特厚頂煤預(yù)掘回撤通道動壓擾動支護(hù)技術(shù)研究

張 鑫

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 033602)

隨著采煤工藝的日趨成熟和采煤設(shè)備的更新?lián)Q代，綜采放頂煤工作面回采時(shí)間縮短，搬家倒面越發(fā)頻繁。一個(gè)采煤面回采至停采線需要盡快回撤設(shè)備，通常采用預(yù)掘回撤通道技術(shù)提高回撤效率，但由于回撤通道提前掘出會受到末采期間來自工作面的動壓影響，使回撤通道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，嚴(yán)重的甚至?xí)U棄，給回撤工作帶來很大的難度，因此合理選擇回撤通道位置與支護(hù)方案，成為回撤收尾工作順利完成甚至采煤銜接交替正常進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，回撤通道預(yù)掘技術(shù)在薄煤層、中厚煤層取得了成功的應(yīng)用，尤其在沿空成巷無煤柱開采技術(shù)中具有技術(shù)優(yōu)勢，能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，但在綜采放頂煤工作面的應(yīng)用卻很少[1-5]. 通過對斜溝煤礦23112回撤通道礦壓變化情況進(jìn)行研究，采用“躲壓+抗壓”的聯(lián)合防治強(qiáng)礦壓措施進(jìn)行礦壓控制。

1 工程概況

23112工作面位于21采區(qū)南翼，上部為18112采空區(qū)，東西部均為實(shí)煤區(qū)，工作面埋藏深度為121～269 m，與8#煤層層間距約為54.56 m，可采走向長度為2 819.4 m，傾向長度為242.4 m. 煤層普式系數(shù)大于2，屬中硬煤層。煤層厚度平均為14.44 m，上覆直接頂為泥巖，厚度為3.74 m，基本頂為灰白色的細(xì)粒砂巖，厚度為6.8 m.

2 回撤通道設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)的巷道礦壓控制方法多以“抗壓”為主，此法常不能獲得滿意的護(hù)巷效果。后來逐漸發(fā)展了“讓壓”、“躲壓”和“卸壓”等新的巷道礦壓控制原理，使巷道礦壓控制的措施和手段更為靈活和多樣化。這些原理和相應(yīng)的措施目前已得到廣泛的應(yīng)用[4,6]，但由于每種礦壓控制原理各有利弊，故有時(shí)兩種原理也配合使用，以取得更為理想的護(hù)巷效果。

考慮到特厚頂煤回撤通道地質(zhì)條件的特殊性，采用“躲壓+抗壓”的聯(lián)合措施，選擇地應(yīng)力較低的地段和方向布置回撤通道；其次結(jié)合以往綜放工作面收尾回撤經(jīng)驗(yàn)，將回撤通道與工作面布置呈一定角度，實(shí)現(xiàn)逐步與回撤通道貫通，減少頂板跨度過大地段；最后采用高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力的錨桿(索)支護(hù)，以滿足末采期間持續(xù)抵抗強(qiáng)礦壓的需要。

結(jié)合同采區(qū)相鄰工作面地應(yīng)力測試結(jié)果，23112工作面回撤通道布置在距21輔運(yùn)上山199.9 m的位置，與23112材料巷呈91°，見圖1.

圖1 回撤通道布置圖

3 末采礦壓數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)斜溝煤礦23112綜放工作面的地質(zhì)條件，建立FLAC3D數(shù)值模擬彈性模型，模型尺寸為長280 m×寬30 m×高85 m，在模型上表面施加10.53 MPa均布載荷，其余面施加位移約束。該次模擬研究對象為回撤通道圍巖，設(shè)置開挖步距為5 m，共開挖20 m. 利用摩爾庫倫準(zhǔn)則，模擬回撤通道圍巖在工作面末采期間的應(yīng)力、位移變化情況，得出應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)合此規(guī)律，對回撤通道采用針對性的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。

23112回撤通道未受末采動壓影響時(shí)初始垂直應(yīng)力、位移分布見圖2. 從圖2可以看到，垂直應(yīng)力集中分布在回撤通道頂幫交界處，工作面幫側(cè)以壓應(yīng)力為主，煤柱幫側(cè)以拉應(yīng)力為主；回撤通道工作面幫的圍巖位移呈現(xiàn)“拋物線”型帶狀分布。

圖2 23112回撤通道初始垂直應(yīng)力、位移分布圖

3.2 末采礦壓結(jié)果分析

隨著工作面的開采，23112回撤通道圍巖進(jìn)入末采動壓影響期，垂直應(yīng)力分布、圍巖位移分布分別見圖3，圖4.

圖3 23112回撤通道受末采動壓垂直應(yīng)力分布圖

圖4 23112回撤通道受末采動壓圍巖位移分布圖

1) 垂直應(yīng)力分析。

從圖3中可以看到，當(dāng)工作面回采至距回撤通道15 m時(shí)，在煤壁前方產(chǎn)生了明顯的超前支承壓力，回撤通道工作面幫開始出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；當(dāng)工作面回采至距回撤通道10 m時(shí)，煤壁前方的超前支承壓力有所減弱，部分應(yīng)力發(fā)生了轉(zhuǎn)移，而回撤通道工作面幫的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了加強(qiáng)；當(dāng)工作面回采至距回撤通道5 m，煤壁前方的超前支承壓力和回撤通道工作面幫的應(yīng)力均有較大程度地減弱，大部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了采空區(qū)和周圍煤巖體；當(dāng)工作面與回撤通道貫通時(shí)，煤壁前方的超前支承壓力和回撤通道工作面幫的應(yīng)力都轉(zhuǎn)移到了采空區(qū)和周圍的煤巖體。

2) 圍巖位移分析。

從圖4中可以看到，當(dāng)工作面回采至距回撤通道15 m時(shí)，回撤通道圍巖位移并未發(fā)生明顯變化；當(dāng)工作面回采至距回撤通道10 m時(shí)，回撤通道煤柱幫頂角處開始出現(xiàn)較大位移；當(dāng)工作面回采至距回撤通道5 m時(shí)，回撤通道圍巖均產(chǎn)生了較大位移；當(dāng)工作面與回撤通道貫通時(shí)，回撤通道上方出現(xiàn)劇烈礦壓顯現(xiàn)。

4 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及效果分析

4.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采用“強(qiáng)幫強(qiáng)頂”的方案抵抗末采動壓影響。通道斷面設(shè)計(jì)為倒梯形，上頂寬4.9 m，下底寬4.4 m，巷道高3.6 m，采用錨網(wǎng)索的聯(lián)合支護(hù)形式，頂部錨桿采用d22 mm×2 600 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨索采用d21.6 mm×12 000 mm的鋼絞線；幫部錨桿采用d20 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，錨索采用d21.6 mm×3 500 mm的鋼絞線，見圖5.

圖5 回撤通道斷面設(shè)計(jì)圖

4.2 支護(hù)效果分析

為掌握回撤通道在末采至貫通期間的圍巖變形特征及巷道支護(hù)效果，采用十字布點(diǎn)法對巷道圍巖的變形破壞特征進(jìn)行觀測。該次觀測共布置6個(gè)觀測點(diǎn)，觀測從回撤通道開始貫通到完全貫通圍巖變形穩(wěn)定期間的圍巖變形破壞。

1) 頂?shù)装逡平坑^測數(shù)據(jù)分析。

23112回撤通道頂?shù)装逡平孔兓€見圖6.從圖6中可以看出，頂?shù)装逡平吭诠ぷ髅嬲w與回撤通道貫通后走向基本達(dá)到穩(wěn)定，27#支架、43#支架、61#支架、67#支架、73#支架、109#支架處的觀測點(diǎn)頂?shù)装逡平糠逯捣謩e為910 mm、1 120 mm、1 350 mm、1 420 mm、1 170 mm、1 120 mm. 由于工作面采用機(jī)頭→機(jī)尾的逐段方式與回撤通道貫通，各觀測點(diǎn)的最大變形速率均在距貫通10 m處開始呈現(xiàn)逐段顯現(xiàn)，最大變形速率達(dá)到405 mm/d.

圖6 頂?shù)装逡平孔兓€圖

2) 兩幫移近量觀測數(shù)據(jù)分析。

23112回撤通道兩幫移近量變化曲線見圖7. 從圖7中可以看出，兩幫移近量在工作面整體與回撤通道貫通前10 m出現(xiàn)劇烈變化，27#支架、43#支架、61#支架、67#支架、73#支架、109#支架處的觀測點(diǎn)兩幫移近量峰值分別為60 mm、68 mm、90 mm、109 mm、78 mm、110 mm. 其中，工作面中部和機(jī)尾段的最大變形速率分別達(dá)到41 mm/d、23 mm/d. 此外，工作面采用機(jī)頭→機(jī)尾的逐段方式與回撤通道貫通，對兩幫移近量無明顯影響。

圖7 兩幫移近量變化曲線圖

綜合頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平繑?shù)據(jù)分析結(jié)果，可得出回撤通道圍巖變形規(guī)律：相較掘巷支護(hù)初期受掘進(jìn)開挖影響，貫通階段的圍巖處于劇烈變形階段，通過支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的二次耦合調(diào)整，在經(jīng)歷強(qiáng)礦壓之后，變形最終趨于平緩。

5 結(jié) 論

1) 結(jié)合特厚頂煤回撤通道地質(zhì)條件的特殊性，采用“躲壓+抗壓”的聯(lián)合措施控制礦壓?；诖怂悸?，選擇地應(yīng)力較低的地段和方向布置回撤通道，通道采用倒梯形斷面，并選用高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力的錨桿(索)支護(hù)，增加了對頂板、兩幫的控制強(qiáng)度。

2) 特厚頂煤預(yù)掘回撤通道在收尾期間受動壓擾動影響，圍巖變形破壞特征是頂肩和幫角產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨后部分超前支承壓力開始轉(zhuǎn)移到回撤通道應(yīng)力集中區(qū)，形成應(yīng)力二次疊加，超出圍巖強(qiáng)度極限，圍巖開始產(chǎn)生劇烈變形；伴隨著圍巖的進(jìn)一步變形破壞，應(yīng)力繼續(xù)重新分布，造成回撤通道圍巖礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。

3) 現(xiàn)場實(shí)踐表明，采用“強(qiáng)幫強(qiáng)頂”方案設(shè)計(jì)的回撤通道抵抗住了末采動壓的影響，表面位移變化范圍正常，較以往回撤通道圍巖變形破壞有了較大程度地減弱，高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力的錨桿(索)支護(hù)作用顯著，保證了巖層的整體性，有效地控制了圍巖變形破壞，回撤前期僅需對巷道底板進(jìn)行拉底硬化即可滿足回撤作業(yè)的需求，提高了回撤效率。