深部特厚煤層末采回撤支護(hù)技術(shù)實(shí)踐

張 澤，崔 鵬，龔 凱

(陜西能源投資股份有限公司煤業(yè)分公司，陜西 西安 710000)

0 引言

綜放開采是我國特厚煤層高效開采的主要工藝之一[1]。綜放開采具有覆巖活動(dòng)空間大、礦壓顯現(xiàn)較劇烈、煤壁穩(wěn)定性差、頂板破碎時(shí)易引發(fā)冒頂事故等特點(diǎn)，其回撤通道圍巖控制問題較為突出[2]。只有在有效保證工作面回撤通道安全穩(wěn)定的前提下，工作面設(shè)備才能快速、安全的實(shí)現(xiàn)回撤，亦是礦井安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)[3-5]。

馬小輝等[6]針對(duì)孟村煤礦401101工作面末采回撤問題，采用錨桿、錨索對(duì)末采期間頂板進(jìn)行支護(hù)，錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)回撤通道，同時(shí)對(duì)工作面上、下隅角進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，最終該礦401101工作面在保證安全的前提下高效、順利地完成回撤工作。陳依琛[7]為解決彬長小莊礦特厚煤層綜放工作面末采找頂、沿頂回撤過程中丟底煤等問題，采用高強(qiáng)聚酯纖維柔性網(wǎng)配合錨網(wǎng)索支護(hù)的方式施工撤架通道。馬小寧等[8]以韓家灣煤礦3-1號(hào)煤層某綜采工作面末采回撤工程實(shí)踐為研究案例，對(duì)綜采工作面實(shí)現(xiàn)快速回撤工藝進(jìn)行探討。呂坤等[9]針對(duì)酸刺溝煤礦特厚煤層綜放工作面回撤通道圍巖支護(hù)與穩(wěn)定較差的難題，基于現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬，對(duì)回撤通道圍巖的變形破壞特征進(jìn)行了分析，并提出了回撤通道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。毛增雪[10]采用錨網(wǎng)支護(hù)方式支護(hù)通道和運(yùn)用掩護(hù)支架維護(hù)三角區(qū)，大大減緩了頂板下沉量，同時(shí)運(yùn)用“雙軌吊”新技術(shù)回撤支架及大型設(shè)備，為陜西彬縣下溝煤礦工作面設(shè)備回撤提供了良好條件和充分時(shí)間。程洪濤[11]通過對(duì)嚴(yán)重沖擊地壓礦井綜采放頂煤工作面重型支架回撤工藝研究，成功實(shí)施了無預(yù)留回撤通道、高強(qiáng)度聚酯纖維網(wǎng)鋪設(shè)假頂和多掩護(hù)架回撤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工作面重型支架的安全、快速回撤。王惠風(fēng)等[12]使用纖維柔性網(wǎng)替代金屬網(wǎng)，實(shí)施提高工作面支架阻力、注入高分子材料、優(yōu)化補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式等頂板控制技術(shù)的工藝，實(shí)現(xiàn)了保德煤礦81505綜放工作面安全高效貫通回撤。

雖然諸多學(xué)者針對(duì)深部特厚煤層綜放工作面末采回撤問題進(jìn)行了大量的研究實(shí)踐，但針對(duì)園子溝煤礦所處的永隴礦區(qū)的相關(guān)研究還較少。且1012001工作面為園子溝煤礦的首采工作面，因此需開展工作面末采回撤支護(hù)技術(shù)研究，以期為后續(xù)工作面順利回撤和同類條件礦井提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面概況

1012001工作面是園子溝煤礦的首采工作面，設(shè)計(jì)傾向長度200 m、走向2 608 m，可采走向長度2 057 m。工作面開采2號(hào)及2-1號(hào)煤層，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較為簡單，由距1012001工作面末采區(qū)域較近K13-4號(hào)鉆孔可知，工作面末采區(qū)域2-1號(hào)煤層埋藏深度631.89 m，煤層厚度11.75 m。煤層最短自然發(fā)火期39 d，煤塵具有爆炸性，回采期間具有中等沖擊危險(xiǎn)性。

1.1 工作面停采線位置的確定

由于工作面停采線位置為回采里程2 057 m處(帶式輸送機(jī)巷2#聯(lián)巷往外110 m)為DF26斷層影響范圍，頂板破碎、回撤通道施工支護(hù)困難。2#聯(lián)巷在X2向斜影響范圍、此段屬于具有中等沖擊危險(xiǎn)，也不適宜布置回撤通道。同時(shí)考慮到排水、轉(zhuǎn)載機(jī)拉移需要，綜合考慮后，確定停采線位置為回采里程1 877 m處(2#聯(lián)巷往里60 m)，此時(shí)轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭剛好推移至2#聯(lián)巷口，如圖1所示。

圖1 1012001工作面停采位置示意Fig.1 Stop mining position of 1012001 working face

1.2 工作面末采回采方案

工作面停采線位置末采區(qū)域帶式輸送機(jī)巷6°34′下坡，二號(hào)回風(fēng)巷2°13′上坡；機(jī)頭標(biāo)高+473.9 m、機(jī)尾標(biāo)高+491.3 m，工作面坡度4°58′。距停采線50 m時(shí)調(diào)整機(jī)頭機(jī)尾錯(cuò)距，機(jī)頭機(jī)尾同步推采，按照兩巷控制工作面層位，推采過程中做到“三直、兩平、兩暢通”，推采高度按3.8 m控制。回撤通道位置煤機(jī)下扎200～300 mm，用以回撤通道澆筑混凝土。

2 工作面末采、回撤支護(hù)方案

2.1 工作面末采期間支護(hù)方案

2.1.1 工作面末采鋪網(wǎng)方案

根據(jù)工作面支架尺寸(前梁長+頂梁長=5 685 mm、掩護(hù)梁長2 450 mm、尾梁及插板伸出總長2 440 mm、插板距巷道底板1 200 mm)、回撤通道寬度(4 500 mm)及采空區(qū)矸石埋壓長度(一般取2 000 mm)，通道煤壁高3 800 mm，確定鋪網(wǎng)長度為22 m(其中0～20 m為聚酯纖維柔性網(wǎng)，20～22 m采用8#菱形鐵絲網(wǎng))，工作面末采上網(wǎng)長度確定如圖2所示。

圖2 末采上網(wǎng)長度確定示意Fig.2 The determination of the length of the upper net at the end mining

2.1.2 工作面末采上網(wǎng)支護(hù)方案

推采至停采線前18 m處開始鋪設(shè)高強(qiáng)聚脂纖維柔性網(wǎng)(帶風(fēng)筒布)，規(guī)格為106 m×20 m(長×寬)，共鋪設(shè)2張，柔性網(wǎng)張開后在工作面中部搭接，搭接長度按5 m執(zhí)行。上網(wǎng)時(shí)在每架架間前梁端部施工固網(wǎng)錨桿，配合鐵托盤用于固定網(wǎng)邊和絞盤鋼絲繩，采用規(guī)格為φ22 mm×3 000 mm的螺紋鋼錨桿、間距1.75 m。緊靠固網(wǎng)錨桿鋪設(shè)一道鋼絲繩，用12#鐵絲將鋼絲繩固定在錨桿及柔性網(wǎng)上，鋼絲繩規(guī)格為φ18.5 mm、長度212 m。鋼絲繩端頭兩順槽巷道頂部各施工2根φ21.6 mm×7 300 mm錨索，將鋼絲繩端頭用鐵托板、索具和不少于三道配套繩卡固定在錨索上。上網(wǎng)后下一刀割完再施工一排錨桿加固頂網(wǎng)，錨桿規(guī)格φ22 mm×3 000 mm、間距1.75 m。錨桿支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為每根錨桿配K2360樹脂藥卷3支、托盤規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，錨固力按150 kN執(zhí)行，外露按10～40 mm執(zhí)行。錨索施工標(biāo)準(zhǔn)為每根錨索配Z2360樹脂藥卷4支、托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，外露按200～300 mm執(zhí)行。

當(dāng)末采掛網(wǎng)推采3.2 m后，開始在架前柔性網(wǎng)下掛鋼絲繩。鋼絲繩沿工作面傾向布置，每隔800 mm布置1根。鋼絲繩規(guī)格為φ18.5 mm、長度212 m，用12#鐵絲連在柔性網(wǎng)上、1 m/扣。尾梁上共布置鋼絲繩6根。每根鋼絲繩端頭兩順槽巷道頂部及肩窩處各施工一根φ21.6 mm×7 300 mm錨索，將鋼絲繩端頭用鐵托板、索具和不少于3道配套繩卡固定在錨索上。錨索施工標(biāo)準(zhǔn)為每根錨索配Z2360樹脂藥卷4支、托盤規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，外露按200～300 mm執(zhí)行。

推采至距停采線10m時(shí)，對(duì)1～116#支架采取錨網(wǎng)索配合鋼絲繩對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。錨桿規(guī)格為φ22 mm×3 000 mm、間排距1 750 mm×800 mm，每架架間一根錨桿、每網(wǎng)布置一排，共施工錨桿8排。錨索規(guī)格為φ21.6 mm×7 300 mm、間排距1 750 mm×1 600 mm，每架架間一根錨索、隔網(wǎng)布置一排，共施工錨索4排。鋼絲繩沿工作面傾向布置，每隔800 mm布置一根。鋼絲繩規(guī)格為φ18.5 mm、長度212 m，用12#鐵絲連在柔性網(wǎng)上、1 m/扣。共布置鋼絲繩8根。每根鋼絲繩端頭兩順槽巷道頂部及肩窩處各施工一根φ21.6 mm×7 300 mm錨索，將鋼絲繩端頭用鐵托板、索具和不少于3道配套繩卡固定在錨索上。錨索施工標(biāo)準(zhǔn)為每根錨索配Z2360樹脂藥卷4支、托盤規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，外露按200～300 mm執(zhí)行。錨桿支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為每根錨桿配K2360樹脂藥卷3支、托盤規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，錨固力按150 kN執(zhí)行，外露按10～40 mm執(zhí)行。錨索支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為每根錨桿配Z2360樹脂藥卷4支、托盤規(guī)格300 mm×300 mm×18 mm，預(yù)緊力按250 kN執(zhí)行，外露按150～250 mm執(zhí)行。每根錨桿旁邊架設(shè)一塊200 mm×800 mm×100 mm板梁，板梁用12#鐵絲固定在頂網(wǎng)下方，用以防護(hù)支護(hù)錨桿，防止拉移支架時(shí)折斷支護(hù)錨桿。

2.2 工作面回撤通道支護(hù)方案

根據(jù)確定的停采線位置，工作面支架停止前移后，由采煤機(jī)前移自掘通道。根據(jù)工作面支架尺寸，支架底座前移2/3后緊靠鄰架進(jìn)行轉(zhuǎn)向，確定最小回撤通道尺寸為2.86 m。支架轉(zhuǎn)向安全間隙1 000 mm，巷道變形影響按300 mm計(jì)算，綜合確定回撤通道寬度為4 500 mm，高度3 800 m(地坪至巷道頂板距離)，地坪厚度300 mm。

推采至距停采線4.4 m時(shí)，到回撤通道施工位置，開始施工回撤通道。此時(shí)可將支架與前部刮板輸送機(jī)推移頭斷開，采用單體支柱輔助推移，進(jìn)行通道擴(kuò)掘施工。回撤通道支護(hù)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，采用聚酯纖維網(wǎng)護(hù)表。錨桿規(guī)格為φ22 mm×3 000 mm、間距800 mm×800 mm，每根錨桿配K2360樹脂藥卷3支、托盤規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，錨固力按150 kN執(zhí)行，外露按10～40 mm執(zhí)行。錨索規(guī)格為φ21.6 mm×9 300 mm、間距1 600 mm×1 600 mm、每根錨索配Z2360樹脂藥卷4支、托盤規(guī)格300 mm×300 mm×18 mm，預(yù)緊力按250 kN執(zhí)行，外露按150～250 mm執(zhí)行。回撤通道幫部支護(hù)采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿規(guī)格為φ22 mm×3 000 mm、間排距800 mm×800 mm，錨桿支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)與頂部錨桿要求一致。支架頂部及回撤通道支護(hù)斷面示意圖如圖3所示，平面示意圖如圖4所示。

圖4 支架頂部及回撤通道支護(hù)平面示意Fig.4 Support plane for the top of the support and the retreat channel

2.3 上下端頭支護(hù)方案

末采管理期間，根據(jù)停采線位置提前核算兩順槽超前支護(hù)鋼梁停止回收位置，讓鋼梁跟著超前架走，確保推采至通道位置時(shí)鋼梁剛好到達(dá)上下端頭支架頂部。下端頭鋼梁剛好架設(shè)在端頭架頂梁上部，鋼梁行人側(cè)用貼幫單體支護(hù)，里側(cè)搭接在1#支架上部。上端頭鋼梁一頭搭設(shè)在115#支架頂梁上、一頭貼煤墻打設(shè)液壓單體。從末采掛網(wǎng)開始調(diào)整上端頭過渡支架位置，將116#支架到上端頭煤壁距離按1.8～2 m控制。

2.4 超前支護(hù)調(diào)整方案

帶式輸送機(jī)巷加固錨索施工后，超前支護(hù)拆掉中間排單體，改成“一梁二柱”布置。超前支架兩側(cè)打注單體，用以拖住支架頂部鋼梁。端頭架行人側(cè)鋼梁下打注單體。

“二號(hào)回風(fēng)巷加固錨索施工后，超前支護(hù)拆除。超前支架兩側(cè)打注單體，用以拖住超前支架頂部鋼梁。待超前支架回撤后，采用“一梁二柱”單體鋼梁布置支護(hù)此段巷道頂板，改為“二號(hào)回風(fēng)巷加固錨索施工后，超前支護(hù)拆除”。超前支架兩側(cè)打注單體，用以拖住超前支架頂部鋼梁。待超前支架回撤后，采用“一梁二柱”單體鋼梁布置支護(hù)此段巷道頂板。拆掉的中間排單體打設(shè)在煤柱側(cè)單體中間，用以后期支架推移座與前溜斷開后輔助前溜前移，打設(shè)的單體防倒繩、連鎖繩全部掛好連好，防止單體傾倒傷人。”

2.5 絞車硐室支護(hù)方案

當(dāng)開始擴(kuò)掘回撤通道時(shí)，在后部刮板輸送機(jī)機(jī)尾正對(duì)二回煤柱側(cè)施工絞車硐室，用以回撤時(shí)拉移后部刮板輸送機(jī)中部槽及變線槽。硐室規(guī)格為3 000 mm×4 500 mm×3 000 mm(寬×長×高)。絞車硐室全斷面掛8#鐵絲菱形網(wǎng)，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。頂板及幫部采用φ22 mm×3 000 mm螺紋鋼錨桿支護(hù)，間排距為800 mm×800 mm，每根錨桿使用3根K2360樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，錨固力不小于125 kN、外露10～40 mm，網(wǎng)茬搭接按100 mm執(zhí)行，聯(lián)網(wǎng)按100 mm/扣執(zhí)行。采用錨索對(duì)頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，錨索選用φ21.6 mm×7 300 mm鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 600 mm，每排施工錨索2根，每根錨索使用4根Z2360樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，選用18 mm×300 mm×300 mm鐵托盤，錨固力不小于250 kN、外露100～250 mm。絞車硐室支護(hù)示意圖如圖5所示。

圖5 絞車硐室支護(hù)斷面示意Fig.5 Support section of winch chamber

3 支護(hù)效果分析

回撤通道內(nèi)每隔30 m安設(shè)一組GUD300型頂板離層儀，總共安設(shè)9組(記為L1-L9)，對(duì)回撤通道頂板離層情況進(jìn)行觀測。離層儀布置在回撤通道中間位置，深部錨固點(diǎn)固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)7 m處，淺部錨固點(diǎn)固定在錨桿端部深度相同的位置(3 m處)。每天安排專人查看離層變化情況，對(duì)離層區(qū)域及時(shí)采取措施、進(jìn)行支護(hù)。圖6反映了回撤通道頂板不同深度巖層的變形移動(dòng)情況。如圖6(a)所示，由L2號(hào)離層儀監(jiān)測結(jié)果可知，頂板巖體至3 m基點(diǎn)的下沉量為6 mm；頂板表面至深部的7 m基點(diǎn)的下沉量為21 mm，則頂板3～7 m內(nèi)巖層出現(xiàn)18 mm的離層變形量。如圖6(b)所示，由L8號(hào)離層儀監(jiān)測結(jié)果可知，頂板巖體至3 m基點(diǎn)的下沉量為5 mm；頂板表面至深部的7 m基點(diǎn)的下沉量為25 mm，則頂板3～7 m內(nèi)巖層出現(xiàn)20 mm的離層變形量。綜合結(jié)果分析，回撤通道內(nèi)頂板離層變形量較小，頂板總體穩(wěn)定，支護(hù)效果較好。

圖6 回撤通道頂板不同深度巖層的變形移動(dòng)情況Fig.6 Deformation and movement of rock formations on the roof of the retreat channel

4 結(jié)論

(1)通過頂板離層儀對(duì)回撤通道內(nèi)頂板巖層變形量進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明，回撤通道工作面頂板3～7 m內(nèi)巖層出現(xiàn)的離層變形量均小于20 mm，回撤通道內(nèi)頂板離層變形量較小，頂板總體穩(wěn)定，支護(hù)效果較好。

(2)通過1012001工作面末采回撤實(shí)踐，結(jié)果表明，采用鋪設(shè)高強(qiáng)聚脂纖維柔性網(wǎng)進(jìn)行末采鋪網(wǎng)、錨網(wǎng)索配合鋼絲繩對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)的末采上網(wǎng)支護(hù)，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)回撤通道及使用聚酯纖維網(wǎng)護(hù)表，并對(duì)上下端頭、超前支護(hù)及絞車硐室加強(qiáng)支護(hù)的末采回撤支護(hù)技術(shù)安全可靠。