特厚易自燃煤層綜放工作面末采收作技術(shù)研究

劉念全，張福敏

（鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 010300）

0 引 言

內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾礦區(qū)煤炭資源豐富，煤層厚度較大，主采煤層為易自燃煤層，發(fā)火周期35 d 左右，回采工藝以綜采放頂煤工藝為主[1]。自燃發(fā)火周期短，要求工作面收作設(shè)備拆除速度快[2]；綜采放頂煤工作面所需采煤機(jī)、主架等設(shè)備尺寸、重量均較大，搬運(yùn)所需巷道規(guī)格尺寸大[3]；特厚煤層工作面順槽沿煤層底板布置，頂板支護(hù)錨桿錨索均錨固在煤層中，支架拆除后頂板隨拆隨垮，頂板管理難度較大[4]。因此，特厚煤層綜放工作面作好末采安全管理尤為關(guān)鍵[5-6]，故對(duì)特厚煤層綜放工作面末采安全保障技術(shù)要求具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，亦可為煤礦類似條件下工作面末采收作提供依據(jù)。

1 工作面設(shè)備回撤方式

1.1 工作面概況

唐家會(huì)礦02 工作面位于礦井一盤區(qū)東翼，北鄰01 工作面，南鄰03 工作面，西自一盤區(qū)6 煤輔運(yùn)大巷，東至DF11 斷層組保護(hù)煤柱；工作面西側(cè)三條盤區(qū)系統(tǒng)大巷已施工完畢。工作面長(zhǎng)度235 m，回采工藝綜采放頂煤。

老頂主要為細(xì)砂巖，平均厚度為5.4 m，以灰白色的石英長(zhǎng)石為主，泥質(zhì)膠結(jié)，呈次棱角狀分選性差。直接頂主要為粉細(xì)砂巖，平均厚度2.9 m，以灰色的石英為主，分選性中等，局部夾砂泥巖薄層，夾煤線條痕，厚度不大，富水性較弱。直接底主要為泥巖，平均厚度6.9 m，表現(xiàn)為灰褐色的厚層狀構(gòu)造，斷口參差狀，塊狀結(jié)構(gòu)，含較多的植物化石碎片。老底主要為砂質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)，平均厚度4.7 m，灰褐色，厚層狀構(gòu)造，斷口參差狀，見植物化石。局部相變?yōu)榧?xì)砂巖。

1.2 工作面設(shè)備回撤方式

現(xiàn)有工作面設(shè)備回撤方式主要有預(yù)掘雙通道+垛式支架、現(xiàn)掘單通道不用垛式支架、預(yù)掘單通道+強(qiáng)力墩柱支護(hù)[7]。

1.2.1 預(yù)掘雙通道+ 垛式支架

工作面回采至工作面收作線之前，在收作線位置提前施工主回撤通道和輔助回撤通道，兩條回撤通道之間施工3 條聯(lián)巷。主回撤通道在工作面回采至距停采線100 m 位置前采用垛式支架支護(hù)頂板。具體布置方式如圖1 所示。

該方式具有回撤設(shè)備多通道，可雙工作面同時(shí)作業(yè)，拆除速度快，工期短等優(yōu)點(diǎn)；存在回撤通道在工作面末采期間受采動(dòng)影響較大，回撤通道工程量大，垛式支架費(fèi)用較高等缺點(diǎn)[8]。

圖1 預(yù)掘雙通道+ 垛式支架布置方式Fig.1 Arrangement of pre-excavated double-channel+battle-type support

1.2.2 現(xiàn)掘單通道不用垛式支架

工作面回采至停采線位置，支架保持不動(dòng)，使用單體配合支架推移千斤頂推移前部運(yùn)輸機(jī)，采用采煤機(jī)割煤，人工支護(hù)頂板刷擴(kuò)出回撤通道，回撤設(shè)備。具體布置方式如圖2 所示。

該方式具有回撤通道工程量小，通道受采動(dòng)影響小，不需要使用垛式支架支護(hù)頂板等優(yōu)點(diǎn)；存在單通道回撤設(shè)備，回撤速度慢，時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)[9]。

圖2 現(xiàn)掘單通道布置方式Fig.2 Single channel layout

1.2.3 預(yù)掘單通道+ 強(qiáng)力墩柱支護(hù)

工作面回采至停采線之前，預(yù)掘回撤通道，采用強(qiáng)力墩柱代替預(yù)掘回撤通道內(nèi)傳統(tǒng)采用的垛式液壓支架支護(hù)頂板，工作面末采貫通回撤通道（采用單通道形式） 后，采用采煤機(jī)一次性割碎墩柱并隨工作面煤流系統(tǒng)運(yùn)出后，回撤設(shè)備，具體布置方式如圖3 所示。墩柱制作材料采用高水材料制作或特殊砼材料制作，其中砼的骨料采用風(fēng)化紅片石代替普通碎石子，墩柱強(qiáng)度≤25 MPa，該方式具有回撤設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)間短，支護(hù)成本較垛式支架費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)；存在單通道回撤設(shè)備，回撤速度慢、時(shí)間長(zhǎng)、墩柱材料影響礦井煤質(zhì)等缺點(diǎn)。

針對(duì)該工作面煤層易自燃、自燃發(fā)火周期短、采空區(qū)防滅火工作困難等特點(diǎn)，選擇采用預(yù)掘雙通道+垛式支架方式進(jìn)行回撤。

2 工作面末采頂板管理

2.1 支架掩護(hù)范圍頂板支護(hù)

工作面支架及支架尾梁頂板支護(hù)采用聚酯高強(qiáng)度纖維柔性網(wǎng)，在尾梁鋪網(wǎng)段預(yù)先縫制風(fēng)筒布一層，減少采空區(qū)氧氣含量。該網(wǎng)具有網(wǎng)片面積大、整體性好、柔韌輕便、抗拉力強(qiáng)、操作工藝簡(jiǎn)單、阻燃、可預(yù)制性強(qiáng)、一次性上網(wǎng)免連接等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高末采工作效率[9]。

圖3 預(yù)掘單通道+ 強(qiáng)力墩柱支護(hù)布置方式Fig.3 Support arrangement of pre-excavated single channel+strong pier column

2.2 主回撤通道頂板管理

主回撤通道斷面為矩形斷面，規(guī)格5 500 mm×4 200 mm，主回撤通道采用錨索網(wǎng)+垛式支架支護(hù)。巷道頂板布置7 根錨桿，頂板錨桿規(guī)格φ20 mm×2 500 mm。頂板布置5 根錨索，由長(zhǎng)5 m 槽鋼組合在一起，錨索間距為1 100 m，頂板錨索規(guī)格φ21.6 mm×10 300 mm，兩幫各布置5 根錨桿，其中靠切眼幫為玻璃鋼錨桿，靠輔回撤通道幫為金屬錨桿，巷幫玻璃鋼錨桿規(guī)格φ20 mm×2 000 mm，巷幫金屬錨桿規(guī)格φ20 mm×2 500 mm，巷道靠輔回撤通道幫布置一排走向錨索，錨索距底板高度1 800 mm，幫部錨索規(guī)格φ21.6 mm×5 300 mm。為減緩工作面超前支承壓力對(duì)主回撤通道的影響，工作面距通道50 m 前架設(shè)兩排垛式支架進(jìn)行加固。主回撤通道支護(hù)平斷面如圖4 所示。

主回撤通道內(nèi)安設(shè)兩排ZZ12000/22/46X 型四柱掩護(hù)式液壓支架，每排40 臺(tái)支架。為確保支護(hù)方式及參數(shù)合理有效，特采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

圖4 主回撤通道支護(hù)斷面Fig.4 Support section of main retreat channel

2.2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)主回撤通道圍巖地質(zhì)條件，選取揭露的砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖以及煤層作為建模對(duì)象，以主回撤通道附近鉆孔資料為計(jì)算依據(jù)。采用UDEC4.0 建立相應(yīng)的分析模型，計(jì)算模型尺寸為260 m×125 m。模型左右及下邊界均為位移固約束邊界，上邊界為應(yīng)力邊界，按上覆巖層厚度施加均布荷載，材料破壞遵循Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則[10]。圖5 為主回撤通道的數(shù)值計(jì)算模型。

2.2.2 模擬方案

支護(hù)方案要求在巷道開挖后立即進(jìn)行支護(hù)，錨索及錨桿均采用cable 單元模擬，垛式支架和工作面液壓支架采用Support 單元模擬，結(jié)合支架增阻特性曲線賦予Table 值。

圖5 主回撤通道支護(hù)與加固數(shù)值模型Fig.5 Numerical model of main retreat channel support and reinforcement

2.2.3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

為了更直觀的觀察巷道圍巖的應(yīng)力與變形情況，另在巷道左側(cè)實(shí)體幫巖體內(nèi)設(shè)置監(jiān)控測(cè)線和監(jiān)控點(diǎn)監(jiān)測(cè)巷道圍巖應(yīng)力變化。測(cè)線測(cè)點(diǎn)如圖6 所示布置，測(cè)線1 布置在巷道左幫中間位置，測(cè)點(diǎn)1 布置在測(cè)線上方。

圖6 監(jiān)測(cè)線和測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Arrangement of monitoring lines and points

主回撤通道圍巖的應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布圖以及1 號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化如圖7～圖9 所示。由于巷道的開挖和工作面的回采改變了原巖應(yīng)力分布，從1號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線可以看出，隨著巷道的開挖，1 號(hào)測(cè)點(diǎn)垂直應(yīng)力值從約12 MPa 激增至17 MPa，工作面向前回采至采通，最測(cè)點(diǎn)應(yīng)力穩(wěn)定在24.1 MPa。從垂直應(yīng)力云圖可以看出，巷道左側(cè)圍巖整體處于高應(yīng)力狀態(tài)，但未出現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力峰值距巷幫表面約8.5 m 位置。主回撤通道的左幫和頂?shù)装寰窗l(fā)生塑性破壞。測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值與巷道表面距離見表1。

表1 應(yīng)力峰值及距巷道表面距離統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of stress peak value and distance from roadway surface

圍巖垂直位移和水平位移如圖10、圖11 所示，主回撤通道頂板最大下沉值為455 mm，底板最大底鼓量為105 mm，頂板最大下沉量出現(xiàn)在巷道中部附近，左幫最大位移值為370 mm，說明頂板下沉量較小。主回撤通道圍巖位移量見表2。經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證滿足工作面末采收作安全要求，并在02 工作面實(shí)踐應(yīng)用，并采用“十”字布點(diǎn)法布置頂?shù)装搴蛶筒课灰朴^測(cè)站，主回撤通道底鼓最大變形量111 mm，非貫通幫最大位移量155 mm，頂板下沉量322 mm，對(duì)設(shè)備回撤基本無影響。

圖7 巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖和測(cè)線垂直應(yīng)力分布Fig.7 Vertical stress nephogram of surrounding rock of roadway and vertical stress distribution of survey line

圖8 測(cè)點(diǎn)1 垂直應(yīng)力變化曲線Fig.8 Vertical stress change curve of measuring point 1

圖9 巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.9 Plastic zone distribution of roadway surrounding rock

3 工作面末采貫通層位控制

綜采工作面末采貫通層位控制方法一般有貫通調(diào)節(jié)巷（硐） 法、貫通調(diào)節(jié)鉆孔法、底煤鉆探法和標(biāo)高調(diào)整法等。

根據(jù)已回采工作面經(jīng)驗(yàn)和周邊礦井調(diào)研分析，為確保貫通質(zhì)量，唐家會(huì)礦02 工作面末采期收作工程采用貫通調(diào)節(jié)鉆孔法與貫通調(diào)節(jié)硐法聯(lián)合使用。工作面距停采線大于200 m 之前，在主回撤通道采煤幫施工貫通調(diào)節(jié)鉆孔和貫通調(diào)節(jié)硐室。具體布置及結(jié)構(gòu)如圖11 和圖12 所示，調(diào)節(jié)鉆孔距主回撤通道底板1.5 m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度20 m，孔間距 20 m，孔徑 75 mm，下入1.5 寸白色 PVC 塑料管，然后向PVC 管內(nèi)注入石灰涂料。調(diào)節(jié)硐室沿主回撤通道頂板施工，斷面3 m×3 m，支護(hù)采用錨索網(wǎng)梁支護(hù)，長(zhǎng)度6 m。施工結(jié)束后在硐室內(nèi)施工木垛，確保工作面貫通時(shí)有明顯層位關(guān)系。

表2 主回撤通道圍巖位移量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of surrounding rock displacement in the main retreat channel

圖10 巷道圍巖垂直位移云圖Fig.10 Cloud map of vertical displacement of surrounding rock of roadway

在工作面距離收作線20 m 時(shí)，在工作面回采期間，可根據(jù)揭露的調(diào)節(jié)鉆孔調(diào)整工作面，直到找到所有調(diào)節(jié)鉆孔，并根據(jù)工作面和調(diào)節(jié)鉆孔相對(duì)位置進(jìn)行層位調(diào)整。02 工作面布置平面和剖面如圖12、圖13 所示。在工作面回采至6 m 位置時(shí)，根據(jù)工作面和調(diào)節(jié)硐室相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行層位調(diào)整，工作面沿調(diào)節(jié)硐室頂板回采，貫通層位控制直觀，可靠性高。該方法可有效避免工作面收作貫通錯(cuò)茬，減少貫通后的挑頂臥底工程量，為工作面拆除創(chuàng)造良好施工條件，縮短拆除工期，為工作面快速收作封閉提供保障。

圖12 02 工作面布置平面Fig.12 Plane of 02 working face

圖13 02 工作面布置剖面Fig.13 Section of 02 working face

4 結(jié) 語(yǔ)

特厚易自燃煤層綜放工作面末采收作質(zhì)量對(duì)綜放大型設(shè)備能否安全回撤有著至關(guān)重要的影響。為加快工作面設(shè)備回撤速度，收作工作面及時(shí)封閉，消除采空區(qū)自燃發(fā)火隱患，經(jīng)過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用，總結(jié)出一套適用于特厚易自燃煤層綜放工作面末采收作頂板管理和貫通層位控制合理有效的技術(shù)保障方案，為煤礦相似條件下工作面末采收作提供很好的借鑒。