綜采工作面回撤通道支護設計及回撤方案優化

張鵬偉

（西山煤電杜兒坪礦，山西 太原 030053）

引言

煤礦中含有多個回采工作面，各個工作面的接續效率受制于工作面的回撤效率，在實際回撤過程中由于支護不合理、不全面導致冒頂壓機事故的出現，尤其是液壓支架被壓死無法撤出工作面，大大延緩了綜采工作面的回撤效率[1]。因此，為保證礦井高效高產的生產目標，提高綜采工作面的回撤效率，需對回撤通道進行合理支護，并對回撤方案進行優化。

1 工程概況

本文針對1209工作面在實際回撤過程中存在的問題對回撤通道的支護和回撤方案進行優化設計。1209工作面煤層的平均厚度為3.55 m，煤層的傾角范圍為2°～7°，平均傾角為4°。1209工作面的地質情況如表1所示。

表1 1209工作面地質情況

經現場探測可知，1209工作面包含的巷道有切眼、運輸順槽、輔助運輸順槽、聯絡橫川以及回風順槽，整個工作面采用“E”形的布置方式對所有巷道進行布置。工作面所有巷道的斷面形狀均為矩形，主要采用錨索進行支護[2]。本文主要研究1209工作面回撤通道的支護問題，重點對其配置的液壓支架進行說明。1209工作面所配置的液壓支架類型及數量包括有二柱掩護式端頭液壓支架（5臺）、二柱掩護式過渡液壓支架（2臺）以及二柱掩護式中部液壓支架（134臺）。

2 工作面礦壓規律及液壓支架合理工作阻力的研究

2.1 工作面礦壓規律的研究

通過掌握1209工作面的礦壓顯現規律，決定在回撤通道布置停采讓壓技術確保頂板所集聚的礦山壓力完全泄放，保證工作面設備的順利回撤和安全回撤。為此，在工作面中選擇9個液壓支架并分別安裝一臺紅外壓力傳感器，所監測液壓支架的編號為4號、9號、14號、64號、69號、74號、124號、129號、134號。

經對紅外壓力傳感器所監測的數據進行分析可知，1209工作面的中間部位為巷道頂板支撐壓力的集中區域，該區域頂板出現破碎且斷裂的問題，其周期來壓步距約為18 m，而在工作面左右兩端的周期來壓步距約為22 m。此外，在工作面周期來壓期間，其頂板被嚴重破壞、煤壁兩幫也出現片幫的現象，而且周期來壓的影響范圍為推進步距的2～3倍。因此，工作面停采后，嚴禁私自降壓從而影響頂板的完整性。與此同時，結合1209工作面的地質條件，其在距離停采10.25～14.25 m的位置進行合理讓壓操作[3]。

2.2 讓壓與回撤期間液壓支架合理工作阻力的確定

結合1209工作面的地質條件，其頂板的巖層包括有兩個關鍵層：其一為距離煤層上方25 m位置處的以粗砂巖為主的主關鍵層，厚度為15 m；其二為距離煤層上方2.1 m位置處的以中粗砂巖為主的亞關鍵層，厚度為11.9 m。

停采讓壓期間的核算：經計算可知，1209工作面頂板屬于軟弱性，其對應的冒落帶高度為5.92 m，而且亞關鍵層處于垮落的范圍之內。因此，當工作面頂板發生周期來壓后，其頂板結構成為臺階—砌體梁結構。在停采讓壓期間要求液壓支架的工作阻力不得低于9 503.3 kN，而當前工作面所配置液壓支架的額定工作阻力僅為8 500 kN，無法對工作面頂板進行良好的控制。因此，在停采讓壓期間還需采用單體液壓支柱加強對頂板圍巖的支護控制。

回撤期間的核算：在回撤期間液壓要求液壓支架的工作阻力不得低于6 363.4 kN，當前工作面所配置的液壓支架能夠滿足回撤的要求[4]。工作面所配置的液壓支架的長度為6.9 m，一般情況下要求回撤通道的寬度大于液壓支架長度的一半。因此，綜合考慮確定回撤通道的寬度為4 m。

3 回撤通道支護及回撤方案的優化設計

3.1 回撤通道的支護設計

鑒于傳統支護方案中選用菱形鐵絲網強化支護時存在勞動強度大、支護效率低以及工序繁雜的問題，本工程采用高強樹脂纖維網和錨桿錨索的聯合支護方式。結合工作面回撤通道的寬度、液壓支架頂梁及掩護梁的長度等參數，最終確定高強樹脂纖維網的寬度為25 m。結合工作面巷道的布置長度約為240 m，在保證一定余量的前提下，最終確定高強度樹脂纖維網的長度為260 m。

工作面所選擇頂板和兩幫支護錨桿類型為螺紋鋼錨桿，其中錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 500 mm，對于頂板支護錨桿的間距為800 mm，錨桿排間距為800 mm，對于兩幫支護錨桿間距為800 mm，錨桿排間距為1 500 mm。

工作面的錨索采用五花眼布置，對應錨索直徑為17.8 mm，錨索長度為8 000 mm，錨索間距為3 200 mm，錨索排間距為1 600 mm。

3.2 回撤方案的優化設計

針對已經支護后的回撤通道采用單向回撤和雙向回撤兩種方案對工作面的100臺液壓支架進行回撤，兩種回撤方案的流程如圖2所示。

如圖2所示，單向和雙向回撤方案均經歷3個階段對工作面的液壓支架進行回撤。其中，在第一階段回撤10臺液壓支架；在第二階段回撤30臺液壓支架；在第三階段回撤100臺液壓支架。方案一為由工作面中部對液壓支架進行雙向回撤；方案二為從運輸巷開始對液壓支架進行單向回撤。基于FLAC3D軟件對不同回撤方案對應頂板的下沉量進行仿真分析，得出如圖3所示的結果。

圖2 不同回撤方案流程模擬

分析圖3可知，雙向回撤時工作面各個剖面對應頂板的下沉量明顯小于單向回撤時的下沉量。即，采用雙向回撤時對工作面頂板能夠進行更好的控制[5]。

圖3 不同回撤方案對應的頂板下沉量

綜上所述，針對1209工作面回撤通道采用高強度樹脂纖維網進行強化支護后通過雙向回撤技術對工作面的液壓支架進行回撤。實踐表明，采用上述方案進行回撤總耗時14 d即完成了回撤任務，直接節約經濟成本約為108萬元。

4 結語

綜采工作面的回撤效率直接決定相鄰工作面的接續效率，對保證煤礦高產高效生產具有重要意義。在實際回撤中，需根據工作面地質條件對回撤通道進行優化支護的同時，考慮工序相對簡單的支護手段，此外，可結合數值模擬軟件對不同回撤方案下對頂板圍巖的控制效果進行分析，最終得出最佳回撤方案。針對1209工作面液壓支架回撤采用雙向回撤技術進行回撤任務，總耗時約為14 d，較上一個工作面提前11 d且可直接節約成本108萬元。