回撤通道圍巖穩定性控制的支護方式，即頂板長錨索+幫部中長錨索+錨桿+雙排高強支柱的支護方式。

(2)回撤通道高強支柱采用新型ZKD型高水速凝充填材料，內部充填速凝高強材料，強度可達15 MPa，為防止立柱歪倒，采用長1.5 m的樹脂錨桿與頂板錨索用卡扣連接，將樹脂錨桿與高強立柱澆筑成一體，立柱外側采用HDPE樹脂套管約束，并間隔200 mm采用約束鋼帶箍筋。

(3)工程實踐表明，回撤通道采用錨網索+高強支柱的支護方式，在工作面臨近終采線和設備回撤期間取得了較好的圍巖控制效果。