綜采工作面回撤通道圍巖控制技術研究

徐學標

(潞安集團 蒲縣伊田煤業有限公司，山西 臨汾 041200)

1 工程概況

某礦所采煤層為山西組3號煤，煤層平均厚度為6.2 m，結構簡單穩定。30405工作面傾向長度為210 m，走向長度為1 140 m，目前工作面已經回采1 010 m，進入末采階段，即將收尾。因此，必須掌握末采階段工作面回撤巷道圍巖變形規律，以采取合適的支護措施對回撤通道圍巖進行控制，保證工作面末采階段的安全回采及工作面設備的快速回撤。由于30403工作面和30405工作面相鄰，地質情況相同，下面依據30403工作面回撤通道變形特點，對30405工作面回撤通道圍巖進行控制。

2 回撤通道圍巖變形破壞規律分析

在30403工作面回采期間，當工作面推進到與回撤通道相距105 m時，對回撤通道圍巖表面的變形進行了觀測，直至回撤通道與30403工作面貫通。采用收斂計監測巷道頂板和兩幫的位移量，回撤通道內共布置5個監測點，監測點之間的間距為50 m。測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置示意

整個觀測期間，隨著工作面的推進回撤通道圍巖變形情況見圖2。由圖2可知，頂板和兩幫的位移量趨同，可分為以下三個階段：①工作面與回撤通道相距105～38 m時，頂板下沉量為4.67～7.48 mm，兩幫移近量為8.57～10.25 mm，圍巖呈現出良好的穩定性，工作面回采動壓對回撤通道產生的影響較小；②工作面與回撤通道相距38～8 m時，頂板下沉速率為6 mm/d，兩幫移近率為5 mm/d，回采動壓對回撤通道產生較大影響，頂板和兩幫位移量較大，但圍巖變形處于可接受范圍內，回撤通道能夠正常使用；③工作面與回撤通道相距8～0 m時，頂板下沉量為324.18～779.48 mm，最大下沉率為350 mm/d，兩幫移近量為61.5～223.5 mm，最大移近率為110 mm/d，受到采動劇烈影響，巷道圍巖變形明顯，巷道斷面嚴重收縮，回撤通道無法保證正常使用。通過分析可以得出：30405工作面與回撤通道相距0～8 m時，在回撤通道內將會發生劇烈變形，因此，在設計支護方案時，應將該因素考慮其中。

同時，由圖2還可以看出，伴隨著回采工作的進行，相比于1、5測點，2、3、4測點的頂板下沉量和兩幫移近量相對較大，由此可知：回撤通道中部圍巖位移量較兩端大。在回撤通道與工作面貫通后，兩端圍巖變形如圖3(a)所示，頂板整體性良好，煤幫側出現了輕微的變形，回采側呈現扭轉下沉，回撤通道變形量輕微，能夠實現對工作面搬家需求。回撤通道中部圍巖破壞形式如圖3(b)所示，頂板整體出現了下沉，實體煤幫側出現嚴重內擠，回撤通道斷面損失約40%，存在冒頂的風險，無法正常使用。因此，在設計回撤通道支護結構過程中，回撤通道中部區域(50～100 m)要增加支護強度。

圖2 回撤通道圍巖變形情況

圖3 回撤通道圍巖變形示意

3 工作面末采階段礦壓和圍巖控制技術

3.1 停采讓壓

停采讓壓是指在回采過程中，回撤通道與工作面貫通前，為了實現對工作面老頂周期來壓步距的改變，對回采速度進行科學調整，在合理位置停采實現貫通前的最后來壓，將上覆巖層的壓力轉移至采空區，降低回撤通道頂板和實體煤側的豎直方向的應力，確保巷道圍巖整體穩定[1-3]。

工作面停采讓壓示意如圖4所示，在回采工作面將要與回撤通道貫通時，若頂板長時間無來壓，需要繼續向前推進，在貫通之時，在圖4斷裂1和斷裂2位置處極有可能發生來壓，實體煤上方以及回撤通道可能出現斷裂，導致回撤通道支架的載荷加劇，巷道發生劇烈變形。若實施停采讓壓，有助于發揮掩護式支架和間隔煤柱的切頂作用，促使工作面老頂斷裂。回撤通道貫通后，末采工作面老頂的跨距與來壓步距相比較小，頂板來壓問題將不會再次發生，回撤通道頂板巖層的穩定性良好，變形得到了有效控制。

圖4 工作面停采讓壓示意

停采讓壓的關鍵在于確定讓壓位置，在停采讓壓時，若煤柱過寬，極有可能導致老頂再次斷裂，導致冒頂事故的發生。若讓壓位置科學合理，能夠使老頂在合適位置斷裂，不會再次來壓[1-3]。針對停采讓壓位置的選擇，應將工作面頂板周期來壓步距考慮在內，還需要考慮到讓壓間隔煤柱的影響，煤柱寬度應處于回撤通道回采幫與煤壁的塑性范圍，依據以下公式計算：

D=km(R1+R2)

D≥le

式中：D為讓壓間隔煤柱寬度；km為煤柱穩定系數，取值為1.2；R1為回撤通道回采側煤壁塑性破壞深度；R2為工作面側煤壁塑性破壞深度，le為工作面周期來壓步距。

工作面回采期間礦壓監測結果顯示，在工作面末采階段距離回撤通道25 m時，通過計算分析支架觀測數據，得到老頂平均周期來壓步距為15.5 m，據此可知：回撤通道與煤柱的寬度之和應在15.5 m之上，煤柱寬度應大于9.5 m(回撤通道寬6 m)。在工作面實際生產過程中，讓壓停采工作在距離回撤通道13 m處進行，進行掛網處理，停采一段時間后，繼續推進至貫通，未出現來壓，表明停采讓壓措施科學合理。

3.2 支護方式優化

根據鄰近30403工作面回撤通道現場礦壓監測結果顯示，原有回撤通道支護方法無法實現對圍巖變形的有效控制，頂板下沉量過大，回撤通道中部圍巖出現嚴重變形。因此，根據鄰近工作面巷道圍巖變形監測結果，及回撤通道頂板情況，對30405工作面回撤通道采取錨桿(索)+垛式支架的支護方式。

1) 垛式支架。確保支架支撐力滿足頂板的支撐要求，在工作面采動影響下，垛式支架的支撐作用主要表現為對頂板下沉的支撐，支護關鍵點在于降低工作阻力，以此減小頂板的下沉量，并以回采階段頂板下沉量為依據，適當增加垛式支架的支撐力，從而降低頂板下沉量。30405工作面回撤通道選用型號為為ZD18000/25/50 的垛式支架，該支架能夠提供的工作阻力為12 165 kN，初撐力為9 072 kN，滿足支護強度要求。在主回撤通道內部全面采用上述型號的垛式支架，主回撤通道內垛式支架布置間距為800 mm。

2) 錨桿錨索支護。工作面與回撤通道貫通時，讓壓煤柱煤體需要進行全部采空處理，若采用螺紋鋼錨桿容易對采煤機截齒造成損害。因此，該側采用玻璃鋼錨桿支護，錨桿采用D18 mm×2 200 mm的玻璃鋼錨桿， 間排距為800 mm×1 000 mm， 預緊力不小于50 kN；煤柱幫采用D18 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為400 mm×1 000 mm；頂板錨索采用D18 mm×7 300 mm 的預應力鋼絞線，排距為2 000 mm， 錨索預緊力不小于130 kN， 錨固長度為1 200 mm；回撤通道頂板布置6根錨桿，錨桿采用D18 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，預緊力不小于50 kN，兩頂角錨桿與頂板成30°夾角；采用D16 mm圓鋼焊制的托梁與金屬網結合進行護幫護頂，托梁排距為1 000 mm，并安設尺寸為長×寬×厚=5 200 mm×250 mm×4 mm 的鋼帶。主回撤通道支護方式如圖5所示。

圖5 回撤通道支護斷面(mm)

4 應用效果分析

為了實現對支護方式以及停采讓壓位置的評價，采用和30403工作面回撤通道同樣的觀測方案，現場觀測30405工作面回采期間回撤通道圍巖位移情況，觀測結果見圖6。回撤通道貫通前，頂板和實體煤幫的位移量相近，貫通后，回撤巷道頂板最大位移量為120 mm，兩幫最大位移量為200 mm，滿足工作面回撤搬家要求。

圖6 回撤通道圍巖變形情況