薄基巖破碎頂板工作面回撤通道穩(wěn)定性及控制研究

王中州，李嬌嬌，秦賓賓，陳 浩，呂 凱

（1.河南能源化工集團(tuán)焦煤公司 寶雨山煤礦，河南 伊川471300；2.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作454000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京100083；4.河南能源化工集團(tuán)焦煤公司 趙固二礦，河南 輝縣453634）

工作面收尾回撤設(shè)備是煤礦生產(chǎn)接替的1個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。不同于正?；夭晒ぷ髅?，回撤通道具有回撤空間斷面大、設(shè)備密集、工序復(fù)雜、與后方采空區(qū)緊密相鄰的特殊性，回撤通道的合理留設(shè)和支護(hù)是保證工作面設(shè)備安全快速回撤的必要條件[2]。尤其在薄基巖破碎頂板工作面，收尾期間易發(fā)生由覆巖整體切落造成的壓架和由頂板破碎造成的冒（漏）頂，影響設(shè)備安全順利回撤[3]。煤礦通常采用的回撤通道布置方法包括：預(yù)掘雙回撤通道[4－5]、預(yù)掘單回撤通道[6－7]和無預(yù)掘回撤通道[8]3種。其中，無預(yù)掘回撤通道技術(shù)因具有靈活選擇停采位置的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。在回撤通道的合理位置研究方面，楊仁樹等人定性分析了回撤通道上方基本頂斷裂線位置對(duì)回撤通道穩(wěn)定性的影響并確定了回撤通道的合理位置[9]；馬祥和謝福星等人構(gòu)建了回撤通道頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型并分析了液壓支架工作阻力變化規(guī)律[10－11]。在回撤通道支護(hù)技術(shù)理論研究方面，楊尚等人[12]建立了回撤通道頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的錨固梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。此外，其他學(xué)者和相關(guān)研究人員對(duì)收尾工藝和支護(hù)技術(shù)也進(jìn)行了有益探索和實(shí)踐[13－19]。但是，以上研究對(duì)無預(yù)掘回撤通道上方基本頂破斷和回轉(zhuǎn)變形對(duì)回撤通道影響的定量分析較少，且特殊地質(zhì)和生產(chǎn)條件下收尾工藝和回撤通道圍巖控制研究匱乏?；诖?，以趙固一礦薄基巖破碎頂板工作面為研究對(duì)象，定量分析基本頂斷裂線不同位置對(duì)回撤通道圍巖穩(wěn)定性的影響，確定回撤通道的合理位置并提出有針對(duì)性地回撤通道擴(kuò)刷和支護(hù)方案并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，應(yīng)用效果良好。

1 工程背景

趙固一礦位于焦作煤田東部，主采山西組二1煤層，11271工作面位于礦井東部11采區(qū)，埋深為423.7～462 m，上覆基巖厚度為40～55 m，煤層厚度5.3～6.0 m，煤層平均傾角6°，煤層產(chǎn)狀穩(wěn)定，頂?shù)装鍘r性分布見表1。工作面采用分層傾斜長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法沿煤層頂板回采，頂分層設(shè)計(jì)采高3.5 m，工作面長(zhǎng)度為195.5 m，傾向長(zhǎng)度為797 m，采用126架ZF10000/20/38型液壓支架及6架ZFG10000/20/38型液壓支架支護(hù)頂板。

表1 頂?shù)装鍘r性分布Table 1 The lithology distribution of roof and floor

采用ZKXG30礦用本安型鉆孔成像儀對(duì)趙固一礦11271工作面回采期間來壓和非來壓時(shí)液壓支架上方直接頂內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行窺視，直接頂內(nèi)部結(jié)構(gòu)窺視圖如圖1。

圖1 直接頂內(nèi)部結(jié)構(gòu)窺視圖Fig.1 The view of internal structure of direct roof

11271工作面來壓時(shí)基本頂發(fā)生破斷和回轉(zhuǎn)變形，液壓支架上方直接頂受到基本頂和液壓支架擠壓，在0.5 m深處產(chǎn)生明顯裂隙，在4.3 m處發(fā)生嚴(yán)重破壞；非來壓時(shí)，直接頂孔壁完好，未見明顯破壞。由此可知，工作面來壓時(shí)直接頂較非周期來壓時(shí)破碎，工作面頂板控制難度大。

2 基本頂斷裂對(duì)支架載荷的影響

隨著工作面推進(jìn)，基本頂發(fā)生周期性破斷和回轉(zhuǎn)變形，其不同位態(tài)必然造成工作面礦壓顯現(xiàn)程度不同。趙固一礦11271工作面具有推進(jìn)速度快、開采強(qiáng)度較高、薄基巖和頂板破碎的特點(diǎn)，在工作面收尾期間，基巖上部厚松散層不易形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其自身載荷直接傳遞至基本頂巖層乃至液壓支架，容易造成壓架事故，影響工作面設(shè)備的安全回撤。

根據(jù)基本頂關(guān)鍵塊斷裂線和回撤通道空間位置的不同，可分為關(guān)鍵塊A、關(guān)鍵塊B斷裂線位于采空區(qū)上方、液壓支架上方、回撤通道上方和實(shí)體煤上方4種情況討論，基本頂斷裂線與回撤通道不同空間位置示意圖如圖2。

當(dāng)關(guān)鍵塊A、關(guān)鍵塊B的斷裂線位于采空區(qū)上方，如圖2（a）。基本頂呈一端固支的懸臂梁結(jié)構(gòu)，由于直接頂為不可自身平衡的巖體，此時(shí)液壓支架僅承受直接頂?shù)淖灾剌d荷，由式（1）計(jì)算可得：

圖2 基本頂斷裂線與回撤通道不同空間位置示意圖Fig.2 The schematic diagram of different spatial positions of basic roof fracture line and retracement channel

式中：Q1為液壓支架載荷，MPa；d為液壓支架控頂距，m；A為液壓支架寬度，m；h為直接頂厚度，m；ρ為直接頂密度，t/m3；g為重力加速度，m/s2。

關(guān)鍵塊A、關(guān)鍵塊B斷裂線位于液壓支架上方、回撤通道上方和實(shí)體煤上方時(shí)，如圖2（b）、圖2（c）和圖2（d）。關(guān)鍵塊B破斷后發(fā)生回轉(zhuǎn)，對(duì)直接頂產(chǎn)生擠壓作用，直接頂將自重載荷和基本頂回轉(zhuǎn)產(chǎn)生擠壓力傳遞至液壓支架，液壓支架載荷增大，容易造成壓架。此時(shí)，液壓支架承受基本頂給定變形壓力和直接頂自重。周期來壓期間直接頂處于較為破碎狀態(tài)，直接頂可看作基本頂與液壓支架擠壓壓實(shí)的過程，應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系滿足式（2）：

式中：σ為直接頂應(yīng)力，MPa；λ為直接頂壓實(shí)系數(shù)，GPa；ε為直接頂應(yīng)變；n為直接頂壓實(shí)指數(shù)。

直接頂擠壓過程應(yīng)變表達(dá)式為[20]：

式中：x為基本頂距斷裂線距離，m；θ為基本頂給定變形回轉(zhuǎn)角，（°）；θ1為直接頂下沉回轉(zhuǎn)角，（°）。

直接頂合力M計(jì)算公式為：

式中：a為直接頂巖塊寬度，m；l為直接頂巖塊長(zhǎng)度，m。此時(shí)液壓支架載荷Q2為：

綜合式（1）～式（5）可知，回撤通道液壓支架載荷Q為：

根據(jù)趙固一礦11271工作面實(shí)際情況，液壓支架控頂距d取值5.2 m，液壓支架寬度A取值1.43 m，直接頂厚度h取值4 m，為直接頂密度ρ取值2.5 t/m3，直接頂壓實(shí)系數(shù)λ取值1 GPa，直接頂壓實(shí)指數(shù)n取值3，基本頂給定變形回轉(zhuǎn)角θ取值7.5°，直接頂巖塊寬度a取值1.43 m，直接頂巖塊長(zhǎng)度l取值15 m。基本頂斷裂線與回撤通道空間位置不同時(shí)，基本頂對(duì)液壓支架上方直接頂?shù)臄D壓程度不同導(dǎo)致直接頂下沉回轉(zhuǎn)角不同，液壓支架載荷與直接頂下沉回轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系如圖3。

圖3 液壓支架載荷與直接頂下沉回轉(zhuǎn)角度關(guān)系圖Fig.3 The relationship between hydraulic support load and sinking return angle of basic roof

在基本頂“給定變形”的情況下，隨著斷裂線位置從工作面前方實(shí)體煤內(nèi)向液壓支架后方采空區(qū)運(yùn)移，基本頂和液壓支架對(duì)直接頂?shù)臄D壓程度逐漸緩和，θ和θ1之間差值逐漸減小，液壓支架載荷逐漸降低，直至斷裂線到液壓支架后方且工作面上方和前方基本頂尚未發(fā)生斷裂，此時(shí)液壓支架載荷最小。

在圖2（b）和圖2（c）情況下，如果液壓支架初撐力不足或者回撤通道支護(hù)不及時(shí)，容易造成基本頂關(guān)鍵塊B整體滑落失穩(wěn)，動(dòng)載荷增加，液壓支架載荷瞬增，尤其在回撤液壓支架期間，頂板出現(xiàn)大面積懸露，滑落失穩(wěn)的危險(xiǎn)性進(jìn)一步增加。圖2(d)中由于斷裂位置位于實(shí)體煤上方，關(guān)鍵塊B回轉(zhuǎn)也會(huì)對(duì)回撤通道煤壁產(chǎn)生擠壓作用，造成煤壁大變形和片幫。

當(dāng)基本頂斷裂位置在采空區(qū)上方時(shí)，工作面頂板結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，液壓支架承受的載荷最小，將回撤通道布置在該位置有利于圍巖的控制和設(shè)備的安全順利回撤。

基本頂斷裂位置在采空區(qū)上方需滿足工作面周期來壓步距大于回撤通道寬度和液壓支架長(zhǎng)度之和，即：

式中：L為周期來壓步距，m；μ為富余系數(shù)，通常取0.2～0.3；b為回撤通道寬度，m；c為液壓支架總長(zhǎng)度，m。

通過查閱資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，趙固一礦11271工作面周期來壓步距為15 m，回撤通道寬度為2.5 m，液壓支架的長(zhǎng)度為6.645 m，富余系數(shù)取值0.3，計(jì)算可知15 m＞11.138 5 m。11271工作面可滿足基本頂斷裂位置在采空區(qū)上方，達(dá)到安全順利回撤設(shè)備目的。

因此，11271工作面基本頂斷裂線位于采空區(qū)上方時(shí)為布置回撤通道的合理時(shí)機(jī)。

3 控制對(duì)策和技術(shù)

合理的回撤通道位置可以保證收尾期間液壓支架載荷處于最小狀態(tài)。同時(shí)，為保證回撤設(shè)備過程的安全順利，還需要配套合理的收尾工藝和支護(hù)方法。

3.1 控制難點(diǎn)及對(duì)策

趙固一礦煤層賦存環(huán)境具有基巖薄和頂板破碎的特點(diǎn)，工作面回撤通道圍巖控制的難點(diǎn)具有其獨(dú)特性：①基本頂及上覆巖層回轉(zhuǎn)“給定變形”造成的擠壓力通過直接頂傳遞到液壓支架上，如果擠壓力使頂板下沉量超過液壓支架活柱的可縮量，會(huì)造成壓架；②液壓支架前方回撤通道頂板暴露的面積大，加之頂板較破碎，極易造成回撤通道頂板冒（漏）頂；③液壓支架撤走后，上方頂板暴露面積增大，基本頂沿工作面方向發(fā)生破斷和回轉(zhuǎn)，附近未回撤區(qū)域液壓支架載荷進(jìn)一步增大；④回撤通道巷幫煤體強(qiáng)度較巖體低，整體性差，回撤通道頂板暴露面積大增加了巷幫的支承壓力，容易發(fā)生煤壁大變形和片幫，不利于液壓支架的順利回撤。

基于此，趙固一礦11271工作面回撤通道圍巖控制對(duì)策如下：①回撤通道的位置應(yīng)布置在基本頂及上覆巖層結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的位置，此時(shí)液壓支架承受載荷最??；②回撤通道的擴(kuò)刷應(yīng)避免采用機(jī)掘，以減少擴(kuò)刷回撤通道對(duì)頂板和煤體的擾動(dòng)影響；③加強(qiáng)液壓支架管理，保證液壓支架足夠的初撐力，防止頂板發(fā)生離層；④回撤通道及時(shí)支護(hù)，保證圍巖結(jié)構(gòu)的整體性，提高圍巖結(jié)構(gòu)的承載能力；⑤回撤設(shè)備期間，已回撤設(shè)備區(qū)域及時(shí)打木垛，以緩解未回撤設(shè)備區(qū)域頂板的應(yīng)力集中和保證工作面通風(fēng)；⑥回撤通道擴(kuò)刷完畢后，基本頂上部載荷隨著時(shí)間推移傳遞至基本頂，基本頂載荷增加，有破斷和回轉(zhuǎn)變形風(fēng)險(xiǎn)，回撤通道擴(kuò)刷完畢后，加快設(shè)備回撤速度。

3.2 擴(kuò)幫方案

11271工作面回撤通道高3.5 m，寬2.5 m，采用上部人工風(fēng)鎬擴(kuò)幫、下部采煤機(jī)擴(kuò)幫的臺(tái)階式擴(kuò)幫工藝，人工擴(kuò)幫施工示意圖如圖4。擴(kuò)幫流程為：液壓支架架前頂板打錨索加固→上部人工擴(kuò)刷→臨時(shí)支護(hù)→頂板永久支護(hù)→上部幫支護(hù)→采煤機(jī)擴(kuò)刷下部→下部幫支護(hù)。

圖4 人工擴(kuò)幫施工示意圖Fig.4 The schematic diagram ofmanual excavation retracement channel

1）人工擴(kuò)刷回撤通道上部，每次開幫長(zhǎng)度不超過4.5 m，分組平行施工作業(yè)時(shí)，每組間隔不少于15 m。上部幫嚴(yán)格按照“擴(kuò)1排支1排”要求進(jìn)行施工，臨時(shí)支護(hù)空頂距不大于300 mm，采用3.6 m長(zhǎng)π鋼梁配合單體液壓支柱沿工作面架設(shè)傾向棚臨時(shí)支護(hù)頂板，一梁三柱。待回撤通道煤墻上部擴(kuò)刷至支架頂梁2.5 m時(shí)，停止擴(kuò)刷并對(duì)上部幫進(jìn)行永久支護(hù)。

2）采煤機(jī)割下部幫并進(jìn)行永久支護(hù)。

3.3 支護(hù)方案

根據(jù)趙固一礦11271工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，回撤通道頂板采用槽鋼梁錨索配合柔性網(wǎng)進(jìn)行永久支護(hù)，幫部采用無縱筋左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿支護(hù)，回撤通道支護(hù)示意圖如圖5。

圖5 回撤通道支護(hù)示意圖Fig.5 The draw ing of support for retracement channel

回撤通道具體支護(hù)如下：

1）錨索規(guī)格φ21.6 mm×8 300 mm，采用4支Z2350型樹脂錨固劑錨固，預(yù)緊力不小于200 kN。間排距1 500 mm×600 mm，錨索角度與水平夾角75°。槽鋼梁長(zhǎng)度3 600 mm。錨索墊板采用16 mm厚鋼板加工，規(guī)格200 mm×100 mm，墊板與槽鋼中間夾墊1塊200 mm×100 mm×50 mm木墊板。

2）幫部無縱筋左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿規(guī)格φ20 mm×2 400mm，每根錨桿使用2支Z2350型樹脂錨固劑錨固預(yù)緊扭矩不小于300 N·m，間排距均為1 000 mm×1 000 mm。煤幫全斷面鋪設(shè)單層菱形網(wǎng)。

4 控制效果分析

4.1 數(shù)值分析

為分析上部人工風(fēng)鎬擴(kuò)幫、下部采煤機(jī)擴(kuò)幫的臺(tái)階式擴(kuò)幫工藝以及設(shè)計(jì)支護(hù)方案對(duì)回撤通道圍巖的控制效果，采用FLAC3D軟件構(gòu)建長(zhǎng)寬高分別為200 m×1 m×45 m的數(shù)值模型，模擬臺(tái)階式擴(kuò)幫工藝和采煤機(jī)一次性擴(kuò)幫工藝回撤通道塑性區(qū)分布及有無支護(hù)條件下回撤通道圍巖位移分布規(guī)律（圖6和圖7）。

圖6 不同擴(kuò)幫工藝塑性區(qū)范圍分布Fig.6 The distribution of plastic zone in different processes

由圖6可知，對(duì)比回撤通道頂板和前方實(shí)體煤塑性區(qū)范圍，臺(tái)階式擴(kuò)幫工藝的塑性區(qū)范圍小于采煤機(jī)一次性擴(kuò)幫的塑性區(qū)范圍。采用人工擴(kuò)幫可以降低采煤機(jī)割煤對(duì)頂板和前方煤體的擾動(dòng)，對(duì)頂板和煤幫的快速及時(shí)支護(hù)，減少空頂范圍。

由圖7可知，對(duì)比回撤通道有無支護(hù)條件下回撤通道圍巖位移分布云圖，回撤通道上方頂板垂直位移等值線基本沿垂直方向分布，有支護(hù)條件下回撤通道上方頂板的最大垂直位移量為200 mm，無支護(hù)條件下回撤通道上方頂板的最大垂直位移量為290 mm；回撤通道前方實(shí)體煤幫在支護(hù)條件下的水平位移量基本為0，無支護(hù)條件下的水平位移量最大為100 mm，說明設(shè)計(jì)支護(hù)方案可有效減小回撤通道上方的頂板下沉和煤幫變形，保障回撤安全。

圖7 回撤通道位移云圖Fig.7 The displacement nephogram of w ithdrawal channel

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

在工作面5#、33#、61#、94#、128#液壓支架處布置5個(gè)測(cè)站，監(jiān)測(cè)開始擴(kuò)刷回撤通道至回撤設(shè)備前液壓支架的活柱下縮情況、工作阻力和頂?shù)装逡平?，測(cè)站布置示意圖如圖8。

圖8 測(cè)站布置示意圖Fig.8 The layout of monitoring station

1）液壓支架活柱平均累計(jì)下縮量為119.6 mm。其中3#測(cè)站的活柱累計(jì)下縮量最大，在回撤支架前達(dá)到221 mm；5#測(cè)站的活柱累計(jì)下縮量最小，在回撤支架前僅為11 mm。

2）支架活柱平均下縮速率為0.4 mm/h，最大下縮速率4.2 mm/h；回撤通道擴(kuò)刷完后至回撤設(shè)備前，支架活柱平均下縮速率0.2 mm/h，最大下縮速率0.8 mm/h，說明回撤通道擴(kuò)刷完后至回撤設(shè)備前這一時(shí)期，頂板趨于穩(wěn)定，支架活柱下縮速率減小。

3）液壓支架工作阻力變化較小，最大變化量?jī)H為11.2 MPa，且呈現(xiàn)中部大，上下部小的分布規(guī)律，這是由于沿工作面面長(zhǎng)方向，頂板形成梁結(jié)構(gòu)，工作面中部礦壓顯現(xiàn)明顯。

4）采用十字布點(diǎn)法為5個(gè)測(cè)站位置的頂?shù)装逡平窟M(jìn)行觀測(cè)，頂?shù)装逡平砍尸F(xiàn)中部高，上下部低的分布規(guī)律。頂?shù)装迤骄平繛?88 mm，其中3#測(cè)站位置頂?shù)装逡平孔畲螅_(dá)到305 mm。

5 結(jié) 語

1）對(duì)比分析了基本頂斷裂線分別位于采空區(qū)上方、液壓支架上方、回撤通道上方和實(shí)體煤上方時(shí)液壓支架承受的載荷大小，指出基本頂斷裂線位于采空區(qū)上方時(shí)為布置回撤通道的最佳時(shí)機(jī)。

2）針對(duì)薄基巖破碎頂板煤層回撤通道圍巖控制的難點(diǎn)和對(duì)策，提出了回撤通道上部人工風(fēng)鎬擴(kuò)幫、下部采煤機(jī)擴(kuò)幫的臺(tái)階式擴(kuò)幫工藝及對(duì)應(yīng)的支護(hù)方案，采用數(shù)值模擬手段分析了擴(kuò)幫工藝和支護(hù)方案的合理性。

3）通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，收尾期間液壓支架活柱最大累計(jì)下縮量為221 mm，最大下縮速率為4.2 mm/h，工作阻力的最大變化量為11.2 MPa，頂?shù)装宓淖畲笠平繛?05 mm，滿足安全快速回撤設(shè)備的要求。