超長大采高綜采工作面末采回撤調(diào)壓關(guān)鍵技術(shù)研究

楊 征，徐 東，高明仕，薛曉強，張東昕

(1.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；(2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

綜采工作面在末采階段的圍巖控制和支護(hù)措施不合理，會使回撤通道的圍巖變形量顯著增大，不僅會延長工作面設(shè)備回撤的時間，并且回撤過程中的人員和設(shè)備安全也難以保障，嚴(yán)重影響礦井的安全和高效生產(chǎn)[1]。為此，楊尚[2，3]等研究了淺埋近距離煤層工作面末采階段等壓原理，實現(xiàn)了高家梁煤礦20314工作面末采階段的順利回撤；王曉振[4]等采用理論分析與現(xiàn)場實測的方法，對綜采工作面末采階段讓壓開采的原理及適用性進(jìn)行了研究；徐杰[5]等以塔山礦8110工作面為背景，研究了大采高綜放工作面末采的合理停采位置；鄭緒坤[6]通過優(yōu)化撤架通道、停采線位置、回撤通道斷面形狀及尺寸，實現(xiàn)了霍爾辛赫煤業(yè)有限公司3210工作面的順利回撤；李東奎[7]對復(fù)合頂板條件下綜采工作面末采回撤支護(hù)、鋪網(wǎng)、回撤通道留設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，優(yōu)化了末采支護(hù)工藝，確定了合理末采位置。舒湊先[8]等研究了深部重型綜采面快速回撤技術(shù)，提出并實施了長距離多聯(lián)巷快速回撤方案；楊仁樹[9]等以趙莊礦5310工作面回撤通道為工程背景，研究了特殊條件下大采高工作面設(shè)備快速安全回撤；谷拴成[10，11]等通過研究回撤通道保護(hù)煤柱應(yīng)力分布及其影響因素，對保護(hù)煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行了合理優(yōu)化；王博楠，黃榮賓[12，13]以神南礦區(qū)為背景，研究了回撤通道圍巖變形破壞機理和應(yīng)力分布規(guī)律，并提出回撤通道圍巖變形控制方法；王志剛[14]在末采期間通過對回撤通道補強支護(hù)以及采取等壓及讓壓措施，實現(xiàn)了工作面設(shè)備的快速回撤。韓龍[15]以補連塔煤礦22303綜采工作面為背景，通過預(yù)留一定尺寸的等壓煤柱進(jìn)行停采讓壓，有效控制了工作面貫通時的來壓。

綜上所述，雖然以上學(xué)者對末采回撤進(jìn)行了研究，但對于超長大采高綜采工作面的末采回撤研究還較少。超長大采高工作面頂板垮落高度大，工作面傾向空頂面積大，頂板易破碎，末采回撤掛網(wǎng)作業(yè)難度大。小保當(dāng)一號井112201工作面長350m，采高5.8m，屬于典型超長大采高綜采工作面，因此以112201工作面為背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方法，研究了末采貫通階段的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，確定了工作面末采貫通期間的圍巖加固以及礦壓調(diào)節(jié)技術(shù)，為類似超長大采高工作面的回撤提供參考。

1 礦井概況

小保當(dāng)112201綜采工作面位于2-2煤11盤區(qū)，埋深為313～400m，直接頂為厚度2.67～3.37m的細(xì)粒砂巖，老頂為厚度14.23～35.29m的中粒砂巖，直接底為厚度2.05～2.67m的砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，老底為厚度2.9～9.55m的砂質(zhì)泥巖。煤層傾角為1°，煤層厚度4.2～6.3m，平均煤厚5.8m，容重1.32×103kg/m3，煤層由北向南逐漸變厚。工作面長度350m，走向推進(jìn)長度4556.6m，工作面平面布置如圖1所示。

圖1 112201工作面布置

112201工作面主回撤通道全長350m，沿煤層底板掘進(jìn)。主回撤通道斷面凈寬6m，凈高4.6m，凈斷面27.6m2，掘進(jìn)斷面31m2。頂板用7根?20mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿加4根?17.8mm×8300mm錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距950mm×900mm，錨索間排距1000mm×1800mm；回采幫采用?22mm×2400mm玻璃鋼錨桿支護(hù)，錨桿間排距1000mm×900mm；煤柱幫采用?20mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護(hù)，錨桿間排距1000mm×900mm，112201工作面主回撤通道斷面支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 112201工作面主回撤通道斷面支護(hù)方案(mm)

2 末采階段圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

2.1 工作面與主回撤通道距離較遠(yuǎn)

當(dāng)工作面距離主回撤通道較遠(yuǎn)時，回撤通道不受工作面回采產(chǎn)生的超前支承壓力影響，回撤通道兩側(cè)僅受掘巷影響產(chǎn)生破裂區(qū)和塑性區(qū)，其分布范圍較小，工作面與主回撤通道間的圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)馬鞍型分布，如圖3所示，在其內(nèi)部區(qū)域存在彈性區(qū)。此時主回撤通道受采動影響較小，回撤通道穩(wěn)定性較高。

圖3 工作面距回撤通道較遠(yuǎn)時應(yīng)力分布

2.2 工作面與回撤通道距離較近

隨著工作面往前推采，主回撤通道與工作面間煤柱減小，工作面超前支承壓力和主回撤通道右側(cè)回采幫應(yīng)力疊加，工作面剩余煤柱發(fā)生塑性屈服，煤柱彈性區(qū)消失，如圖4所示，同時主回撤通道左側(cè)煤柱幫受回采動壓影響，煤柱左側(cè)應(yīng)力也將增大，回撤通道圍巖變形將增大。

圖4 工作面與回撤通道較近時應(yīng)力分布

2.3 工作面與回撤通道貫通

隨著工作面繼續(xù)往前推進(jìn)，工作面剩余煤體寬度進(jìn)一步減小，煤體完全處于破裂區(qū)，此時工作面超前支承壓力將會向主回撤通道左側(cè)煤柱幫轉(zhuǎn)移，煤柱幫的應(yīng)力將會超過回采幫應(yīng)力，如圖5所示。

圖5 工作面與回撤通道將要貫通時應(yīng)力分布

因此，在工作面主回撤通道受到采動影響前，需對主回撤通道圍巖進(jìn)行錨桿索補強支護(hù)，防止回撤通道煤體大面積片幫喪失去穩(wěn)定性，影響后期設(shè)備的順利回撤。

3 末采階段回撤通道礦壓特征模擬研究

3.1 數(shù)值模型

模擬分析工作面開挖臨近結(jié)束時煤柱的超前支承壓力和頂板變形破壞特征，數(shù)值計算模型寬157m，高200m，開挖區(qū)域共60m，如圖6所示。模擬采用UDEC軟件進(jìn)行，煤層采用1m×1m劃分網(wǎng)格，直接頂采用2.5m×1.8m劃分網(wǎng)格，老頂采用5m×2.8m劃分網(wǎng)格，底板采用4m×4m劃分網(wǎng)格，其中關(guān)鍵層加大網(wǎng)格尺寸。煤層厚為5.8m，煤層底板位于模型Y=50m處，煤巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

圖6 數(shù)值計算模型

計算采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，模型兩側(cè)邊界限定水平方向位移，模型底部限定豎直方向位移，模型頂部施加等效于覆巖重力的均布載荷5.58MPa。數(shù)值模擬開挖步距為3m。

3.2 頂板變形和破壞分布規(guī)律

圖7 頂板豎向位移隨開挖距離L的變化規(guī)律

頂板豎向位移隨開挖距離L的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7中可知，開挖到15m時老頂發(fā)生斷裂，工作面開挖到30m、45m時老頂再次周期斷裂，說明老頂周期來壓步距為15m。最后工作面開挖60m結(jié)束時工作面上方老頂斷裂呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，但是懸臂梁下方約有10m長的直接頂依然相對完整，該直接頂現(xiàn)場位于回撤通道與綜采面液壓支架上方，直接頂完整不破碎，所以回撤空間頂板狀況較好，對工作面液壓支架的回撤較為有利。然而現(xiàn)場來壓周期和剩余開挖距離不確定，因此，在工作面開挖剩余30m左右時需通過調(diào)整采煤速度或采取停采等壓等手段讓頂板發(fā)生斷裂，調(diào)節(jié)工作面來壓步距，使掛網(wǎng)期間頂板處于低壓區(qū)。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

監(jiān)測線上豎向應(yīng)力隨開挖距離L的變化曲線圖8所示。由圖8可知，開挖距離L從6～30m時豎向應(yīng)力分布規(guī)律相同，隨著開挖距離的增大豎向應(yīng)力呈增大趨勢，同時豎向應(yīng)力從初始時的近水平分布變?yōu)槊褐鶐?左幫)高回采幫(右?guī)?低。圖中位于x=-6～0m處的下凹區(qū)域是由于下方主回撤通道開挖卸壓引起的。當(dāng)開挖到36m、45m和51m時，從圖中可以看出超前支承壓力位于主回撤通道兩幫。當(dāng)工作面開挖結(jié)束時，主回撤通道回采幫超前支承壓力向煤柱幫轉(zhuǎn)移，說明此時頂板發(fā)生斷裂，和頂板的豎向位移云圖結(jié)果相同，此時煤柱幫最大豎向應(yīng)力25MPa，位于工作面左幫煤層內(nèi)20m位置處。此時液壓支架上的工作壓力較小，易于回撤。

圖8 超前支承壓力隨開挖距離L的變化曲線

4 現(xiàn)場試驗

根據(jù)末采階段的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律以及礦壓顯現(xiàn)特征，工作面末采回撤調(diào)壓關(guān)鍵技術(shù)主要分為回撤通道圍巖加固技術(shù)以及礦壓調(diào)節(jié)兩部分進(jìn)行，從而實現(xiàn)末采階段工作面的順利貫通以及回撤通道圍巖穩(wěn)定性的有效控制。

4.1 主回撤通道圍巖加固技術(shù)

由于原有支護(hù)方案頂板支護(hù)強度較高，因此設(shè)計在主回撤通道煤柱幫及聯(lián)巷交岔口采用螺紋鋼錨桿加固，在回采幫采用玻璃鋼錨桿加固，加固方案如下：回采幫均采用“4根玻璃鋼錨桿+450mm×280mm×4mmW護(hù)板聯(lián)合支護(hù)”，錨桿規(guī)格為?22mm×2400mm，錨桿間距1000mm，排距1800mm。巷道煤柱幫布置“3根螺紋鋼錨桿+450mm×280mm×4mmW護(hù)板加固”，錨桿規(guī)格為?20mm×2400mm，W護(hù)板尺寸為450mm×280mm×4mm，墊板尺寸為150mm×150mm×10mm，錨桿間排距1500mm×1800mm，如圖9所示。

圖9 主回撤通道錨桿加固支護(hù)參數(shù)示意圖(mm)

通過對主回撤通道的圍巖加固，工作面末采貫通期間，主回撤通道頂板最大下沉量159.33mm，底板變形量85.24mm，煤柱幫移近量210.35mm，有效控制了回撤通道的圍巖變形量，保證了工作面設(shè)備回撤作業(yè)空間。

4.2 工作面周期來壓分析

分析11月1日—11月29日112201工作面推進(jìn)距為4336～4514.2m區(qū)間的周期來壓步距。部分工作面液壓支架的工作阻力如圖10所示。工作面周期來壓步距為10.8～23.8m，平均約16.1m；來壓持續(xù)長度為3.6～7.2m，平均約5.2m。工作面頂板來壓具有分區(qū)特征，工作面頂板呈現(xiàn)1#～60#、61#～120#、121#～175#三段分布式來壓。

根據(jù)最近三次周期來壓步距結(jié)果分析，計算得出最近三次來壓步距平均為16.6m，來壓持續(xù)長度平均為5.4m。由于工作面掛網(wǎng)位置已確定為14.5m，因此結(jié)合112201工作面礦壓云圖，掛網(wǎng)位置距推測來壓區(qū)位置很近，如圖11所示，工作面掛網(wǎng)位置有較高來壓風(fēng)險。

圖10 11月112201工作面周期來壓情況

圖11 根據(jù)最近三次周期來壓步距預(yù)測工作面來壓位置(m)

4.3 工作面調(diào)壓分析

112201綜采工作面柔性網(wǎng)長360m，寬度15m，為超長大面積柔性網(wǎng)。由于柔性網(wǎng)寬度已確定，為此必須選擇14.5m位置掛網(wǎng)，因此在工作面末采期間，需要精準(zhǔn)調(diào)壓，確保工作面在14.5m位置處于穩(wěn)壓低壓區(qū)。根據(jù)工作面推進(jìn)位置以及現(xiàn)場礦壓觀測，確定具體調(diào)控措施。

4.3.1 工作面擺采分析

分析11月30日至12月3日工作面機頭機尾位置，工作面進(jìn)行擺采，調(diào)整工作面位置，如圖12所示。

圖12 112201工作面機頭機尾位置圖

為保證112201工作面順利掛網(wǎng)，工作面進(jìn)行擺采，使機頭機尾推進(jìn)度一致。11月30日工作面機頭機尾位置相差5.7m，12月1日零點班加快機尾推進(jìn)度，工作面機頭機尾相差2.6m，12月2日零點班繼續(xù)加快機尾推進(jìn)度，工作面機頭機尾相差0.5m，至12月2日四點班工作面機頭機尾剩余長度均為21m，工作面兩端剩余推進(jìn)度一樣，為工作面14.5m掛網(wǎng)創(chuàng)造了有利條件。

4.3.2 工作面調(diào)壓分析

分析11月26日至12月5日112201工作面推進(jìn)距為4491.1～4543.2m區(qū)間的周期來壓步距。部分工作面液壓支架的工作阻力如圖13所示。

根據(jù)11月份周期來壓分析及預(yù)測，為防止工作面在14.5m掛網(wǎng)位置處于來壓區(qū)，由數(shù)值模擬研究和現(xiàn)場礦壓觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，選擇從12月1日四點班，工作面剩余長度25m開始，設(shè)計每班采兩刀煤，降低采煤速度，調(diào)節(jié)工作面周期來壓步距。降低采煤速度后12月2日四點班，工作面剩余長度21m，工作面開始出現(xiàn)來壓顯現(xiàn)，12月3日零點班工作面推進(jìn)至剩余長度18m時，工作面來壓結(jié)束，此次周期來壓步距7.5m，來壓持續(xù)長度3m。工作面最近三次平均周期來壓步距13.93m，平均來壓持續(xù)長度4.96m，預(yù)計工作面14.5m位置掛網(wǎng)位置將處于非來壓區(qū)，如圖14所示。因此12月3日8點班快速推進(jìn)四刀至14.3m位置，開始打錨桿錨索進(jìn)行掛網(wǎng)，掛網(wǎng)期間頂板完整性較好，掛網(wǎng)順利。掛網(wǎng)結(jié)束后工作面快速推采，12月8日四點班19：25工作面與主回撤通道實現(xiàn)順利貫通。

圖13 112201工作面周期來壓情況

圖14 根據(jù)最近三次周期來壓步距預(yù)測工作面來壓位置(m)

5 結(jié) 論

1)采用UDEC模擬了末采階段回撤通道的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)特征。末采期間工作面周期來壓步距平均15m，距回撤通道貫通30m左右時，需調(diào)節(jié)采煤速度，進(jìn)行礦壓調(diào)控；隨著推進(jìn)距的增加，主回撤通道回采幫的圍巖應(yīng)力將向煤柱幫出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，為保證回撤通道圍巖穩(wěn)定性，對回撤通道進(jìn)行錨桿補強支護(hù)，有效控制了回撤通道圍巖變形量。

2)分析112201工作面11月1日—12月4日礦壓數(shù)據(jù)，工作面周期來壓步距為7.5～23.8m，平均約15.4m；來壓持續(xù)長度為3～7.2m，平均約5.1m；超長大采高工作面頂板來壓呈現(xiàn)分區(qū)式來壓特征。

3)工作面進(jìn)行擺采，確保了工作面機頭機尾剩余長度一致。工作面推進(jìn)長度剩余25m時，降低采煤速度進(jìn)行礦壓調(diào)節(jié)，減小了工作面的周期來壓步距，使工作面在推進(jìn)至14.5m位置時處于非來壓區(qū)，維護(hù)了工作面頂板的完整性，為工作面打錨桿掛鋼絲繩固定網(wǎng)邊打下了堅實基礎(chǔ)，實現(xiàn)了工作面柔性塑料網(wǎng)(寬15m×長360m)順利鋪設(shè)。