馬脊梁8216 綜放工作面停采優化設計研究

高 宇，張 倩

（晉能控股集團有限公司，山西 大同 037000）

0 引 言

復雜條件下，綜放工作面末采上覆巖層破斷前的大面積板狀懸頂狀態、邊界條件、板結構斷裂活化規律等與綜放工作面的正常放煤階段上覆巖層斷裂運動失穩特征緊密聯系，但又具有其自身的特點和規律；末采停放距離與停采煤柱寬度過大，雖然末采安全程度和大巷穩定性相對較高，但是造成煤炭資源的大量浪費。若末采停放距離過小，回撤通道上方頂煤裂隙極度發育、支架后上方頂煤滑移垮落，勢必導致回撤空間頂煤的穩定性大大降低且難以安全控制，十分不利于工作面支架順利回撤；若工作面停采煤柱過小，煤柱處于采場超前支承壓力的高應力區且與巷道圍巖支承壓力疊加，雙支承壓力疊加導致盤區大巷圍巖顯著增載，當疊加應力超過了大巷支護結構體的最大承載能力，盤區大巷塑性區大范圍擴張，大巷出現頂板顯著下沉和底板嚴重鼓起等礦壓顯現，嚴重影響礦井安全順利生產。在多煤層開采條件下覆巖大范圍內的巖層必定出現聯動惡化，尤其在厚煤層綜放開采條件下對本工作面末采圍巖穩定和停放距離和停采煤柱寬度產生異常影響。由此可見，復雜條件下綜放面停采大斷面圍巖穩定及末采停放距離和停采煤柱寬度優化研究，對于提高煤炭資源回收率、促進末采安全且有效維護大巷穩定具有重要科學意義。

1 停采空間結構及分區特征

停采大斷面回撤通道及覆巖結構區別于傳統的開拓巷道、準備巷道及回采巷道及相應的覆巖結構，所以需要分析停采大斷面的空間結構特征及支護原理，為停采支護參數優化提供依據。馬脊梁礦綜放工作面停采時通常采用自掘回撤通道，包括回撤通道區和支架支承區兩大部分，如圖1 所示，斷面寬度約為10 m。綜放面停采空間的支護包括回撤通道和支架區的頂板支護。根據停采空間圍巖狀況和撤架工藝，設計綜放面停采空間支護分區包括：回撤通道區頂板需要相對強支護，因為該區域是支架回撤的關鍵通道區，所以需要確保在支架回撤之前及回撤期間是穩定的；液壓支架區頂板相對弱支護，因為支架回撤之后，支架區域的頂板不能大面積懸頂，所以需要隨采隨垮，但依然需要一定的承載能力，否則垮落的頂板緊貼支架，易導致支架難以拉出撤離；回撤通道前方煤體采用常規的錨桿與網共同支護，一是需要護表支護，二是需要一定的支護強度，不發生較大面積片幫。從覆巖結構角度來看，停采空間處于上覆穩定的基本頂懸臂梁保護之下時為最安全狀態，要滿足該狀態，需要在工作面剛推過斷裂線后開始停支架，實際中，以工作面周期來壓剛結束為停架標準，接著施工回撤通道[1-5]。

圖1 綜放面停采空間特征示意圖

2 工程試驗背景

2.1 工作面概況

8216 工作面開采石炭系3 號煤層，設計走向長度2 517 m，傾向長度180 m。煤層傾角2°，煤層最大厚度6.23 m，最小厚度4.37 m，平均厚度5.30 m，煤厚變異系數為11.5%，屬于穩定煤層。工作面直接頂巖性為高嶺巖、炭泥巖、細砂巖等，以石英為主，長石次之、節理裂隙不發育、含水性較強；基本頂為粗砂巖、礫巖、高嶺巖，以石英為主，節理裂隙率低，砂體膠結致密，穩定性較好。工作面選用MG300/700WD 型采煤機，機采高度3.2 m，放煤高度2.1 m，采放比為1∶0.65。共布置ZF12000/23/35 型放頂煤液壓支架115 架，ZFG10450/26/40H 型過渡支架7 架，ZTZ20900/25/45 型端頭支架1 架。

2.2 工作面原停采及支護方法

1）停放距離。工作面原只停放不鋪網階段距離最小約為20 m，鋪網階段距離約15 m，共計35 m。

2）停采空間支護。如圖2 所示，原停采支護方案具體將停采空間分成兩部分，一是支架上方頂板支護方案，即4 排8 m 頂板錨索+1 排墩錨索+雙層金屬網+工字鋼梁。二是回撤通道的頂板支護方案，即4 排8m 頂板錨索+墩錨索+雙層金屬網+工字鋼梁，相同點是錨索的長度均為8 m，不同點是回撤通道的頂板追加了墩錨索（1 組3 根錨索，間距6 m）進行加強支護。

圖2 工作面回撤通道原支護圖

3）煤柱幫支護。實體煤幫為錨桿+金屬網支護，采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規格為φ20 mm×2 400 mm。

4）停采時間。末采階段，從鋪網到最終形成回撤通道所用時間約為24 d。

3 推引錨固—內嵌錨托增效型不對稱支護技術

3.1 推引錨固控制技術

整體推引錨固，內置錨固劑推引裝置、底部固定槽，可實現錨固劑與錨索的整體互聯推送，將推與引結合，剛度大易安裝，從而實現高效錨固。傳統的無約束推送錨固方式，存在多次安裝、安裝時易堵塞鉆孔、安裝工序繁瑣、支護時間長、工人勞動強度大等制約特大斷面停采空間支護技術發展的關鍵難題，而推引錨固裝置有利于錨索錨固位置到達孔底，使錨索有效長度增長，較之無約束推送錨固，推引錨固裝置在很大程度上提高了支護效果，推引錨固技術的引入，能夠成功解決大斷面停采空間存在的上述難題。推引錨固技術與傳統錨固技術的效果對比分析如圖3 所示。

圖3 整體推引錨固與傳統錨固對比

3.2 頂板內嵌錨拖增效型錨固技術

停采空間的支架支撐區支護體錨具，一般是外露形式，會造成支架帶壓移架時受其影響。外露錨具作為障礙物使得支架移動受阻；同時，支架的帶壓移動經常損壞錨具托盤，使支護體的支護力銳減，甚至導致區域支護系統失效，造成帶壓移架時支護體完全失效而發生頂板突然下沉，壓死支架從而造成支架無法移出，造成撤架頂板危險，影響撤架速度。

如圖4 所示，為了克服錨具外露的諸多弊端，研發了停采大斷面支架支撐區頂板錨拖（錨具和托盤）內嵌增效型錨固新方法，采用推引錨固技術安裝錨固劑與錨索，頂煤采用擴孔鉆頭形成內嵌槽，槽深度以錨索的錨具和托盤能內嵌到槽內不影響移架和損壞錨具為準。因此，內嵌錨托型錨固方法使得錨具與托盤內嵌頂板煤體內，有效解決了外露錨固體阻礙帶壓移架及支架反復支撐移架連鎖損壞錨固體而導致移架受阻與支護系統失效難題。

圖4 內嵌錨托對比錨具外露的優越性

3.3 支護預應力場確定合理支護強度

為確定推引錨固—內嵌錨托增效型不對稱合理支護參數，通過FLAC3D數值模擬軟件1∶1 模擬停采大斷面空間支護體是否可形成整體支護結構，由此建立錨桿、錨索和各自對應的托盤模擬單元，分析常用型號錨桿索的16 種組合形式，由支護預應力場的強度和連續性確立了最佳支護方案。根據預應力場的對比即可體現出支護分區、分級和非對稱的特點，結果如圖5 所示。

圖5 各類支護方案預應力場對比的最佳方案

回撤通道頂板錨索的預應力場控制范圍大且高預應力區連通，效果優于支架區頂板的。從預應力場的整體角度看，支架區頂板、回撤通道區頂板及煤幫支護預應力場實現了基于停采大斷面屬性的分區與分級非對稱優化控制效果。

從模擬上構建支護方案的三維應力場等勢面，如圖6 所示，可以看出支架頂板上方形成的三維應力場從范圍和體積上弱于回撤通道區的頂板預應力場，達到了頂板的分級非對稱支護的目的。同時，回撤通道側幫煤壁處的三維應力場在淺部圍巖密集且強度較大，對煤壁的淺表支護強而有效。綜合停采空間支護二維應力切片和支護體的三維預應力場效果，優化的分區與分級非對稱支護方案達到了所需求的支護效果。

圖6 綜放面停采空間分區分級的非對稱支護預應力場

4 停采空間支護參數優化

1）停止放煤時期將20 m 不鋪網停放距離優化為5 m。

2）回撤通道形成期間的支護方案如圖7 所示，停采空間推引錨固—內嵌錨托增效型不對稱支護為支架頂板、回撤通道頂板和通道煤壁側的分區支護，在所用支護物長度及級別上進行劃分。具體參數：①支架頂板：采用3 排錨索支護，參數為φ17.8 mm×4 500 mm，間排距為1 500 mm×1 800 mm，采用推引錨固技術安裝錨固劑與錨索，頂煤采用擴孔鉆頭形成內嵌槽，槽深度以錨索的錨具和托盤能內嵌到槽內不影響移架和不損壞錨具為準，并輔以鋼筋梯子梁（4 200 mm×16 mm）連接；②回撤通道頂板：采用三排錨索支護，其參數為φ17.8mm×6 300 mm，間排距為1 500 mm×1 200 mm，采用推引錨固技術安裝錨固劑與錨索，采用W 型鋼帶(4200 mm×280 mm×4 mm)和托盤（250 mm×250 mm×16 mm）；③回撤通道煤幫：采用3 排錨桿，參數為φ18 mm×1 700 mm，間排距1 500 mm×1 000 mm，采用W 型鋼帶（400 mm×220 mm×3 mm）和托盤（150 mm×150 mm×10 mm）；④停采空間護表整體性：設計采用整體的聚氨酯網支護整個停采空間，包括從支架后方拖入底板大于1 m 到整個支架頂板和回撤通道頂板，再到回撤通道側幫煤壁，形成護表整體網。

圖7 停采空間推引錨固—內嵌錨托增效型不對稱支護參數

3）撤架期需對撤架作業的區域進行掩護作業，根據實際的回撤通道寬度，設計采用2 臺端頭的支架進行跟隨掩護，保障作業人員在這2 臺支架掩護下作業，最大程度上保障作業區頂板的穩固。

4）為防止支架撤離后，頂板發生突然的垮落，設計橫錯搭接木垛進行緩沖支護，減小下落頂板的位移量，從而減緩整體頂板對即將撤離支架的壓力，保障支架實現依次順序撤架。

5 方案實施效果

推引錨固—內嵌錨托增效型不對稱支護技術實施后，對8216 工作面停采工藝各個環節進行了全方位的優化：①停止放煤時期將20 m 不鋪網停放距離優化為5 m，多回收了15 m 的頂煤；②采用整體聚氨酯網替換金屬網，實現全空間僅需一次掛網、高質高效；③支架支撐區支護采用推引錨固技術，實現高質增效；同時配置內嵌錨托解決移架受阻、錨具損壞、支護力銳減支護失效難題，實現錨索長度由8 m優化為4.5 m，并減少1 排錨索的打設；④回撤通道頂板支護同樣采用推引錨固技術，實現高質增效，錨索長度由8 m 優化為6.5 m，減少1 排錨索的打設并取消墩錨索；⑤回撤通道煤幫支護采用與頂板同張聚氨酯網，形成整體頂幫護表支護；⑥整個停采空間推引錨固- 內嵌錨托增效型不對稱支護方案實現減少740 根8 m 錨索使用，等于減少近6 000 m 鉆孔量；⑦最終停采僅用了10 d，停采時間減少了14 d。

6 結 論

推引錨固—內嵌錨托增效型不對稱支護技術在燕子山煤礦C3 號層8216 綜放工作面停采期間進行了工程應用，在保障安全生產的前提下，優化了停采及支護方案，取得了顯著的綜合經濟效益，單個工作面可節約材料費及施工費28.3 萬元，工作面停采階段減少14 d，由此多回收的煤炭資源超過10 萬t，效益超6 000 萬元。