綜采工作面動(dòng)壓區(qū)回撤通道施工方案及支護(hù)技術(shù)

王雪龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦）

煤礦綜采工作面在回采結(jié)束后，需要通過回撤通道將液壓支架及相關(guān)設(shè)備轉(zhuǎn)移到下一個(gè)采煤工作面。目前最為常用的采煤工作面回撤通道的掘進(jìn)方式是預(yù)掘回撤通道。預(yù)掘回撤通道就是在停采線附近預(yù)先掘出1條與采煤工作面平行的回撤通道，當(dāng)采煤工作面與預(yù)掘回撤通道貫通后，用以回撤液壓支架。但預(yù)掘回撤通道是超前于工作面回采完成，會(huì)產(chǎn)生超前工作面回采的壓力，由于應(yīng)力集中會(huì)在工作面附近一定范圍內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)壓擾動(dòng)［1-4］，預(yù)掘的回撤通道在工作面回采的超前動(dòng)態(tài)支撐壓力影響下，易發(fā)生壓垮末采段煤柱、壓死液壓支架等事故；并且在回撤過程中，經(jīng)常出現(xiàn)頂板及兩幫垮落現(xiàn)象，回撤通道維護(hù)困難，易造成瓦斯積聚、風(fēng)速超限等問題，存在重大安全隱患。目前解決措施一是采用加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，如打錨索、注漿錨桿等技術(shù)進(jìn)行巷道加固；二是改善回撤工藝，如調(diào)整支架設(shè)備撤出順序等。雖然取得了一定的效果，但是并沒有改變巷道的圍巖結(jié)構(gòu)，也就沒有從根本上改變支撐壓力的分布特點(diǎn)［5-7］，不具備讓壓特性，存在應(yīng)力集中造成巷道圍巖大變形等問題。本文以馬脊梁礦8127工作面為研究背景，對復(fù)雜條件下大斷面回撤通道施工工藝及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程背景

1.1 工作面四鄰關(guān)系

馬脊梁礦8127 工作面位于井田一盤區(qū)，工作面西南為盤區(qū)大巷（一盤區(qū)皮帶巷、一盤區(qū)輔運(yùn)巷、一盤區(qū)回風(fēng)巷），南東為8220 工作面采空區(qū)，北東為同忻礦界，東北為實(shí)煤區(qū)。8127 工作面采用綜合機(jī)械化回采工藝，截至2021 年3月，工作面已回采至2 104 m，距停采線還剩50 m（停采線設(shè)計(jì)位置為2 154 m處，采區(qū)大巷預(yù)留保安煤柱寬度為100 m）。

1.2 工作面煤層特性

8127 工作面沿煤層底板布置，開切眼長239 m。可采走向長2 254 m，回采煤層為3#層，工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度4.5～8.3 m，平均厚度為5.89 m，含3～4層夾矸，厚0.88～1.40 m，純煤平均厚4.91 m，夾矸巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖、高嶺巖，局部有煌斑巖。煤層平均傾角為3°，屬近水平煤層。煤巖類型以暗淡型為主，煤種為長焰煤。煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

1.3 工作面地質(zhì)構(gòu)造情況

8127 工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，多以中小斷層為主，在工作面639～730 m 處已揭露1 條X2陷落柱，根據(jù)2127 巷、5127 巷掘進(jìn)地質(zhì)資料顯示，工作面回采期間共計(jì)揭露7 條正斷層（斷層編號F1～F7），其中位于1 200，1 140，910，760，260 m已揭露5條斷層，平均落差為1.8 m，傾角為60°；工作面位于82，67 m 處預(yù)計(jì)揭露F6、F72條斷層，其中F6斷層落差為1.4 m，傾角為52°，F(xiàn)7斷層落差為1.9 m，傾角為57°，全部從尾巷揭露。

2 工作面回撤通道施工方案

為了便于工作面結(jié)采期間設(shè)備安全快速回撤，在工作面100 m 里程牌處需施工1 條矩形斷面回撤通道，長度為239 m，寬度為4.0 m，高度為3.5 m，回撤通道沿3#煤層底板進(jìn)行施工。

2.1 回撤通道原施工方案

2.1.1 超前預(yù)掘法

初步設(shè)計(jì)8127工作面回撤通道采用超前預(yù)掘法進(jìn)行施工，工作面回采至120 m 處時(shí)提前預(yù)掘1 條回撤通道，回撤通道從運(yùn)輸順槽側(cè)開口施工，巷道施工斷面為4 m×3.5 m（寬×高），巷道采用全斷面光面爆破施工工藝，回撤通道施工期間在巷道內(nèi)安裝一部40T 型刮板輸送機(jī)與運(yùn)輸順槽內(nèi)DTL 型帶式輸送機(jī)搭接聯(lián)合出煤；巷道頂板采用錨桿（索）聯(lián)合支護(hù)，巷道煤幫采用金屬螺紋鋼錨桿支護(hù)，采空區(qū)巷幫采用玻璃鋼錨桿支護(hù)。工作面回采完成后與回撤通道貫通。

2.1.2 原施工工藝存在的問題

超前預(yù)掘法進(jìn)行回撤通道施工時(shí)，對工作面回采影響小，可與工作面回采協(xié)同施工，但是在實(shí)際施工過程中存在一些不足，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）增加了掘進(jìn)工程量。采用超前預(yù)掘法進(jìn)行回撤通道施工時(shí)，增加了工作面掘進(jìn)工程量達(dá)240 m，掘進(jìn)成本費(fèi)用增加了200余萬元。

（2）掘進(jìn)難度大。超前預(yù)掘法進(jìn)行回撤通道施工采用爆破施工工藝，巷道掘進(jìn)效率低，而且受爆破震動(dòng)影響圍巖穩(wěn)定性差，巷道圍巖支護(hù)后出現(xiàn)蠕動(dòng)變形現(xiàn)象。

（3）圍巖維護(hù)困難。預(yù)先掘進(jìn)回撤通道的巷道形成時(shí)間長，受回采工作面采動(dòng)影響大，經(jīng)常出現(xiàn)頂板及兩幫垮落現(xiàn)象，巷道維護(hù)困難，易造成瓦斯積聚、風(fēng)速超限等問題。

（4）煤柱損失嚴(yán)重。為保證回撤期間頂板穩(wěn)定，超前預(yù)掘法進(jìn)行回撤通道施工時(shí)與盤區(qū)大巷需預(yù)留100～150 m保安煤柱，造成工作面煤柱損失量大。

2.2 回撤通道施工方案優(yōu)化

為了提高工作面煤柱回采率，加快工作面回撤通道施工速度，決定對8127 工作面回撤通道采取以采代掘“自成巷法”，并在回撤通道施工前進(jìn)行深孔爆破切頂卸壓，降低構(gòu)造應(yīng)力、回采應(yīng)力等集中應(yīng)力對圍巖的破壞。

2.2.1 自成巷法施工工藝

（1）為了提高8127 工作面煤柱回采率，采用自成巷法進(jìn)行回撤通道施工，將原100 m 保安煤柱縮小至80 m（停采線后移20 m），工作面回采至84 m 處時(shí)停止繼續(xù)回采，對工作面?zhèn)涡边M(jìn)行調(diào)整，清理工作面浮煤，并將工作面所有支架移架到位，保證支架前探梁距煤壁距離不大于0.3 m。

（2）工作面?zhèn)涡闭{(diào)整后采煤機(jī)從端頭斜切進(jìn)刀，割煤深度為0.7 m，工作面每割煤50 m 停止割煤，及時(shí)對頂板施工錨桿索支護(hù)，支護(hù)完成后繼續(xù)回采，以此類推直至第一刀割煤完成。

（3）工作面第一刀割煤完成后支架不進(jìn)行前移，采用推移千斤進(jìn)行移刮板輸送機(jī)，當(dāng)推移千斤推拉最大行程后采用單體柱配合千斤頂聯(lián)合推移刮板輸送機(jī)，直至移機(jī)到位。

2.2.2 深孔爆破切頂卸壓技術(shù)

8127工作面82 m處揭露1條正斷層，回撤通道布置在動(dòng)壓區(qū)內(nèi)，圍巖破碎嚴(yán)重，工作面停止移架后采空區(qū)頂板垮落過程中構(gòu)造應(yīng)力、回采應(yīng)力等集中應(yīng)力對頂板產(chǎn)生剪切破壞作用，造成頂板破碎、垮落現(xiàn)象，所以決定對回撤通道頂板采取深孔切頂卸壓技術(shù)。

（1）切頂卸壓原理。對回撤通道頂板進(jìn)行爆破預(yù)裂切頂施工，切斷回撤通道局部范圍頂板應(yīng)力傳遞通道，弱化集中應(yīng)力對回撤通道頂板剪切破壞作用，且預(yù)裂爆破能夠很好地保護(hù)巷道頂板完整性［8］。利用恒阻大變形錨索對切頂頂板進(jìn)行支護(hù)，使回撤通道頂板能夠最大限度地發(fā)揮自身承載作用［9］，從而達(dá)到控制頂板變形、離層的目的。

（2）切頂卸壓孔布置參數(shù)。工作面共計(jì)布置23個(gè)切頂卸壓爆破鉆孔（鉆孔編號Z1、Z2、Z3...），其中回風(fēng)順槽、運(yùn)輸順槽內(nèi)各布置6個(gè)，工作面內(nèi)布置11個(gè)。所有鉆孔向采空區(qū)方向布置仰角為25°，鉆孔深度在8～10 m，鉆孔終孔位置位于頂板往上9.0 m處，架后5.0 m處，鉆孔終孔位置水平距為10 m，如圖1所示。鉆孔施工完后確保所有鉆孔終孔位置位于同一水平線上，水平及垂直誤差不得超過200 mm。

（3）爆破預(yù)裂施工工藝。工作面回采至停采線時(shí)，在支架前探梁前方0.3 m 處開始布置爆破預(yù)裂鉆孔，鉆孔直徑為40 mm，順槽內(nèi)鉆孔布置間距為0.5 m，工作面內(nèi)鉆孔布置間距為10 m。所有鉆孔布置完成后對鉆孔內(nèi)安裝1 根長度為3.0 m，直徑38 mm“D型”聚能管，并對每根聚能管內(nèi)填裝4 支礦用三級乳化炸藥以及1 支毫秒延期電雷管，采用正向裝藥方式。對鉆孔未裝藥段采用水炮泥進(jìn)行封孔，在孔口0.5 m 處采用膨脹水泥進(jìn)行封堵，每次爆破孔數(shù)不得超過3個(gè)。

3 回撤通道支護(hù)技術(shù)

3.1 恒阻大變形錨索支護(hù)

為了防止工作面頂板爆破切頂后回撤通道施工過程中出現(xiàn)頂板破碎、垮落事故，決定對切頂孔附近圍巖采取恒阻大變形錨索支護(hù)。

（1）大變形恒阻錨索采用長度為8.3 m、直徑為21.8 mm 的鋼絞線，錨索抗剪切強(qiáng)度為560 MPa，延展率為30%，恒阻錨索配套1 根高應(yīng)力讓壓器，讓壓器最大讓壓行程為0.25 m，錨索外露端安裝1 根蝶形“JW”型鋼梁，鋼梁長0.45 m，寬0.32 m。

（2）恒阻大變形錨索支護(hù)孔布置在距爆破預(yù)裂孔0.5 m處，鉆孔布置間距為3.0 m，鉆孔深度為8.0 m，鉆孔垂直頂板布置；支護(hù)孔施工完后對鉆孔內(nèi)填裝錨固劑以及恒阻錨索，每隔鉆孔配套3 根錨固劑，錨固后在錨索外露端安裝讓壓器、JW 鋼梁并采用鎖具預(yù)緊，打壓預(yù)緊強(qiáng)度為47 MPa。

3.2 柔性纖維網(wǎng)支護(hù)

由于傳統(tǒng)金屬網(wǎng)剛性大、支護(hù)強(qiáng)度低，在大應(yīng)力蠕動(dòng)變形圍巖中金屬網(wǎng)護(hù)巖效果差，很容易出現(xiàn)金屬網(wǎng)破斷現(xiàn)象，所以對8127 回撤通道動(dòng)壓區(qū)頂板鋪設(shè)柔性聚氨酯纖維網(wǎng)。

3.2.1 柔性聚氨酯纖維網(wǎng)技術(shù)參數(shù)

（1）8127 工作面回撤通道柔性纖維網(wǎng)采用寬度為50 mm 阻燃導(dǎo)靜電涂層的柔性纖維網(wǎng)帶交錯(cuò)編織而成，編制后的網(wǎng)格為100 mm×100 mm，每卷柔性纖維網(wǎng)長度為60 m，寬度為20 m。柔性纖維網(wǎng)徑向抗拉強(qiáng)度為650 kN/m，橫向抗拉強(qiáng)度為580 kN/m；每卷金屬網(wǎng)配套1 根長度為80 m，直徑為12 mm 鋼絲繩，以及3個(gè)手動(dòng)絞盤。

（2）與傳統(tǒng)金屬網(wǎng)相比，柔性聚氨酯纖維網(wǎng)具有抗酸堿、靜電以及阻燃等特性，而且抗壓強(qiáng)度高，能夠適用于受應(yīng)力作用塑性變形圍巖中；實(shí)際鋪設(shè)時(shí)鋪設(shè)斷面大、鋪網(wǎng)勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度?。?0］。

3.2.2 柔性纖維網(wǎng)鋪設(shè)工藝

（1）首先在支架前立柱上各安裝1 個(gè)手動(dòng)絞盤，將絞盤鋼絲繩繩頭通過纖維網(wǎng)邊緣網(wǎng)格交替穿過，并固定在絞車盤上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)絞車盤盤繞鋼絲繩使柔性纖維升起。

（2）當(dāng)柔性纖維網(wǎng)升起后，在距網(wǎng)邊0.5 m處施工1排壓網(wǎng)錨桿，錨桿長度為1.0 m，直徑為22 mm，錨桿布置間距為1.5 m；第一卷網(wǎng)鋪設(shè)后依次鋪設(shè)第二卷、第三卷、第四卷網(wǎng)，鋪設(shè)工藝相同，相鄰2卷網(wǎng)搭接寬度為1.0 m，工作面共計(jì)鋪設(shè)4卷柔性纖維網(wǎng)。

（3）工作面回采時(shí)柔性纖維網(wǎng)采用鉛絲捆綁并吊掛在支架前探梁下方，回采后放下纖維網(wǎng)并采用錨桿索進(jìn)行壓網(wǎng)，當(dāng)工作面回撤通道施工到位后，將剩余纖維網(wǎng)沿煤壁鋪設(shè)并采用單錨桿壓網(wǎng)，如圖2所示。

3.3 “錨桿（索）+W型鋼帶”聯(lián)合支護(hù)

（1）回撤通道共計(jì)布置4 排W 型鋼帶，2 排單錨索，第一排W 型鋼帶布置在距支架前探梁1.0 m處，相鄰2 排鋼帶布置排距為1.0 m，采用的W 型鋼帶長度為4.2 m，鋼帶上等間距布置5 個(gè)孔徑為30 mm 錨索支護(hù)孔，孔間距為1.0 m。

（2）每根W型鋼帶配套5根長度為2.5 m、直徑為22 mm 無縱筋左旋螺紋鋼錨桿，錨桿抗拉強(qiáng)度為355 MPa，延展率小于12%。每根錨桿采用錨固劑進(jìn)行端頭錨固，錨固長度為0.95 m。相鄰2 根W 型鋼帶收尾錨桿采用疊加布置。

（3）2 排單錨索布置排距為2.0 m，布置間距為3.0 m，且與恒組大變形錨索交錯(cuò)布置，第一排錨索布置在第一排W 型鋼帶和第二排W 型鋼帶之間，第二排錨索布置在第三排W 型鋼帶和第四排W 型鋼帶之間；錨索長度為6.3 m，直徑為17.8 mm，錨索外露端安裝拱形高應(yīng)力托盤。

3.4 支護(hù)效果分析

截至2021 年4月，8127 工作面回撤通道已施工到位且支護(hù)完成，回撤通道支護(hù)后對通道內(nèi)頂板每隔40 m安裝一套YH-300型數(shù)字顯示頂板離層儀，回撤通道內(nèi)共計(jì)安裝3臺(tái)，分別安裝在A40支架、A80支架以及A120支架前方頂板處，通過10 d現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)：

（1）回撤通道在支護(hù)后前5 d 范圍內(nèi)由于圍巖掘進(jìn)后處于動(dòng)壓狀態(tài)，圍巖出現(xiàn)蠕動(dòng)變形現(xiàn)象，但是變形量小、變形速率低，實(shí)測最大頂板下沉量為0.11 m。

（2）在第5～8 天范圍內(nèi)頂板聯(lián)合支護(hù)對蠕動(dòng)變形圍巖實(shí)現(xiàn)了耦合支護(hù)作用，頂板變形量減小，在第8天實(shí)測頂板最大變形量為0.15 m；8 d后頂板趨于穩(wěn)定，下沉量為零。

4 結(jié)語

（1）與傳統(tǒng)回撤通道施工方案相比，自成巷法進(jìn)行回撤通道施工時(shí)利用采煤機(jī)直接施工，減少了工作面掘進(jìn)工程量及掘進(jìn)成本費(fèi)用，避免了回撤通道提前掘進(jìn)支護(hù)強(qiáng)度高、支護(hù)效果差以及工作面與回撤通道貫通時(shí)很容易出現(xiàn)頂板垮落等技術(shù)難題。

（2）對回撤通道施工期間采取深孔爆破切頂卸壓技術(shù)后，對頂板巖體進(jìn)行預(yù)裂，阻斷了應(yīng)力傳遞通道，達(dá)到了卸壓目的，同時(shí)采空區(qū)頂板沿切頂線垮落，防止采空區(qū)垮落過程中造成回撤通道頂板出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，且架后頂板實(shí)現(xiàn)全部垮落。

（3）通過對8127 工作面回撤通道頂板采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，控制了動(dòng)壓區(qū)頂板下沉、斷裂、煤壁片幫等現(xiàn)象，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，8127 工作面回撤通道頂板下沉量控制在0.15 m以下，煤壁幫未出現(xiàn)片幫垮落現(xiàn)象，支架前探梁前方切頂處頂板穩(wěn)定性好，未見斷裂、下沉現(xiàn)象。