解鵬雁，王 文

(1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 王莊煤礦，山西 長治 046000；2.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003)

工作面回采結(jié)束后，需要預(yù)留一定空間的回撤通道，便于工作面內(nèi)采煤配套設(shè)備安全快速的搬到接替面，搬家時間的長短將會對煤礦安全高效生產(chǎn)產(chǎn)生直接影響[1-7]。因此，保證回撤通道的穩(wěn)定，實現(xiàn)工作面設(shè)備的快速、順利回撤亦是礦井安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)[8-10]。

針對回撤通道支護技術(shù)的研究，諸多專家學者作了大量的研究。呂坤等[11]基于特厚煤層綜放工作面背景，對回撤通道圍巖變形規(guī)律進行模擬研究，并提出采用錨網(wǎng)索組合支護的方式控制回撤通道，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。李興華等[12]基于堅硬頂板條件對不同支護方式下的回撤通道受力變形規(guī)律作進行模擬研究，并得到合理的優(yōu)化支護方法，現(xiàn)場施工效果較好，且節(jié)約了成本。楊尚等[13]建立淺埋煤層情況的回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)力學模型，對錨固梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行了分析，并在現(xiàn)場進行應(yīng)用。楊仁樹等[14]針對礦井特殊地質(zhì)條件、大采高等背景下的工作面回撤通道穩(wěn)定性控制機理進行了分析研究。呂華文[15]運用理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場對應(yīng)力進行觀測的手段，對回撤通道靠近工作面?zhèn)鹊拿褐鶓?yīng)力變化規(guī)律進行了分析研究，形成預(yù)掘回撤通道的力學受力特征的機制。張金虎等[16-22]針對回撤通道受超前支承壓力影響而引起圍巖變形嚴重等難題均作了相應(yīng)的理論研究。

本文基于某煤礦9105工作面實際工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗等手段，建立回撤通道圍巖結(jié)構(gòu)力學模型，確定回采通道頂板錨固梁承受的最大拉應(yīng)力，提出回撤通道合理支護參數(shù)，并在現(xiàn)場進行了工程應(yīng)用，為類似條件下的回撤通道支護工程的實施提供技術(shù)參考。

1 工程背景

1.1 回撤工作面概況

某煤礦9105綜放工作面位于91采區(qū)，開采3號煤層，煤厚6.5 m左右，賦存較為穩(wěn)定。工作面標高+377～+522 m，地面標高+903～+932 m，平均埋深468 m。工作面東為礦界，西接540/3號膠帶巷，南為實體煤，北為設(shè)計工作面。煤層堅固性系數(shù)為1～3，夾矸堅固性系數(shù)為2～3，直接頂、直接底堅固性系數(shù)均為3～8；可采指數(shù)為1，變異系數(shù)為8.42%。煤層傾角為2°～12°，工作面正常涌水量為25～30 m3/h，最大涌水量為50 m3/h。采煤方式為傾斜長壁后退式綜采低位放頂煤一次采全高全部垮落法。工作面回采走向長3 350 m，切眼長340 m，采高(3.3±0.1) m，放頂煤高度約3.2 m，割煤進尺為0.8 m。9105工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面平面布置Fig.1 Layout of working surface

1.2 回撤通道原支護形式

Z2335、Z2360型樹脂加長藥卷各1支，錨固長度為1.2 m；每根頂錨索采用(CK+Z)2360型樹脂藥卷1支、Z2360型2支，錨固長度為2.2 m。鋪設(shè)直徑4.5 mm的雙層金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)規(guī)格10 m×1 m。支護斷面參數(shù)如圖2所示。

圖2 回撤通道原支護方式示意Fig.2 Schematic of original supporting method of retracement channel

2 回撤通道圍巖力學環(huán)境分析

綜放面在正常推進過程中，采空區(qū)上方基本頂巖層將會出現(xiàn)周期性破斷，而在末采期間工作面將作為回撤通道隨工作面不斷推進，前方的超前壓力會向前推移，回撤通道頂板壓力不斷增加。當超前支承壓力峰值前移至回撤通道頂板中心時，頂板支護結(jié)構(gòu)受載最大，頂板支護結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的機率最大。回撤通道圍巖結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 回撤通道圍巖結(jié)構(gòu)Fig.3 Surrounding rock structure of retracement channel

根據(jù)相關(guān)研究，頂板巖梁結(jié)構(gòu)受超前支承壓力峰值作用于回撤通道中部，頂板錨桿(索)對頂板支護力簡化為均布載荷進行回撤通道錨固梁結(jié)構(gòu)受力分析，如圖4所示。

圖4 回撤通道頂板結(jié)構(gòu)受力分析示意Fig.4 Schematic diagram of the force analysis of the roof structure of the withdrawal channel

圖4中，K為應(yīng)力集中系數(shù)，取2.1；γ為覆巖平均容重，取22 kN/m3；H為煤層埋深；P頂桿為頂錨桿工作面載荷，取126 kN；P頂索為頂錨索工作面載荷，取224 kN；n為單位面積上的錨桿根數(shù)；m為單位面積上的錨索根數(shù)。

根據(jù)計算分析，若原支護方案滿足要求則進行優(yōu)化，不滿足要求則進行加強支護。原支護方案錨固梁承受的最大拉應(yīng)力為：

(1)

式中，b為巷道的寬度；h為錨固梁的厚度，取頂錨索的有效長度；q為頂板巖梁所受的平均載荷；q1為錨桿、錨索對直接頂巖梁的均布載荷；σ為原支護方案錨固梁承受的最大拉應(yīng)力。

9105工作面回采通道寬度b為2.4 m，頂錨索有效長度h為6 m，經(jīng)計算頂板受覆巖的作用力均布載荷q為21.62 MPa，原支護方案錨桿、錨索對直接頂巖梁的均布載荷q1為0.12 MPa，因此得到原支護方案錨固梁承受的最大拉應(yīng)力為2.58 MPa。根據(jù)試驗可知，頂板加錨巖層允許抗拉強度為3.52 MPa，而原支護方案錨固梁實際承受的最大拉應(yīng)力小于回撤通道頂板加錨巖層允許抗拉強度，說明原支護方案能夠有效對回撤通道圍巖進行支護。因此，可以對回撤通道支護進行優(yōu)化。

3 回撤通道支護方案優(yōu)化研究

3.1 原支護方案數(shù)值模擬分析

運用FLAC3D模擬軟件，基于某礦9105工作面地質(zhì)情況建立計算模型，模型尺寸為長400 m、寬60 m、高200 m。其上邊界按照煤層覆巖重力情況施加均布荷載，四周為水平移動邊界，底部固定邊界，以空模型模擬采空區(qū)。本構(gòu)關(guān)系采用摩爾—庫侖準則。煤層埋藏深度約450 m，覆巖載荷為11.25 MPa。巷道斷面為矩形，斷面尺寸為2.4 m×3.5 m。模擬煤巖物理力學參數(shù)見表1。

表1 各巖層物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of each rock formation

回撤巷道采用原支護方案時進行模擬，得到通道圍巖應(yīng)力、位置變化情況如圖5所示。由圖5可知，回撤通道的垂直應(yīng)力最大26.3 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.34，因工作面回采動壓影響，通道頂?shù)装宄霈F(xiàn)較大區(qū)域的應(yīng)力釋放現(xiàn)象，右部應(yīng)力集中主要是在距通道4 m處，其邊角處也出現(xiàn)應(yīng)力集中很容易發(fā)生通道邊角失穩(wěn)，因此此處應(yīng)該對其補強支護；頂?shù)装逡平考s87 mm，煤壁移近量約42 mm，垂直位移主要發(fā)生在巷道左上角，無明顯底鼓現(xiàn)象。該方案下回撤通道圍巖在合理變形范圍內(nèi)，頂板能夠有效得到控制，可以滿足工程需要。

結(jié)合前文對回撤通道圍巖力學分析和數(shù)值模擬結(jié)果，回撤通道原支護方案可以滿足工作面安全回撤要求，但錨桿(索)間排距較小，造成材料消耗量和工程量偏高，支護成本較高，延長工作面搬家時間，引起工作面接替緊張，也不符合工作面回撤快速、安全回撤的要求。因此，研究合理的巷道支護參數(shù)，力求在達到支護要求的同時、節(jié)約成本，使工作面快速完成。

3.2 優(yōu)化后支護方案及數(shù)值模擬分析

根據(jù)回撤通道圍巖受力分析情況，結(jié)合原支護方案模擬結(jié)果，根據(jù)工程類比、理論計算等方式，提出9105工作面回撤通道支護優(yōu)化思路，即在頂板和煤壁幫采用高強預(yù)應(yīng)力錨桿網(wǎng)梁綜合支護，使用加長或全長的錨固形式以保障煤體的錨固效果，并增加錨桿間排距；鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)體保障回撤通道的整體穩(wěn)定性，頂角錨桿傾斜安裝，形成結(jié)構(gòu)效應(yīng)；基于高強錨桿支護體系，擴大頂板錨索的間距，同時讓錨桿、錨索起到協(xié)同的作用，保證圍巖的穩(wěn)定性。結(jié)合某煤礦9105工作面開采條件，提出2種回撤通道支護優(yōu)化方案。

圖5 回撤通道原支護方案模擬效果Fig.5 The simulation effect diagram of the original support plan of the withdrawal channel

優(yōu)化方案：頂錨桿加長、間排距適當增加，頂錨索加長；煤壁側(cè)3排錨桿且加長、間排距適當增加。回采通道的具體支護參數(shù)為：頂錨桿為φ20 mm×2 400 mm、HRB335型高強度螺紋鋼錨桿，間距為0.8 m，排距為1.2 m；頂板靠近煤壁側(cè)的錨桿距煤壁側(cè)0.2 m，并向煤壁側(cè)傾斜角度達到15°；頂錨索則采用φ18.9 mm×8 300 mm高強預(yù)應(yīng)力錨索線，頂錨索沿回撤巷道中心布置，設(shè)置1排錨索，排距為2.4 m；煤壁側(cè)錨桿使用φ20 mm×2 000 mm、HRB335高強度螺紋鋼錨桿，間排距均為1.2 m；煤壁幫最上方錨桿距離頂板0.5 m，且向上傾斜角度為15°；煤壁幫最下方一排錨桿距離底板0.6 m，且向下傾斜角度15°。錨桿(索)錨固、鋪網(wǎng)情況均與原方案一致，如圖6所示。

回撤巷道支護優(yōu)化方案時垂直應(yīng)力云圖、垂直位移云圖、水平位移云圖如圖7所示。與原方案相比錨桿錨索間排距進一步增加，根據(jù)模擬結(jié)果可知，垂直應(yīng)力最大值為15.4 MPa，應(yīng)力分布基本未發(fā)生較大變化；頂?shù)装逡平考s107 mm，兩幫移近量約58 mm。盡管該方案下的巷道圍巖變形相對較大，但仍然能夠滿足工作面安全回撤的支護要求，成本進一步降低。

圖6 回撤通道優(yōu)化支護方式示意Fig.6 Schematic diagram of optimized supporting method for retracement channel

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

4.1 回撤通道施工工藝

工作面回采至終采線附近后，利用采煤機從機頭至機尾割出回撤通道，每割10 m停止割煤并進行施工錨桿(索)，如若遇到頂板條件較差地段，應(yīng)適當減小割煤距離；然后隨采煤機繼續(xù)割煤，將液壓支架導(dǎo)向桿上的連接環(huán)取下，再用單體液壓支柱從機頭向機尾頂移輸送機；反復(fù)操作此過程，待施工第5排錨桿時，施工頂錨索和煤壁幫錨桿；最后對機頭和機尾進行擴修。

圖7 回撤通道支護優(yōu)化方案模擬效果Fig.7 The simulation effect diagram of the support optimization plan of the withdrawal channel

錨桿施工時一定要達到預(yù)緊力要求，需要打設(shè)錨索時應(yīng)及時施工；施工最后1排頂錨桿及煤壁側(cè)錨桿的同時，定要確保采煤機的割煤深度達到0.8 m，若達不到則需采取措施保證達到要求。擴幫結(jié)束后需對其封幫，采用雙層金屬網(wǎng)聯(lián)合幫錨桿進行支護，金屬網(wǎng)相互搭接長度要大于0.2 m，網(wǎng)與網(wǎng)連接扣要均勻。

4.2 支護方案對比分析

根據(jù)回撤通道原支護方案、優(yōu)化后支護方案數(shù)值模擬分析可知，各支護情況下的回采通道均可以滿足安全要求，因此從材料消耗、施工量及成本等方面分析。不同支護方案成本對比見表2。

表2 支護方案成本對比Tab.2 Cost comparison table of support schemes

根據(jù)方案對比分析可知，優(yōu)化后的支護方案在保證支護強度的前提下支護材料用量減少，僅錨桿(索)成本降低了近45.7%；施工進度加快，回撤時間縮短。因此，優(yōu)化后的方案在滿足安全生產(chǎn)的前提下能夠確?；爻吠ǖ乐ёo強度，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。

4.3 支護效果分析

為了驗證9105工作面回撤通道支護方案是否滿足安全生產(chǎn)要求，在回撤通道內(nèi)每隔60 m布置巷道變形、頂板錨索受力及頂板離層監(jiān)測等5個測點，以便掌握回撤通道的變形情況，通道圍巖變形觀測結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)分析可知，頂板錨索受力最大載荷為234 kN，平均221 kN，說明頂幫錨索能夠起到強初撐、高工作阻力、急增阻的效果，盡可能保證圍巖強度滿足要求。頂板離層量基本為11～16 mm，平均13 mm，說明頂板未發(fā)生明顯離層且比較穩(wěn)定。工作面在搬家期間，回撤通道頂?shù)装逡平孔畲?13 mm，平均98.2 mm，變形速率4.46 mm/d；煤壁幫移近量最大62 mm，平均54 mm，變形速率2.45 mm/d；回撤通道變形量較小，通道相對比較穩(wěn)定，優(yōu)化后的組合支護方案達到回撤通道圍巖的加固、強化效果，對圍巖變形起到抑制作用，為工作面的安全回撤提供了安全保障。

圖8 回撤通道變形曲線Fig.8 Deformation curve of retracement channel

5 結(jié)論

(1)通過理論分析回撤通道圍巖受力分析，構(gòu)建回撤通道圍巖結(jié)構(gòu)力學模型，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，經(jīng)計算分析可知，回撤通道圍巖允許抗拉強度大于原支護方式下的回撤通道圍巖實際承受的最大拉應(yīng)力，原支護方式是可以對回撤通道圍巖進行有效支護的。因此，對原支護方案進行優(yōu)化，以便提高工作效率。

(2)回撤通道支護方案優(yōu)化后，支護間排距擴大后，通過數(shù)值模擬分析可知，回撤通道邊角位置的垂直應(yīng)力集中，應(yīng)對回撤通道的邊角處進行加強支護；從巷道位移變形情況及塑性區(qū)區(qū)域可知，通道變形不明顯，說明支護方式下的巷道變形較小，應(yīng)力值不大，頂?shù)装寮皟蓭臀灰戚^小，無明顯底鼓現(xiàn)象。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用效果可知，9105工作面回撤通道頂?shù)装逡平?8.2 mm，煤壁幫移近量54 mm，回撤通道變形均變形較小且相對穩(wěn)定，優(yōu)化后組合支護方案對圍巖起到支撐作用，有效抑制了圍巖變形。上述方案在滿足支護要求的基礎(chǔ)上，增大了錨桿、錨索的間排距，降低了經(jīng)濟成本。

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