綜放工作面末采期間頂板及設備撤出巷控制技術研究

郎軍 郭璋 韓偉

摘要：針對綜放工作面單通道設備撤出巷支護問題，采用理論分析、數值模擬和現場實測及結合以往工作實踐經驗，對伊泰京粵酸刺溝礦業有限責任公司6_上115綜放工作面設備撤出巷支護相關事項進行了研究總結，結果表明：合理的支護方式，可以對末采期間巷道破壞進行有效控制，6_上115綜放工作面的順利貫通，驗證了支護設計的可行性和適用性。

關鍵詞：綜放工作面;設備撤出巷;數值模擬;支護

中圖分類號：TD327.2;TD823.97文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0086-05

我國煤炭開采已從淺部逐漸進入深部開采階段。由采高增加而導致的采動壓力顯現越來越突出，尤其是工作面回撤巷道將經受動壓的嚴峻考驗。酸刺溝煤礦6_上煤煤層的埋深達到251m以上，其上覆基巖層結構、受采動影響的運動及破壞有其自身特點，12.6m綜放工作面的回采對上覆基巖的擾動更加強烈，頂板控制困難，而頂板控制是確保工作面安全順利貫通的基礎，但針對特殊地質條件還需作進一步研究。快速搬家技術的關鍵在于能否保持回撤通道的穩定，合理地選擇末采期間回撤通道支護方式是礦井實現安全高效生產的關鍵。因此，本文結合酸刺溝煤礦具體地質和生產條件，綜合采用理論分析、數值模擬和現場實測的方法，確定設備撤出巷合理礦壓控制和支護技術，確保回撤安全。

1工作面概況

酸刺溝井田位于鄂爾多斯大型構造盆地東北緣的準格爾煤田，6_上115工作面位于井田一盤區南翼最東部，工作面走向2754m，傾向254.6m，工作面埋深251m。采用單一走向長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤法，采高3.8m，煤層平均厚度12.6m。直接頂為灰白色粗粒砂巖，老頂為灰白色一灰色礫巖、中粗粒砂巖及少量泥巖。直接底為灰色泥巖、灰白色中一粗粒砂巖，半堅硬。末采回撤采用單通道設備撤出巷，規格5.6m×4.2m。

2頂板穩定性分類

巷道錨桿錨索支護范圍內的巖層結構特征直接影響到支護效果，礦用巖層鉆孔窺視儀可以直觀地反映鉆孔內巖體不連續面、離層等情況，為支護設計、圍巖穩定性評價提供現實依據。本次設備撤出巷窺視鉆孔設置在距膠運順槽10m、60m、120m、180m和240m處，共設5孔分別窺視，鉆孔直徑28mm，鉆孔深度15m，布置如圖1所示。

窺視結果分析：觀測范圍內頂煤厚度變化不大，基本在5.3-7.9m之間。6_上115工作面設備撤出巷直接頂為灰白色粗粒砂巖，在3.5-6.1m之間。老頂為中粗粒砂巖及少量泥巖（在2#、3#孔內有約1m左右的泥巖）。頂板巖體完整性良好，基本沒有裂隙。

物理力學試驗試樣采用探水鉆機鉆取，鉆進方向與水平方向夾角成45°，鉆進長度30m，取芯直徑80mm。通過巖芯鉆取得出，該處煤層厚度在11.5m，平均煤芯采取率為29.5%，平均巖芯采取率為95.8%。

將煤層的地質鉆孔資料和窺視鉆孔資料及物理力學試驗數據應用于煤層頂板穩定性預測系統，由頂板預測結果可得，頂板類型屬于Ⅲ類。

3周期來壓步距

現場監測是一種最直接、最有效的巷道礦壓顯現規律研究方法。礦壓監測從工作面距離設備撤出巷100m時開始，布置5個測站，分別監測6#、40#、70#、105#、140#支架的工作阻力，分別對每個測站的監測數據進行分析整理，根據實測所得支架工作阻力的變化計算工作面來壓步距，工作面不同位置周期來壓步距如表1所示，平均周期來壓步距為25.2m。

4數值模擬分析

選用FLAC-3D計算軟件分析工作面回采對設備撤出巷圍巖的應力及變形量的影響，為設備撤出巷支護方式選擇、支護參數確定提供參考。

4.1模型建立

本次數值模擬以酸刺溝煤礦6_上115工作面為計算模型，模型塊體的本構關系采用摩爾一庫侖準則。采深為251m，煤厚12.6m，采高3.8m。模型高71m，長136m，寬100m，各巖層的力學參數采用試驗所得數據，模型建立如圖2所示。

4.2模擬方案

支護方法即采用6_上115設備撤出巷預想支護方案。具體方法是：煤層從距設備撤出巷80m開始開采，末采期間取6個階段進行分析，距離設備撤出巷依次為30m、20m、15m、10m、5m、0m。在計算的過程中，對設備撤出巷頂板及兩幫煤巖體內豎直應力以及位移的變化進行分析。

4.3模擬結果分析

當巷道開挖后，巷道圍巖內部的應力重新分布，巷道頂板的塑性區范圍為3.0m，底板的塑性區范圍為1.5m，兩幫的塑性區范圍為2.0m，如圖3所示。設備撤出巷回采幫垂直應力分布曲線分別如圖4所示。巷道開挖引起圍巖垂直應力重新分布，在巷道頂底板附近形成垂直應力降低區。頂板中部2m范圍內的垂直應力幾乎為0，兩幫垂直應力基本呈對稱分布，在1.5m范圍應力降低，1.5～2.Orm范圍是應力平衡區，2.0m以外垂直應力升高，峰值位于2.5m處，為9.7MPa，應力集中系數為1.9。

水平應力分布曲線如圖5所示。頂板2.5m范圍以外水平應力逐漸升高，兩幫中部在2.0m范圍內應力很小，隨著煤體向深部延伸，水平應力逐漸升高，在5.0m范圍以外水平壓力逐漸趨于穩定。

末采期間，當工作面距離設備撤出巷30m時，設備撤出巷受采動影響并不明顯。

如圖6～9所示，當工作面距離設備撤出巷20m時，設備撤出巷受采動影響明顯，巷道圍巖變形破壞開始加劇。超前支承壓力峰值為15.2MPa，在工作面前方3～4m范圍內。受采動影響，設備撤出巷附近的垂直應力峰值增大到14.4MPa，距左幫3m。較巷道開挖時產生的垂直應力集中增大48.5%，峰值所處位置向左側擴展0.5m。

當工作面距離設備撤出巷15m時，超前支承壓力峰值為15.5MPa，在工作面前方3-4m范圍內。垂直應力峰值增大到15.7MPa，距左幫3.5m。峰值所處位置向左側擴展0.5m。頂板塑性區和右幫塑性區已經連接。底板的塑性區范圍變化不大，兩幫的塑性區范圍變化不明顯。

當工作面距離設備撤出巷10m時，超前支承壓力峰值為18.9MPa，在工作面前方3.5m處。垂直應力峰值增大到18.9MPa，距回采幫4.0m。煤柱幫出現應力集中，峰值為15MPa，說明設備撤出巷煤柱幫同樣受到工作面超前支承壓力的影響。兩幫的塑性區范圍明顯不一致，回采幫塑性區范圍為4.0m，并且已經和工作面前方塑性區相互連接，煤體大部分都已經遭到破壞。

當工作面距離設備撤出巷5m時，超前支承壓力已經轉移到設備撤出巷煤柱幫，與巷道圍巖應力相互疊加作用，峰值大小為17.5MPa，設備撤出巷頂板的塑性區范圍為5.0m，并目頂板回采幫塑性區明顯大于煤柱幫。

當工作面距離設備撤出巷0m，即貫通時，超前支承壓力與巷道圍巖應力相互疊加，峰值為17.6MPa，在距右幫3.5m處，較巷道開挖時產生的垂直應力集中增大81.4%。設備撤出巷頂板煤體已經完全遭到破壞，靠近工作面處頂板破壞深度甚至延伸到上面的老頂粗砂巖。煤柱幫的塑性區范圍為3.5m，并且已經和巷道頂板塑性區連接，形成一個巨大的矩形塑性區。

如圖10所示，末采期間，隨著工作面的推進，與設備撤出巷的距離逐漸縮短，巷道附近的應力也發生了一系列的變化，由最初的9.7MPa逐漸增長到18.9MPa，當工作面距離設備撤出巷10m時，巷道附近應力值到達最大。

通過數值模擬研究設備撤出巷在末采期間受采動影響的規律可知：

1）在工作面逐步推進，逐漸接近設備撤出巷過程中，巷道圍巖的塑性區范圍也是逐漸擴大。頂板在末采期間的變形破壞嚴重，靠近煤壁側的頂板破壞深度更深;巷道兩幫，在超前支承壓力的作用下，圍巖產生塑性區。

2）設備撤出巷在貫通后的巷道只有頂底板和煤柱側幫部，在數值模擬過程中，隨著工作面推進，超前支承壓力移動，頂板和煤柱幫的塑性區逐漸擴大，并且互相發展，形成了巷道右上部的大面積塑性破壞。綜上兩點，認為設備撤出巷圍巖支護的“主控部位”應當為頂板和右幫，即煤柱幫。

3）工作面貫通后，設備撤出巷頂板塑性區范圍到達7m，靠近煤壁側的頂板破壞深度更深，煤柱幫塑性區范圍達到3.5m。因此，設備撤出巷頂板錨桿（索）長度至少要超過7m，頂板靠近煤壁側的錨索施工時應向煤柱幫偏離一個角度，煤柱幫錨桿（索）長度至少超過3.5m。

4）通過工作面采動對設備撤出巷影響的數值模擬可知，工作面距離設備撤出巷30m時，采動對設備撤出巷圍巖穩定影響不大;工作面距離設備撤出巷20m時，采動對設備撤出巷圍巖穩定產生影響;工作面距離設備撤出巷15m時，采動對設備撤出巷圍巖穩定影響較大。為了保證末采順利貫通與設備撤出巷穩定，當工作面距離設備撤出巷30m時，停止放煤;當工作面距離設備撤出巷15m時，工作面開始鋪設高強度聚酯纖維柔性網。

5錨桿錨索受力監測

為了精確測試錨桿錨索受力情況，在6_上115設備撤出巷布置了3個頂板壓力傳感器和礦用本安型監測儀測站，在錨桿錨索測力儀器安裝后，錨桿初撐力為2.8t，錨桿受力平穩，受工作面采動影響后，錨桿受力迅速增大，最大值為4.7t，之后受力曲線又保持平穩。錨索初撐力4t，錨索受力平穩，受工作面采動影響后，錨索受力迅速增大，最大值為9.8t，之后受力曲線又保持平穩。錨桿錨索受力在設備撤出巷貫通前保持穩定，在即將貫通時錨索受力突然增大，錨桿受力也有增大趨勢，但沒有發生破斷現象。

6深基點位移數據分析

結合現場施工實際和試驗研究的需要，設備撤出巷布置3個深基點位移測點。深基點儀器采用鷹眼式結構，其監測數據能夠直接反映巷道圍巖的變化情況，為巷道支護優化方案提供重要實踐依據。

在深基點設備安裝后，隨著回采工作面的推進，工作面沒有靠近之前，頂板圍巖位移量很小，之后受采動影響，位移量迅速增加，0-1m范圍內出現了40mm的位移量，1～2m范圍內出現了20mm的位移量，2-4.8m范圍內出現了40mm的位移量，4.8～10m范圍內出現了20mm的位移量，總共出現了120mm的位移量。這表明107主回撤受采動影響礦壓現象劇烈，主要位移集中在0-1m和2-4.8m范圍內，如圖11所示。

7設備撤出巷支護參數

綜合礦壓規律、數值模擬和現場實測研究結果，提出設備撤出巷的支護參數為：頂板每排8根φ20x2200mm左旋螺紋鋼錨桿+w鋼帶，排距1400mm;3根φ21.6x12000mm錨索，排距1400mm。煤柱幫每排5根φ20x2200mm左旋螺紋鋼錨桿+w鋼帶，排距700mm;回采側幫每排5根φ20x2000mm玻璃鋼錨桿，加木托盤，排距700mm。待工作面受采動影響平穩后再次對設備撤出巷進行支護，根據多次實踐經驗，貫通前三個月開始支護效果最好。支護方式為：頂板每排之間補打3根φ21.6x12000mm錨索，間排距與原錨索支護方式相同。煤柱幫每排補打3根φ18.9x6300mm錨索，加w鋼帶，排距1500mm，距底板900mm，如圖12所示。設備撤出巷口（輔、膠運側）使用雙根焊接11#礦用工字鋼+21.6x12000mm錨索支護，錨索排距1000mm，施工11排。輔、膠運順槽（設備撤出巷開口）回采側20m，煤柱側10m范圍，分別使用11#礦用工字鋼+21.6x12000mm錨索支護，錨索排距1000mm。支護完畢后對頂板采用雙抗塑料網片進行護頂，防止貫通時托盤掉落。外部支護手段采用工作阻力22000kN的垛式支架，布置兩排。

8結語

通過礦壓監測、數值模擬、理論計算、現場實測等研究手段，得出以下結論：

1）通過6_上115綜放面液壓支架受力監測分析，得出了工作面周期來壓步距范圍為20～30m，平均周期來壓步距約25.2m。

2）通過數值模擬研究設備撤出巷在末采期間受采動影響的規律可知，工作面貫通時，設備撤出巷頂板塑性區范圍到達7m，靠近煤壁側的頂板破壞深度更深，煤柱幫塑性區范圍達到3.5m。因此，設備撤出巷頂板錨桿（索）長度至少要超過7m，煤柱幫錨桿（索）長度至少超過3.5m。

3）根據數值模擬中設備撤出巷的礦壓規律，為了保證末采順利貫通與設備撤出巷穩定，當工作面距離設備撤出巷30m時，停止放煤;當工作面距離設備撤出巷15m時，工作面開始鋪網。網片采用高強度聚酯纖維柔性網。

4）6_上115設備撤出巷頂板錨桿錨索受力監測結果顯示，錨桿受力最大值為4.7t，錨索初撐力4t，錨索受力最大值為9.8t，錨桿錨索受力在設備撤出巷貫通前保持穩定，在即將貫通時錨索受力突然增大，錨桿受力也有增大趨勢，但沒有發生破斷現象。

5）通過綜合研究，最后確定了設備撤出巷的合理支護方案。