綜采工作面回撤通道圍巖變形規(guī)律研究及其控制技術(shù)

王 彪

1 工程概況

南凹寺煤業(yè)有限公司在對3#煤進(jìn)行開采時，發(fā)現(xiàn)煤層的基本厚度為6.2m，煤層整體的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定、簡單。30405 的開采面傾向長度和走向長度分別為170m 和1140m，工作面已經(jīng)回采1050m，進(jìn)入末采階段，須采取合適的支護(hù)方式對回撤通道圍巖進(jìn)行控制，以保證工作面末采階段的安全回采及工作面設(shè)備的安全回撤。

2 回撤通道圍巖的現(xiàn)狀監(jiān)測及變形情況分析

為掌握30405 工作面回撤通道變形特點，在30403 工作面回采期間，當(dāng)回撤通道、工作面相距110m 時，對回撤通道圍巖表面的變形進(jìn)行觀測，一直到工作面、回撤通道之間貫通。采用收斂計監(jiān)測巷道中兩幫、頂板出現(xiàn)的位移量，回撤通道內(nèi)共布置5 個監(jiān)測點，監(jiān)測點之間的間距為50m。監(jiān)測點布置如圖1 所示。

圖 1 測點布置示意圖

整個觀測期間，工作面回撤通道圍巖變形情況如圖2 所示。圖2 結(jié)果顯示，兩幫、巷道形成的位移量趨同，可分為以下三個階段：（1）回撤通道、工作面之間的距離105～38m，頂板下沉量為4.67～7.48mm，幫部移近量為8.57～10.25mm，圍巖呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，工作面回采動壓對回撤通道產(chǎn)生的直接影響較小。（2）回撤通道、工作面相距38～8m，頂板下沉速率為6mm/d，幫部移近速率為5mm/d，回采動壓對通道會產(chǎn)生較大影響，頂板和兩幫位移量較大，但圍巖變形處于可接受范圍內(nèi)，回撤通道能夠正常使用。（3）回撤通道、工作面的距離8～0m，頂板下沉量為324.18～779.48mm，下沉速率最大值為350mm/d，幫部移近量為8.57～10.25mm，移近速率最大為110mm/d。受到采動劇烈影響，巷道圍巖變形明顯，巷道斷面嚴(yán)重收縮，回撤通道無法保證正常生產(chǎn)運(yùn)行。通過分析可知：30403 工作面在和回撤巷道的距離達(dá)到0～10m 時，在回撤通道內(nèi)會發(fā)生劇烈變形。因此，在30405 工作面回撤通道的設(shè)計支護(hù)方案中，應(yīng)充分考慮上述因素。

根據(jù)圖2 監(jiān)測結(jié)果顯示，伴隨著回采工作的進(jìn)行，相比于回撤通道斷面1、5 測點，斷面2、3、4測點中，其幫部的移近量、頂板出現(xiàn)的下沉量相對較大，可知：回撤通道中部圍巖位移量較兩端大。在將工作面、回撤巷道實現(xiàn)貫通以后，兩端圍巖形式見圖3（a），頂板整體性良好，煤幫側(cè)出現(xiàn)了輕微的變形，回采側(cè)呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)下沉，回撤通道變形量輕微，能夠?qū)崿F(xiàn)對工作面搬家需求。另外，中部的圍巖所對應(yīng)的破壞形式見圖3（b），頂板整體出現(xiàn)了下沉，實體煤幫側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)擠，回撤通道斷面損失約40%，存在冒頂?shù)娘L(fēng)險，無法正常使用。因此，在設(shè)計回撤通道支護(hù)結(jié)構(gòu)的過程中，中部的區(qū)域必須要加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度。

圖 2 回撤通道圍巖變形情況

圖 3 回撤通道圍巖變形示意圖

3 工作面末采階段形成的礦壓與圍巖穩(wěn)定技術(shù)

3.1 停采讓壓

停采讓壓是指在回采過程中，回撤巷道與34050 對應(yīng)的工作面貫通前，為了實現(xiàn)對34050 工作面基本頂周期來壓步距的改變，對回采速度進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，在合理位置停采實現(xiàn)貫通前的最后來壓，將上覆巖層所形成的壓力向采空區(qū)轉(zhuǎn)移，降低頂板和實體煤側(cè)的垂直方向的應(yīng)力，確保圍巖整體穩(wěn)定。

工作面停采讓壓示意圖如圖4 所示。工作面將要與通道貫通時，若頂板長時間無來壓，需要不斷繼續(xù)施工推進(jìn)。在貫通時，在圖4 斷裂1 和斷裂2 位置處極有可能發(fā)生來壓，實體煤上方以及通道可能斷裂，導(dǎo)致回撤通道支架的載荷加劇，巷道發(fā)生劇烈變形。若實施停采讓壓，有助于發(fā)揮掩護(hù)式支架和間隔煤柱的切頂作用，促使工作面基本頂斷裂。回撤通道貫通后，未采工作面基本頂?shù)目缇嗯c來壓步距相比較小，頂板來壓問題將不會再次發(fā)生，回撤通道頂板巖層的穩(wěn)定性良好，變形得到了有效控制。

圖 4 工作面停采讓壓示意圖

停采讓壓的關(guān)鍵在于確定讓壓位置。在停采讓壓時，若煤柱過寬，極有可能導(dǎo)致基本頂再次斷裂，導(dǎo)致冒頂事故的發(fā)生。若讓壓位置科學(xué)合理，能夠使基本頂在合適位置斷裂，不會再次來壓[1-3]。針對停采讓壓位置的選擇，需要考慮到讓壓間隔煤柱的影響，煤柱對應(yīng)的寬度數(shù)值公式計算如下：

D ≥le

式中：

D-讓壓間隔對應(yīng)的煤柱寬度，m；

km-煤柱穩(wěn)定系數(shù)，取值為1.2；

R1-煤壁塑性形成的破壞深度，m；

R2-煤幫塑性破壞深度，m；

le-工作面周期形成的來壓步距，m。

在推進(jìn)180m，距離回撤通道25m 時，通過計算分析支架觀測數(shù)據(jù)，得到基本來壓步距數(shù)值為15.5m。據(jù)此可知：回撤通道與煤柱的寬度之和應(yīng)在15.5m 之上，煤柱寬度大于10.6m。在工作面生產(chǎn)過程中，對應(yīng)的讓壓停采工作應(yīng)該在距離回撤通道13m 處進(jìn)行，進(jìn)行掛網(wǎng)處理，停采一段時間后，繼續(xù)進(jìn)行工作，在正式貫通之前的5～6m 的位置，變回出現(xiàn)頂板壓的現(xiàn)象，繼續(xù)推進(jìn)至貫通，未出現(xiàn)再次來壓，表明停采讓壓措施科學(xué)合理。

3.2 支護(hù)方式優(yōu)化

南凹寺煤礦原綜采工作面中，構(gòu)建的回撤通道以往采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行第一次圍巖支護(hù)，將垛式支架安裝在回撤通道內(nèi)進(jìn)行第二次支護(hù)強(qiáng)化?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，原有支護(hù)方法無法實現(xiàn)對圍巖變形的有效控制，頂板下沉量過大，回撤通道中部圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形。故本次對回撤通道支護(hù)方式作出如下調(diào)整。

（1）垛式支架。確保支架支撐力滿足頂板的支撐要求，在工作面采動影響下，垛式支架的支撐作用主要表現(xiàn)為對頂板下沉的支撐，支護(hù)關(guān)鍵點在于降低工作阻力，以此減小頂板的下沉量。

（2）錨桿錨索支護(hù)。工作面、通道實現(xiàn)貫通時，需要將回采幫中的煤體全部采空處理。若采用螺紋鋼作為錨桿，無法起到良好的支護(hù)、強(qiáng)化效果，還容易對采煤機(jī)造成損害。因此，使用玻璃鋼錨桿替換螺紋鋼錨桿，將錨桿間排距設(shè)定為0.8m×0.9m，在頂板部位增加一根錨索，原本垂直方向打設(shè)的錨索需要調(diào)整為傾斜15 度，間排距設(shè)置為1.9m×2.0m，預(yù)緊力由原來的80kN 增加至140kN?；爻吠ǖ纼啥隋^索按照“四三四”布置，回撤通道中部每排布置四根錨索，并且使用左旋無縱筋螺紋鋼，此種錨桿的規(guī)格為Φ18mm×2400mm，間排距設(shè)置為1.0m×1.0m。調(diào)整后的支護(hù)方式如圖5 所示。

4 應(yīng)用效果監(jiān)測與分析

為了實現(xiàn)對支護(hù)方式以及停采讓壓位置的評價，現(xiàn)場觀測圍巖位移的情況，觀測結(jié)果如圖6所示。回撤通道貫通前，頂板和實體煤幫的位移量相近，貫通后，回撤巷道幫部最大位移量為120mm，頂板最大下沉量為200mm。與之前相比，變形量顯著降低，內(nèi)部的安全性得到有效提高，滿足相關(guān)工作的既定要求。

圖 5 回撤通道中完成支護(hù)的斷面

圖 6 回撤通道中圍巖具體的變化