特厚頂煤預掘回撤通道動壓擾動支護技術研究

張 鑫

(山西西山晉興能源有限責任公司， 山西 呂梁 033602)

隨著采煤工藝的日趨成熟和采煤設備的更新?lián)Q代，綜采放頂煤工作面回采時間縮短，搬家倒面越發(fā)頻繁。一個采煤面回采至停采線需要盡快回撤設備，通常采用預掘回撤通道技術提高回撤效率，但由于回撤通道提前掘出會受到末采期間來自工作面的動壓影響，使回撤通道礦壓顯現(xiàn)強烈，嚴重的甚至會廢棄，給回撤工作帶來很大的難度，因此合理選擇回撤通道位置與支護方案，成為回撤收尾工作順利完成甚至采煤銜接交替正常進行的關鍵技術。

目前，回撤通道預掘技術在薄煤層、中厚煤層取得了成功的應用，尤其在沿空成巷無煤柱開采技術中具有技術優(yōu)勢，能產生較好的經濟效益，但在綜采放頂煤工作面的應用卻很少[1-5]. 通過對斜溝煤礦23112回撤通道礦壓變化情況進行研究，采用“躲壓+抗壓”的聯(lián)合防治強礦壓措施進行礦壓控制。

1 工程概況

23112工作面位于21采區(qū)南翼，上部為18112采空區(qū)，東西部均為實煤區(qū)，工作面埋藏深度為121～269 m，與8#煤層層間距約為54.56 m，可采走向長度為2 819.4 m，傾向長度為242.4 m. 煤層普式系數(shù)大于2，屬中硬煤層。煤層厚度平均為14.44 m，上覆直接頂為泥巖，厚度為3.74 m，基本頂為灰白色的細粒砂巖，厚度為6.8 m.

2 回撤通道設計方案

傳統(tǒng)的巷道礦壓控制方法多以“抗壓”為主，此法常不能獲得滿意的護巷效果。后來逐漸發(fā)展了“讓壓”、“躲壓”和“卸壓”等新的巷道礦壓控制原理，使巷道礦壓控制的措施和手段更為靈活和多樣化。這些原理和相應的措施目前已得到廣泛的應用[4,6]，但由于每種礦壓控制原理各有利弊，故有時兩種原理也配合使用，以取得更為理想的護巷效果。

考慮到特厚頂煤回撤通道地質條件的特殊性，采用“躲壓+抗壓”的聯(lián)合措施，選擇地應力較低的地段和方向布置回撤通道；其次結合以往綜放工作面收尾回撤經驗，將回撤通道與工作面布置呈一定角度，實現(xiàn)逐步與回撤通道貫通，減少頂板跨度過大地段；最后采用高強度、高預應力的錨桿(索)支護，以滿足末采期間持續(xù)抵抗強礦壓的需要。

結合同采區(qū)相鄰工作面地應力測試結果，23112工作面回撤通道布置在距21輔運上山199.9 m的位置，與23112材料巷呈91°，見圖1.

圖1 回撤通道布置圖

3 末采礦壓數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)斜溝煤礦23112綜放工作面的地質條件，建立FLAC3D數(shù)值模擬彈性模型，模型尺寸為長280 m×寬30 m×高85 m，在模型上表面施加10.53 MPa均布載荷，其余面施加位移約束。該次模擬研究對象為回撤通道圍巖，設置開挖步距為5 m，共開挖20 m. 利用摩爾庫倫準則，模擬回撤通道圍巖在工作面末采期間的應力、位移變化情況，得出應力的變化規(guī)律，結合此規(guī)律，對回撤通道采用針對性的補強支護措施。

23112回撤通道未受末采動壓影響時初始垂直應力、位移分布見圖2. 從圖2可以看到，垂直應力集中分布在回撤通道頂幫交界處，工作面幫側以壓應力為主，煤柱幫側以拉應力為主；回撤通道工作面幫的圍巖位移呈現(xiàn)“拋物線”型帶狀分布。

圖2 23112回撤通道初始垂直應力、位移分布圖

3.2 末采礦壓結果分析

隨著工作面的開采，23112回撤通道圍巖進入末采動壓影響期，垂直應力分布、圍巖位移分布分別見圖3，圖4.

圖3 23112回撤通道受末采動壓垂直應力分布圖

圖4 23112回撤通道受末采動壓圍巖位移分布圖

1) 垂直應力分析。

從圖3中可以看到，當工作面回采至距回撤通道15 m時，在煤壁前方產生了明顯的超前支承壓力，回撤通道工作面幫開始出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象；當工作面回采至距回撤通道10 m時，煤壁前方的超前支承壓力有所減弱，部分應力發(fā)生了轉移，而回撤通道工作面幫的應力集中現(xiàn)象得到了加強；當工作面回采至距回撤通道5 m，煤壁前方的超前支承壓力和回撤通道工作面幫的應力均有較大程度地減弱，大部分應力轉移到了采空區(qū)和周圍煤巖體；當工作面與回撤通道貫通時，煤壁前方的超前支承壓力和回撤通道工作面幫的應力都轉移到了采空區(qū)和周圍的煤巖體。

2) 圍巖位移分析。

從圖4中可以看到，當工作面回采至距回撤通道15 m時，回撤通道圍巖位移并未發(fā)生明顯變化；當工作面回采至距回撤通道10 m時，回撤通道煤柱幫頂角處開始出現(xiàn)較大位移；當工作面回采至距回撤通道5 m時，回撤通道圍巖均產生了較大位移；當工作面與回撤通道貫通時，回撤通道上方出現(xiàn)劇烈礦壓顯現(xiàn)。

4 支護參數(shù)設計及效果分析

4.1 支護參數(shù)設計

根據(jù)數(shù)值模擬結果，采用“強幫強頂”的方案抵抗末采動壓影響。通道斷面設計為倒梯形，上頂寬4.9 m，下底寬4.4 m，巷道高3.6 m，采用錨網索的聯(lián)合支護形式，頂部錨桿采用d22 mm×2 600 mm的高強度螺紋鋼錨桿，錨索采用d21.6 mm×12 000 mm的鋼絞線；幫部錨桿采用d20 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，錨索采用d21.6 mm×3 500 mm的鋼絞線，見圖5.

圖5 回撤通道斷面設計圖

4.2 支護效果分析

為掌握回撤通道在末采至貫通期間的圍巖變形特征及巷道支護效果，采用十字布點法對巷道圍巖的變形破壞特征進行觀測。該次觀測共布置6個觀測點，觀測從回撤通道開始貫通到完全貫通圍巖變形穩(wěn)定期間的圍巖變形破壞。

1) 頂?shù)装逡平坑^測數(shù)據(jù)分析。

23112回撤通道頂?shù)装逡平孔兓€見圖6.從圖6中可以看出，頂?shù)装逡平吭诠ぷ髅嬲w與回撤通道貫通后走向基本達到穩(wěn)定，27#支架、43#支架、61#支架、67#支架、73#支架、109#支架處的觀測點頂?shù)装逡平糠逯捣謩e為910 mm、1 120 mm、1 350 mm、1 420 mm、1 170 mm、1 120 mm. 由于工作面采用機頭→機尾的逐段方式與回撤通道貫通，各觀測點的最大變形速率均在距貫通10 m處開始呈現(xiàn)逐段顯現(xiàn)，最大變形速率達到405 mm/d.

圖6 頂?shù)装逡平孔兓€圖

2) 兩幫移近量觀測數(shù)據(jù)分析。

23112回撤通道兩幫移近量變化曲線見圖7. 從圖7中可以看出，兩幫移近量在工作面整體與回撤通道貫通前10 m出現(xiàn)劇烈變化，27#支架、43#支架、61#支架、67#支架、73#支架、109#支架處的觀測點兩幫移近量峰值分別為60 mm、68 mm、90 mm、109 mm、78 mm、110 mm. 其中，工作面中部和機尾段的最大變形速率分別達到41 mm/d、23 mm/d. 此外，工作面采用機頭→機尾的逐段方式與回撤通道貫通，對兩幫移近量無明顯影響。

圖7 兩幫移近量變化曲線圖

綜合頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平繑?shù)據(jù)分析結果，可得出回撤通道圍巖變形規(guī)律：相較掘巷支護初期受掘進開挖影響，貫通階段的圍巖處于劇烈變形階段，通過支護結構與圍巖的二次耦合調整，在經歷強礦壓之后，變形最終趨于平緩。

5 結 論

1) 結合特厚頂煤回撤通道地質條件的特殊性，采用“躲壓+抗壓”的聯(lián)合措施控制礦壓?；诖怂悸?，選擇地應力較低的地段和方向布置回撤通道，通道采用倒梯形斷面，并選用高強度、高預應力的錨桿(索)支護，增加了對頂板、兩幫的控制強度。

2) 特厚頂煤預掘回撤通道在收尾期間受動壓擾動影響，圍巖變形破壞特征是頂肩和幫角產生應力集中，隨后部分超前支承壓力開始轉移到回撤通道應力集中區(qū)，形成應力二次疊加，超出圍巖強度極限，圍巖開始產生劇烈變形；伴隨著圍巖的進一步變形破壞，應力繼續(xù)重新分布，造成回撤通道圍巖礦壓顯現(xiàn)強烈。

3) 現(xiàn)場實踐表明，采用“強幫強頂”方案設計的回撤通道抵抗住了末采動壓的影響，表面位移變化范圍正常，較以往回撤通道圍巖變形破壞有了較大程度地減弱，高強度、高預應力的錨桿(索)支護作用顯著，保證了巖層的整體性，有效地控制了圍巖變形破壞，回撤前期僅需對巷道底板進行拉底硬化即可滿足回撤作業(yè)的需求，提高了回撤效率。