大采高工作面支架回撤通道圍巖變形分析及支護(hù)優(yōu)化研究

趙振偉，王玉林

（棗莊礦業(yè)集團(tuán)新安煤業(yè)有限公司，山東 棗莊 277642）

1 工作面地質(zhì)概況

3層煤直接頂為泥巖，灰或灰黑色，致密、性脆，平坦?fàn)?、參差狀斷口，含黃鐵礦和植物化石。基本頂為細(xì)砂巖，灰色，中厚層狀，成分以石英、長(zhǎng)石為主，含少量白云母及暗綠色礦物，分選中等，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，顯波狀、斜波狀及水平層理。直接底為泥巖，灰黑色，巨厚層狀，下部含粉砂，平坦?fàn)顢嗫冢严稑O發(fā)育，含豐富的植物化石（羊齒類）?；镜诪樯百|(zhì)泥巖，深灰色，致密，性脆，薄層-中厚層狀，含少量星散狀黃鐵礦，斷口不甚平坦，裂隙較發(fā)育，含植物化石碎片。

2 3313綜采工作面回撤通道變形破壞分析

2.1 綜采工作面概況

1）綜采工作面所屬采區(qū)為33輔助采區(qū)，工作面北為3煤風(fēng)氧化帶，東為3311工作面采空區(qū)，南為33輔助采區(qū)軌道和膠帶下山，西為未開采區(qū)。主采3煤層，煤層底板標(biāo)高-578.8～-601.6 m，煤層厚4.2～9.4 m，黑色，玻璃光澤，褐黑色條痕，中條帶狀結(jié)構(gòu)，參差狀斷口，裂隙發(fā)育，充填方解石脈1～2 cm，以亮煤和暗煤為主，含少量鏡煤，為半亮型煤。

2）3313智能化綜采工作面為綜合機(jī)械化采煤，采用走向長(zhǎng)壁后退式大采高綜合機(jī)械化采煤法，采高6.5 m，液壓支架支護(hù)頂板，全部垮落法處理采空區(qū)頂板，材料巷和運(yùn)輸巷超前范圍內(nèi)采用液壓支架進(jìn)行全斷面超前支護(hù)。工作面配備了全省最大的6.5 m采高自動(dòng)化綜采成套設(shè)備，包括采煤機(jī)1臺(tái)、大采高綜采支架125架、刮板輸送機(jī)1部、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)1部等一系列最先進(jìn)采煤設(shè)備。工作面現(xiàn)推進(jìn)至距運(yùn)輸巷停采線35.6 m、距材料巷停采線63.9 m處，停采位置處材料巷超前運(yùn)輸巷25 m，從此處開始降低采高至5 m。

2.2 大采高回撤通道圍巖變形分析

目前綜采工作面支架回撤通道主要考慮3種掘進(jìn)方式，預(yù)掘回撤通道、采煤機(jī)割煤形成回撤通道和分步掘進(jìn)形成回撤通道[9]。

2.2.1 回撤通道掘進(jìn)方式

1）預(yù)掘回撤通道。在綜采工作面停采線處，預(yù)先掘出平行于回采工作面的回撤通道，推透貫通時(shí)支架直接進(jìn)入通道回撤。預(yù)掘回撤通道具有巷道掘進(jìn)與支護(hù)受外界影響較小，有利于設(shè)備快速回撤、工期短等優(yōu)點(diǎn)。但受采動(dòng)應(yīng)力影響，貫通前回撤通道變形嚴(yán)重，撤架空間利用率低，且后期工作面與回撤巷道頂板對(duì)接困難。

2）采煤機(jī)割煤形成回撤通道。工作面距停采線一定距離時(shí)，液壓支架停止前移，推出刮板輸送機(jī)，采煤機(jī)繼續(xù)割煤，直至達(dá)到回撤通道設(shè)計(jì)寬度。采煤機(jī)割煤形成回撤通道時(shí)，回撤通道位于低應(yīng)力區(qū)刷擴(kuò)，不受超前集中壓力影響，圍巖應(yīng)力較小，不用架設(shè)垛式支架支護(hù)，通風(fēng)較好。但是，架前頂板位于破碎減壓區(qū)內(nèi)，圍巖強(qiáng)度低，頂板易冒落、煤壁易片幫，割煤后頂板空頂面積大，錨索梯網(wǎng)支護(hù)實(shí)施困難，且對(duì)施工人員的安全帶來極大威脅。

3）分步掘進(jìn)形成回撤通道。即分層、分步掘進(jìn)形成回撤通道，在距工作面停采線一定距離時(shí)，工作面綜采液壓支架停止拉移，用液壓挖掘機(jī)或掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)上層回撤巷道，下層刷幫區(qū)域使用單體液壓支柱推移刮板輸送機(jī)配合煤機(jī)進(jìn)行拾底至回撤巷道外幫。

采用分步掘進(jìn)工藝，一方面可避免提前掘進(jìn)回撤通道造成的巷道維護(hù)和頂板對(duì)接的困難；另一方面采用液壓挖掘機(jī)或掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)回撤通道，施工方便快捷效率高，掘進(jìn)后的浮煤通過工作面刮板輸送機(jī)直接進(jìn)入煤流系統(tǒng)，減少了運(yùn)輸設(shè)備的使用，大大提升了安全系數(shù)。

2.2.2 模型建立

結(jié)合3313綜采工作面地質(zhì)條件，采用離散元軟件UDEC建立回采工作面數(shù)值模型，如圖1所示，對(duì)不同掘進(jìn)方式下3313綜采工作面回撤通道圍巖變形及破壞情況進(jìn)行分析。

圖1 模型尺寸及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2.3 回撤通道圍巖變形

對(duì)采動(dòng)過程中預(yù)掘回撤通道頂?shù)装搴蛡?cè)幫變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖2所示。由圖可知，對(duì)于預(yù)掘回撤通道，通道開挖后，發(fā)生頂板下沉、側(cè)幫變形和底鼓現(xiàn)象，變形量分別為44.5、22、58 mm。隨著采煤工作面的推進(jìn)，回撤通道圍巖變形呈動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)。采煤工作面推進(jìn)初期，通道圍巖變形保持穩(wěn)定。距工作面80 m左右時(shí)，回撤通道變形開始緩慢變化。頂板下沉量和側(cè)幫位移緩慢增大，底鼓量減小。距工作面40 m左右時(shí)，隨著采煤工作面的推進(jìn)，底板下沉開始急劇增加。側(cè)幫變形在工作面推進(jìn)至20 m時(shí)開始急劇增加，底鼓量繼續(xù)減小，在距工作面15 m時(shí)又重新增大。

圖2 預(yù)掘回撤通道圍巖變形圖

圖3 和圖4分別為3種掘進(jìn)方式下回撤通道圍巖最終變形值和圍巖位移矢量圖。由圖可知，采用采煤機(jī)割煤形成回撤通道和分步掘進(jìn)形成回撤通道時(shí)，頂板下沉量和側(cè)幫變形顯著減小。與預(yù)掘回撤通道相比，后2種掘進(jìn)方式下底鼓量偏高，但在可控范圍之內(nèi)。采用采煤機(jī)割煤形成回撤通道和分步掘進(jìn)形成回撤通道，2種掘進(jìn)方式下頂板下沉量相近，但分步掘進(jìn)形成回撤通道側(cè)幫變形和底鼓量較小。由此可見，分步掘進(jìn)形成回撤通道不僅可避免預(yù)掘回撤通道頂板下沉量大、支護(hù)困難的特點(diǎn)，還避免了采煤機(jī)割煤形成回撤通道時(shí)頂板支護(hù)實(shí)施困難的問題，為最優(yōu)回撤通道掘進(jìn)方案。

圖3 不同掘進(jìn)方式下回撤通道圍巖變形

圖4 不同掘進(jìn)方式下回撤通道圍巖位移矢量圖

3 工作面支架回撤通道分步掘進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 分步掘進(jìn)支架回撤通道工藝

工作面造撤面條件期間，整體采高確保5.0 m，經(jīng)過模擬對(duì)比及多方論證分析，確定大采高回撤通道采用分步掘進(jìn)的施工方法，具體工藝流程如下：

工作面推采至距停采線20 m時(shí)，先在支架前梁沿工作面傾向鋪設(shè)5排金屬網(wǎng)作為生根網(wǎng)，然后鋪設(shè)高強(qiáng)度聚酯纖維柔性網(wǎng)，柔性網(wǎng)下再敷一層金屬網(wǎng)。

距停采線12 m開始，沿工作面傾向方向在柔性網(wǎng)下前梁前端0.2～0.3 m處布設(shè)直徑為21.5 mm舊鋼絲繩，每0.8 m布置1根，共12根。支架前梁前端距停采線13 m開始，分別在龍門架、1-2、2-3、123-124、124-125號(hào)架間傾向布置長(zhǎng)度不低于3.5 m工字鋼梁，工字鋼梁間距1.0 m。

距停采線6.4 m時(shí)，機(jī)頭龍門架停止拉移。距停采線5.6 m時(shí)，1～3號(hào)支架停止拉移，確保滯后其他支架1.6 m。支架停止拉移后空頂區(qū)域，使用單體液壓支柱配合4 m工字鋼及時(shí)進(jìn)行頂板維護(hù)，1～3號(hào)支架前梁空頂區(qū)域使用直徑22 mm×2 400 mm高強(qiáng)錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為800 mm×900 mm。

距停采線3.8 m時(shí)，工作面綜采液壓支架停止拉移，采用MWD 7.8/0.32L型煤礦用液壓挖掘機(jī)掘進(jìn)上分層回撤通道，掘進(jìn)高度2.5 m。上分層掘進(jìn)支護(hù)完成后，下層刷幫區(qū)域使用單體液壓支柱推移刮板輸送機(jī)配合煤機(jī)進(jìn)行拾底，拾底至回撤通道外幫。

3.2 分步掘進(jìn)支架回撤通道支護(hù)設(shè)計(jì)

采用液壓挖掘機(jī)掘進(jìn)上層通道時(shí)，頂板使用單體液壓支柱配合“一梁三柱”進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。使用液壓支架配合2.0 m雙銷梁及DW-3.5單體液壓支柱緊隨迎頭進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，采用2根2 m雙銷梁相互鉸接，一端支設(shè)在液壓支架前梁上，靠煤壁側(cè)使用3.5 m單體液壓支柱進(jìn)行支設(shè)。頂板永久支護(hù)采用錨網(wǎng)梯（索）復(fù)合支護(hù)法，即先鋪設(shè)雙層金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)下打錨桿、錨索，錨桿之間用鋼筋梯連接。頂板支護(hù)錨桿采用直徑22 mm×2 400 mm全螺紋高強(qiáng)樹脂錨桿，共布置5排，間排距為800 mm×900 mm，靠近煤壁側(cè)錨桿布置在頂板距煤壁肩窩300 mm處，與頂板法線的夾角為15°。沿工作面傾向每0.9 m鋪設(shè)1排3.6 m鋼筋梯。錨索使用直徑21.6 mm×6 000 mm的270K級(jí)鋼絞線，布置在2排錨桿之間，每排布置2棵錨索，錨索孔距2 000 mm，排距2 700 mm。

回撤通道幫部采用錨網(wǎng)復(fù)合支護(hù)法進(jìn)行支護(hù)，即先鋪設(shè)金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)下打錨桿進(jìn)行支護(hù)。采用直徑20 mm×2 400 mm無(wú)縱筋左旋螺紋鋼錨桿，并加木托板，規(guī)格為200 mm×300 mm×50 mm。幫部自上而下布置3排錨桿，最上一排距離頂板300 mm，與水平線間仰角為30°，錨桿上、中、下排距為900 mm，沿工作面傾向間距為900 mm。下分層通道使用煤機(jī)刷幫后，采用直徑20 mm×2 000 mm無(wú)縱筋左旋螺紋鋼錨桿對(duì)新剝出煤壁進(jìn)行支護(hù)。

材、運(yùn)兩巷回撤通道開門時(shí)，要進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。開門點(diǎn)向外300 mm位置處，順工作面走向在頂板施工2排鋼筋梯，鋼筋梯搭茬200 mm，每根鋼筋梯使用5根直徑22 mm×2 400 mm全螺紋高強(qiáng)樹脂錨桿進(jìn)行支護(hù)。開門掘進(jìn)前3 m采取小循環(huán)掘進(jìn)，循環(huán)進(jìn)尺600 mm，頂板錨桿間排距800 mm×600 mm，錨索孔距2 000 mm，排距1 800 mm。

4 工作面支架分步掘進(jìn)回撤通道效果分析

為了解分步掘進(jìn)回撤通道對(duì)圍巖變形的控制效果，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)通道頂板下沉和底板底鼓情況進(jìn)行觀測(cè)，每隔20 m布置1個(gè)頂板離層儀和1個(gè)頂?shù)装逡平坑^測(cè)儀，共布置10個(gè)頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)和10個(gè)底板監(jiān)測(cè)點(diǎn)。不同測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。可以看出，與預(yù)掘回撤通道受采動(dòng)應(yīng)力影響較大不同，采用分步掘進(jìn)形成回撤通道，圍巖變形較為穩(wěn)定，變形量在可控范圍之內(nèi)，頂板下沉量平均為147 mm，底鼓量平均為113 mm，略高于數(shù)值模擬結(jié)果。這說明分步掘進(jìn)回撤通道工藝較好控制了通道頂?shù)装宓淖冃巍?/p>

圖5 不同測(cè)點(diǎn)頂、底板位移圖

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，對(duì)3313大采高工作面回撤通道采用分步掘進(jìn)施工工藝進(jìn)行掘進(jìn)和支護(hù)，一方面避免了提前掘進(jìn)回撤通道造成的通道維護(hù)和頂板對(duì)接的困難，回撤通道穩(wěn)定性得到了較好的控制；另一方面分步掘進(jìn)施工方便快捷效率高，掘進(jìn)后的浮煤通過工作面刮板輸送機(jī)直接進(jìn)入煤流系統(tǒng)，減少了運(yùn)輸設(shè)備的使用，大大提升了安全系數(shù)。

5 結(jié) 論

1）對(duì)3種回撤通道掘進(jìn)方式，預(yù)掘回撤通道變形最大，支護(hù)困難；采煤機(jī)割煤形成回撤通道和分步掘進(jìn)回撤通道3種方式圍巖變形較小，通道穩(wěn)定性較好。但采煤機(jī)割煤形成回撤通道時(shí)，頂板錨索梯網(wǎng)支護(hù)實(shí)施困難，且對(duì)施工人員的安全帶來極大威脅。

2）分步掘進(jìn)形成回撤通道避免了預(yù)掘回撤通道造成的通道維護(hù)和頂板對(duì)接的困難，圍巖變形量小，回撤通道穩(wěn)定性得到了較好的控制，且施工方便快捷效率高，掘進(jìn)后的浮煤通過工作面刮板輸送機(jī)直接進(jìn)入煤流系統(tǒng)，減少了運(yùn)輸設(shè)備的使用，大大提升了安全系數(shù)。

3）分步掘進(jìn)支架回撤通道的掘進(jìn)方法及相應(yīng)支護(hù)設(shè)計(jì)方案較好控制了回撤通道的變形，保證了工作面液壓支架的快速安全回撤。研究成果可為大采高工作面回撤通道掘進(jìn)方法及支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。