綜放工作面末采期間頂板及設(shè)備撤出巷控制技術(shù)研究

郎軍 郭璋 韓偉

摘要：針對(duì)綜放工作面單通道設(shè)備撤出巷支護(hù)問(wèn)題，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及結(jié)合以往工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)伊泰京粵酸刺溝礦業(yè)有限責(zé)任公司6_上115綜放工作面設(shè)備撤出巷支護(hù)相關(guān)事項(xiàng)進(jìn)行了研究總結(jié)，結(jié)果表明：合理的支護(hù)方式，可以對(duì)末采期間巷道破壞進(jìn)行有效控制，6_上115綜放工作面的順利貫通，驗(yàn)證了支護(hù)設(shè)計(jì)的可行性和適用性。

關(guān)鍵詞：綜放工作面;設(shè)備撤出巷;數(shù)值模擬;支護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD327.2;TD823.97文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）11-0086-05

我國(guó)煤炭開(kāi)采已從淺部逐漸進(jìn)入深部開(kāi)采階段。由采高增加而導(dǎo)致的采動(dòng)壓力顯現(xiàn)越來(lái)越突出，尤其是工作面回撤巷道將經(jīng)受動(dòng)壓的嚴(yán)峻考驗(yàn)。酸刺溝煤礦6_上煤煤層的埋深達(dá)到251m以上，其上覆基巖層結(jié)構(gòu)、受采動(dòng)影響的運(yùn)動(dòng)及破壞有其自身特點(diǎn)，12.6m綜放工作面的回采對(duì)上覆基巖的擾動(dòng)更加強(qiáng)烈，頂板控制困難，而頂板控制是確保工作面安全順利貫通的基礎(chǔ)，但針對(duì)特殊地質(zhì)條件還需作進(jìn)一步研究?？焖侔峒壹夹g(shù)的關(guān)鍵在于能否保持回撤通道的穩(wěn)定，合理地選擇末采期間回撤通道支護(hù)方式是礦井實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。因此，本文結(jié)合酸刺溝煤礦具體地質(zhì)和生產(chǎn)條件，綜合采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，確定設(shè)備撤出巷合理礦壓控制和支護(hù)技術(shù)，確?；爻钒踩?/p>

1工作面概況

酸刺溝井田位于鄂爾多斯大型構(gòu)造盆地東北緣的準(zhǔn)格爾煤田，6_上115工作面位于井田一盤(pán)區(qū)南翼最東部，工作面走向2754m，傾向254.6m，工作面埋深251m。采用單一走向長(zhǎng)壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化采煤法，采高3.8m，煤層平均厚度12.6m。直接頂為灰白色粗粒砂巖，老頂為灰白色一灰色礫巖、中粗粒砂巖及少量泥巖。直接底為灰色泥巖、灰白色中一粗粒砂巖，半堅(jiān)硬。末采回撤采用單通道設(shè)備撤出巷，規(guī)格5.6m×4.2m。

2頂板穩(wěn)定性分類(lèi)

巷道錨桿錨索支護(hù)范圍內(nèi)的巖層結(jié)構(gòu)特征直接影響到支護(hù)效果，礦用巖層鉆孔窺視儀可以直觀地反映鉆孔內(nèi)巖體不連續(xù)面、離層等情況，為支護(hù)設(shè)計(jì)、圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。本次設(shè)備撤出巷窺視鉆孔設(shè)置在距膠運(yùn)順槽10m、60m、120m、180m和240m處，共設(shè)5孔分別窺視，鉆孔直徑28mm，鉆孔深度15m，布置如圖1所示。

窺視結(jié)果分析：觀測(cè)范圍內(nèi)頂煤厚度變化不大，基本在5.3-7.9m之間。6_上115工作面設(shè)備撤出巷直接頂為灰白色粗粒砂巖，在3.5-6.1m之間。老頂為中粗粒砂巖及少量泥巖（在2#、3#孔內(nèi)有約1m左右的泥巖）。頂板巖體完整性良好，基本沒(méi)有裂隙。

物理力學(xué)試驗(yàn)試樣采用探水鉆機(jī)鉆取，鉆進(jìn)方向與水平方向夾角成45°，鉆進(jìn)長(zhǎng)度30m，取芯直徑80mm。通過(guò)巖芯鉆取得出，該處煤層厚度在11.5m，平均煤芯采取率為29.5%，平均巖芯采取率為95.8%。

將煤層的地質(zhì)鉆孔資料和窺視鉆孔資料及物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于煤層頂板穩(wěn)定性預(yù)測(cè)系統(tǒng)，由頂板預(yù)測(cè)結(jié)果可得，頂板類(lèi)型屬于Ⅲ類(lèi)。

3周期來(lái)壓步距

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是一種最直接、最有效的巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究方法。礦壓監(jiān)測(cè)從工作面距離設(shè)備撤出巷100m時(shí)開(kāi)始，布置5個(gè)測(cè)站，分別監(jiān)測(cè)6#、40#、70#、105#、140#支架的工作阻力，分別對(duì)每個(gè)測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，根據(jù)實(shí)測(cè)所得支架工作阻力的變化計(jì)算工作面來(lái)壓步距，工作面不同位置周期來(lái)壓步距如表1所示，平均周期來(lái)壓步距為25.2m。

4數(shù)值模擬分析

選用FLAC-3D計(jì)算軟件分析工作面回采對(duì)設(shè)備撤出巷圍巖的應(yīng)力及變形量的影響，為設(shè)備撤出巷支護(hù)方式選擇、支護(hù)參數(shù)確定提供參考。

4.1模型建立

本次數(shù)值模擬以酸刺溝煤礦6_上115工作面為計(jì)算模型，模型塊體的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾一庫(kù)侖準(zhǔn)則。采深為251m，煤厚12.6m，采高3.8m。模型高71m，長(zhǎng)136m，寬100m，各巖層的力學(xué)參數(shù)采用試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，模型建立如圖2所示。

4.2模擬方案

支護(hù)方法即采用6_上115設(shè)備撤出巷預(yù)想支護(hù)方案。具體方法是：煤層從距設(shè)備撤出巷80m開(kāi)始開(kāi)采，末采期間取6個(gè)階段進(jìn)行分析，距離設(shè)備撤出巷依次為30m、20m、15m、10m、5m、0m。在計(jì)算的過(guò)程中，對(duì)設(shè)備撤出巷頂板及兩幫煤巖體內(nèi)豎直應(yīng)力以及位移的變化進(jìn)行分析。

4.3模擬結(jié)果分析

當(dāng)巷道開(kāi)挖后，巷道圍巖內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，巷道頂板的塑性區(qū)范圍為3.0m，底板的塑性區(qū)范圍為1.5m，兩幫的塑性區(qū)范圍為2.0m，如圖3所示。設(shè)備撤出巷回采幫垂直應(yīng)力分布曲線分別如圖4所示。巷道開(kāi)挖引起圍巖垂直應(yīng)力重新分布，在巷道頂?shù)装甯浇纬纱怪睉?yīng)力降低區(qū)。頂板中部2m范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力幾乎為0，兩幫垂直應(yīng)力基本呈對(duì)稱(chēng)分布，在1.5m范圍應(yīng)力降低，1.5～2.Orm范圍是應(yīng)力平衡區(qū)，2.0m以外垂直應(yīng)力升高，峰值位于2.5m處，為9.7MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.9。

水平應(yīng)力分布曲線如圖5所示。頂板2.5m范圍以外水平應(yīng)力逐漸升高，兩幫中部在2.0m范圍內(nèi)應(yīng)力很小，隨著煤體向深部延伸，水平應(yīng)力逐漸升高，在5.0m范圍以外水平壓力逐漸趨于穩(wěn)定。

末采期間，當(dāng)工作面距離設(shè)備撤出巷30m時(shí)，設(shè)備撤出巷受采動(dòng)影響并不明顯。

如圖6～9所示，當(dāng)工作面距離設(shè)備撤出巷20m時(shí)，設(shè)備撤出巷受采動(dòng)影響明顯，巷道圍巖變形破壞開(kāi)始加劇。超前支承壓力峰值為15.2MPa，在工作面前方3～4m范圍內(nèi)。受采動(dòng)影響，設(shè)備撤出巷附近的垂直應(yīng)力峰值增大到14.4MPa，距左幫3m。較巷道開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生的垂直應(yīng)力集中增大48.5%，峰值所處位置向左側(cè)擴(kuò)展0.5m。

當(dāng)工作面距離設(shè)備撤出巷15m時(shí)，超前支承壓力峰值為15.5MPa，在工作面前方3-4m范圍內(nèi)。垂直應(yīng)力峰值增大到15.7MPa，距左幫3.5m。峰值所處位置向左側(cè)擴(kuò)展0.5m。頂板塑性區(qū)和右?guī)退苄詤^(qū)已經(jīng)連接。底板的塑性區(qū)范圍變化不大，兩幫的塑性區(qū)范圍變化不明顯。

當(dāng)工作面距離設(shè)備撤出巷10m時(shí)，超前支承壓力峰值為18.9MPa，在工作面前方3.5m處。垂直應(yīng)力峰值增大到18.9MPa，距回采幫4.0m。煤柱幫出現(xiàn)應(yīng)力集中，峰值為15MPa，說(shuō)明設(shè)備撤出巷煤柱幫同樣受到工作面超前支承壓力的影響。兩幫的塑性區(qū)范圍明顯不一致，回采幫塑性區(qū)范圍為4.0m，并且已經(jīng)和工作面前方塑性區(qū)相互連接，煤體大部分都已經(jīng)遭到破壞。

當(dāng)工作面距離設(shè)備撤出巷5m時(shí)，超前支承壓力已經(jīng)轉(zhuǎn)移到設(shè)備撤出巷煤柱幫，與巷道圍巖應(yīng)力相互疊加作用，峰值大小為17.5MPa，設(shè)備撤出巷頂板的塑性區(qū)范圍為5.0m，并目頂板回采幫塑性區(qū)明顯大于煤柱幫。

當(dāng)工作面距離設(shè)備撤出巷0m，即貫通時(shí)，超前支承壓力與巷道圍巖應(yīng)力相互疊加，峰值為17.6MPa，在距右?guī)?.5m處，較巷道開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生的垂直應(yīng)力集中增大81.4%。設(shè)備撤出巷頂板煤體已經(jīng)完全遭到破壞，靠近工作面處頂板破壞深度甚至延伸到上面的老頂粗砂巖。煤柱幫的塑性區(qū)范圍為3.5m，并且已經(jīng)和巷道頂板塑性區(qū)連接，形成一個(gè)巨大的矩形塑性區(qū)。

如圖10所示，末采期間，隨著工作面的推進(jìn)，與設(shè)備撤出巷的距離逐漸縮短，巷道附近的應(yīng)力也發(fā)生了一系列的變化，由最初的9.7MPa逐漸增長(zhǎng)到18.9MPa，當(dāng)工作面距離設(shè)備撤出巷10m時(shí)，巷道附近應(yīng)力值到達(dá)最大。

通過(guò)數(shù)值模擬研究設(shè)備撤出巷在末采期間受采動(dòng)影響的規(guī)律可知：

1）在工作面逐步推進(jìn)，逐漸接近設(shè)備撤出巷過(guò)程中，巷道圍巖的塑性區(qū)范圍也是逐漸擴(kuò)大。頂板在末采期間的變形破壞嚴(yán)重，靠近煤壁側(cè)的頂板破壞深度更深;巷道兩幫，在超前支承壓力的作用下，圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)。

2）設(shè)備撤出巷在貫通后的巷道只有頂?shù)装搴兔褐鶄?cè)幫部，在數(shù)值模擬過(guò)程中，隨著工作面推進(jìn)，超前支承壓力移動(dòng)，頂板和煤柱幫的塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，并且互相發(fā)展，形成了巷道右上部的大面積塑性破壞。綜上兩點(diǎn)，認(rèn)為設(shè)備撤出巷圍巖支護(hù)的“主控部位”應(yīng)當(dāng)為頂板和右?guī)停疵褐鶐汀?/p>

3）工作面貫通后，設(shè)備撤出巷頂板塑性區(qū)范圍到達(dá)7m，靠近煤壁側(cè)的頂板破壞深度更深，煤柱幫塑性區(qū)范圍達(dá)到3.5m。因此，設(shè)備撤出巷頂板錨桿（索）長(zhǎng)度至少要超過(guò)7m，頂板靠近煤壁側(cè)的錨索施工時(shí)應(yīng)向煤柱幫偏離一個(gè)角度，煤柱幫錨桿（索）長(zhǎng)度至少超過(guò)3.5m。

4）通過(guò)工作面采動(dòng)對(duì)設(shè)備撤出巷影響的數(shù)值模擬可知，工作面距離設(shè)備撤出巷30m時(shí)，采動(dòng)對(duì)設(shè)備撤出巷圍巖穩(wěn)定影響不大;工作面距離設(shè)備撤出巷20m時(shí)，采動(dòng)對(duì)設(shè)備撤出巷圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生影響;工作面距離設(shè)備撤出巷15m時(shí)，采動(dòng)對(duì)設(shè)備撤出巷圍巖穩(wěn)定影響較大。為了保證末采順利貫通與設(shè)備撤出巷穩(wěn)定，當(dāng)工作面距離設(shè)備撤出巷30m時(shí)，停止放煤;當(dāng)工作面距離設(shè)備撤出巷15m時(shí)，工作面開(kāi)始鋪設(shè)高強(qiáng)度聚酯纖維柔性網(wǎng)。

5錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)

為了精確測(cè)試錨桿錨索受力情況，在6_上115設(shè)備撤出巷布置了3個(gè)頂板壓力傳感器和礦用本安型監(jiān)測(cè)儀測(cè)站，在錨桿錨索測(cè)力儀器安裝后，錨桿初撐力為2.8t，錨桿受力平穩(wěn)，受工作面采動(dòng)影響后，錨桿受力迅速增大，最大值為4.7t，之后受力曲線又保持平穩(wěn)。錨索初撐力4t，錨索受力平穩(wěn)，受工作面采動(dòng)影響后，錨索受力迅速增大，最大值為9.8t，之后受力曲線又保持平穩(wěn)。錨桿錨索受力在設(shè)備撤出巷貫通前保持穩(wěn)定，在即將貫通時(shí)錨索受力突然增大，錨桿受力也有增大趨勢(shì)，但沒(méi)有發(fā)生破斷現(xiàn)象。

6深基點(diǎn)位移數(shù)據(jù)分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際和試驗(yàn)研究的需要，設(shè)備撤出巷布置3個(gè)深基點(diǎn)位移測(cè)點(diǎn)。深基點(diǎn)儀器采用鷹眼式結(jié)構(gòu)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠直接反映巷道圍巖的變化情況，為巷道支護(hù)優(yōu)化方案提供重要實(shí)踐依據(jù)。

在深基點(diǎn)設(shè)備安裝后，隨著回采工作面的推進(jìn)，工作面沒(méi)有靠近之前，頂板圍巖位移量很小，之后受采動(dòng)影響，位移量迅速增加，0-1m范圍內(nèi)出現(xiàn)了40mm的位移量，1～2m范圍內(nèi)出現(xiàn)了20mm的位移量，2-4.8m范圍內(nèi)出現(xiàn)了40mm的位移量，4.8～10m范圍內(nèi)出現(xiàn)了20mm的位移量，總共出現(xiàn)了120mm的位移量。這表明107主回撤受采動(dòng)影響礦壓現(xiàn)象劇烈，主要位移集中在0-1m和2-4.8m范圍內(nèi)，如圖11所示。

7設(shè)備撤出巷支護(hù)參數(shù)

綜合礦壓規(guī)律、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究結(jié)果，提出設(shè)備撤出巷的支護(hù)參數(shù)為：頂板每排8根φ20x2200mm左旋螺紋鋼錨桿+w鋼帶，排距1400mm;3根φ21.6x12000mm錨索，排距1400mm。煤柱幫每排5根φ20x2200mm左旋螺紋鋼錨桿+w鋼帶，排距700mm;回采側(cè)幫每排5根φ20x2000mm玻璃鋼錨桿，加木托盤(pán)，排距700mm。待工作面受采動(dòng)影響平穩(wěn)后再次對(duì)設(shè)備撤出巷進(jìn)行支護(hù)，根據(jù)多次實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，貫通前三個(gè)月開(kāi)始支護(hù)效果最好。支護(hù)方式為：頂板每排之間補(bǔ)打3根φ21.6x12000mm錨索，間排距與原錨索支護(hù)方式相同。煤柱幫每排補(bǔ)打3根φ18.9x6300mm錨索，加w鋼帶，排距1500mm，距底板900mm，如圖12所示。設(shè)備撤出巷口（輔、膠運(yùn)側(cè)）使用雙根焊接11#礦用工字鋼+21.6x12000mm錨索支護(hù)，錨索排距1000mm，施工11排。輔、膠運(yùn)順槽（設(shè)備撤出巷開(kāi)口）回采側(cè)20m，煤柱側(cè)10m范圍，分別使用11#礦用工字鋼+21.6x12000mm錨索支護(hù)，錨索排距1000mm。支護(hù)完畢后對(duì)頂板采用雙抗塑料網(wǎng)片進(jìn)行護(hù)頂，防止貫通時(shí)托盤(pán)掉落。外部支護(hù)手段采用工作阻力22000kN的垛式支架，布置兩排。

8結(jié)語(yǔ)

通過(guò)礦壓監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬、理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究手段，得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)6_上115綜放面液壓支架受力監(jiān)測(cè)分析，得出了工作面周期來(lái)壓步距范圍為20～30m，平均周期來(lái)壓步距約25.2m。

2）通過(guò)數(shù)值模擬研究設(shè)備撤出巷在末采期間受采動(dòng)影響的規(guī)律可知，工作面貫通時(shí)，設(shè)備撤出巷頂板塑性區(qū)范圍到達(dá)7m，靠近煤壁側(cè)的頂板破壞深度更深，煤柱幫塑性區(qū)范圍達(dá)到3.5m。因此，設(shè)備撤出巷頂板錨桿（索）長(zhǎng)度至少要超過(guò)7m，煤柱幫錨桿（索）長(zhǎng)度至少超過(guò)3.5m。

3）根據(jù)數(shù)值模擬中設(shè)備撤出巷的礦壓規(guī)律，為了保證末采順利貫通與設(shè)備撤出巷穩(wěn)定，當(dāng)工作面距離設(shè)備撤出巷30m時(shí)，停止放煤;當(dāng)工作面距離設(shè)備撤出巷15m時(shí)，工作面開(kāi)始鋪網(wǎng)。網(wǎng)片采用高強(qiáng)度聚酯纖維柔性網(wǎng)。

4）6_上115設(shè)備撤出巷頂板錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，錨桿受力最大值為4.7t，錨索初撐力4t，錨索受力最大值為9.8t，錨桿錨索受力在設(shè)備撤出巷貫通前保持穩(wěn)定，在即將貫通時(shí)錨索受力突然增大，錨桿受力也有增大趨勢(shì)，但沒(méi)有發(fā)生破斷現(xiàn)象。

5）通過(guò)綜合研究，最后確定了設(shè)備撤出巷的合理支護(hù)方案。