白 剛，王治文，李瑞林，白 俊

(1.山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000；2.山西煤炭進(jìn)出口集團 左云韓家洼煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)， 遼寧 阜新 123000)

近年來，隨著煤炭需求總量的不斷增加，地質(zhì)賦存條件好的優(yōu)質(zhì)煤炭越來越少，煤炭開采逐漸進(jìn)入攻堅階段，“刀把式”采場順勢而生。相較于傾向長度保持不變的正規(guī)采場，“刀把式”采場在變面處具有應(yīng)力分布過度集中的特點，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。因此，加強對“刀把式”采場變面處應(yīng)力分布狀態(tài)的研究，具有非常重要的意義[1].

1 礦井概況

韓家洼礦22401綜放工作面為西盤區(qū)首采面，煤層總厚9.2～14.8 m，平均厚度11.6 m. 煤層傾角4°～11°，平均傾角6°，為近水平煤層。工作面地面標(biāo)高1 550～1 580 m，井下標(biāo)高1 263～1 290 m，煤層埋深約200 m. 工作面走向長度833 m，回采至中部時，工作面傾向長度由170 m突然縮至120 m，其中傾向長度為170 m的大面長528 m，傾向長度為120 m的小面長305 m.工作面采用單一走向長臂后退式低位放頂煤采煤法，其中采煤高度3 m，放煤高度8.6 m，采放比為1∶2.87，推進(jìn)方向由西向東沿煤層底板，全部垮落法管理采空區(qū)。工作面布置示意圖見圖1.

圖1 工作面布置示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，結(jié)合22401綜放工作面頂?shù)装鍘r層柱狀圖及相對應(yīng)的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)建立模型，模型巖層分布直觀圖見圖2，模型尺寸設(shè)計為800 m×400 m×100 m，共劃分297 882個單元，303 211節(jié)點，模型的網(wǎng)格與節(jié)點劃分非常多，故能非常準(zhǔn)確地反映出工作面的應(yīng)力分布情況[2]. 模型四周設(shè)置為位移約束邊界，在水平與豎直方向上均固定其位移；模型的頂部和底部定義為自由邊界，其水平與豎直方向的位移均不進(jìn)行約束，模型頂部施加5 MPa的均布荷載來代替模型以上的巖層重量[3].

圖2 模型巖層分布直觀圖

2.2 參數(shù)設(shè)計及破壞準(zhǔn)則

該次模擬運用Null模型模擬巷道及工作面的回采活動，選擇FLAC3D自帶的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型模擬煤巖體變形破壞情況，其力學(xué)表達(dá)式為：

式中，σ3為最小主應(yīng)力，MPa；σ1為最大主應(yīng)力，MPa；c為黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°). 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1.

2.3 模擬結(jié)果分析

隨著工作面的回采，煤巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，次生應(yīng)力不斷調(diào)整并重新分布，進(jìn)而形成次生應(yīng)力場[4-5]. 工作面回采至“刀把”前后10 m處的支承壓力與水平應(yīng)力分布情況見圖3. 在“刀把”割通前10 m處，最大支承壓力為13.4 MPa，主要分布在回采巷道兩側(cè)，其中回風(fēng)順槽上部巖體中的支承壓力略大于運輸順槽上部巖體中的支承壓力；最大水平應(yīng)力為13.6 MPa，主要分布在直接頂中，沿頂板方向垂直向上應(yīng)力逐漸減小。在“刀把”割通后10 m處，最大支承壓力為14 MPa，回風(fēng)順槽比運輸順槽應(yīng)力分布更加集中；最大水平應(yīng)力為16.4 MPa，應(yīng)力分布不對稱，回風(fēng)順槽側(cè)頂板的應(yīng)力比運輸順槽側(cè)頂板應(yīng)力分布更加集中。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)表

圖3 “刀把”割通前后10 m處頂板應(yīng)力分布云圖

綜上分析，在“刀把”處割通前后，支承壓力和水平應(yīng)力分布過度集中，回采過程中要密切監(jiān)測頂板活動情況，采取必要的措施加強對頂板的支護(hù)，從而保證工作面的安全貫通和支架等設(shè)備的安全回撤。

3 支架回撤現(xiàn)場工藝流程

22401縮面回撤設(shè)備為34架ZF7500/18/35液壓支架，1架ZQL2*4000/23/50超前支架，50 m SGZ764/630前刮板送輸機1部，50 mSGZ830/800后刮板運輸機1部。

設(shè)備回撤順序為：回風(fēng)順槽超前支護(hù)液壓支架→前刮板輸送機→后刮板輸送機→80#—113#中間架。提前將超前支架ZQL2*4000/23/50拆解并由WC30E型鏟板車運輸?shù)奖P區(qū)運輸巷尾部存放，待設(shè)備回撤完畢后安裝。使用JH-30型回柱絞車將前后刮板輸送機溜槽拉到指定位置后，由WC30E型鏟板車運輸?shù)?2#層井底車場，換裝到平板車，再由副井主絞車(JK-3.5/2.5)提升到地面后碼放到指定地點。前后刮板輸送機機尾及電機減速機等待中間槽回撤后，再安裝，保證前后刮板機正常使用。使用JH-30型回柱絞車將80#—83#架依次拆出，再將機尾114#—117#過渡架安裝到原80#—83#架的位置。112#、113#架作為回撤支架期間的掩護(hù)架最后撤出?；爻分Ъ苁褂肑H-30型回柱絞車?yán)龅交爻吠ǖ篮螅偈褂肳C40Y(B)型支架搬運車運輸?shù)?2#層井底車場，換裝到平板車后，再由副井主絞車(JK-3.5/2.5)提升到地面碼放到指定地點。工作面需要回撤的設(shè)備全部回撤完畢后，安裝回風(fēng)順槽超前支架，調(diào)試前后刮板輸送機，正常運行后開始回采。

4 回撤期間頂板管理

依據(jù)頂板應(yīng)力在“刀把”貫通前后的應(yīng)力分布狀態(tài)，確定了錨網(wǎng)索聯(lián)合的頂板支護(hù)方案。具體措施為：距離“刀把”處12 m時停止放煤；10 m開始鋪網(wǎng)，打固定錨桿；7 m時，開始掛第一道鋼絲繩。末采共計使用d25 mm鋼絲繩3根，掛頂網(wǎng)10 m，其中單層網(wǎng)為2 m，雙層網(wǎng)8 m. 為了保證工作面81#—84#支架處回撤支架期間頂板不冒落，在巷道原支護(hù)的情況下，使用長4.5 m的11#礦用工字鋼在鋪網(wǎng)3 m后增加3排錨索梁，錨索距梁端0.75 m，錨索間距1.5 m，排距1 m，錨索為d17.8 mm×11 800 mm的鋼絞線。錨索預(yù)緊力不小于150 kN、錨固力不小于200 kN，錨索間排距誤差不超過±100 mm.調(diào)整工作面80#架至機尾50 m推進(jìn)速度，保證工作面要撤架的50 m推進(jìn)度一致。工作面80#機尾50 m與刀把處割通后，頂網(wǎng)必須與刀把處回風(fēng)順槽頂網(wǎng)連接牢固，刀把處回風(fēng)順槽作為回撤通道回撤設(shè)備。

5 結(jié) 論

1) 工作面貫通前后應(yīng)力分布過度集中，當(dāng)工作面割通前10 m處，最大支承壓力為14.4 MPa，最大水平應(yīng)力為13.6 MPa；當(dāng)工作面割通后10 m處，最大支承壓力為14 MPa，最大水平應(yīng)力為16.4 MPa，工作面貫通前后應(yīng)力分布過度集中。

2) 根據(jù)數(shù)值模擬得到的回撤期間頂板應(yīng)力狀態(tài)，確定了回撤期間采用錨網(wǎng)索聯(lián)合的頂板支護(hù)方式。回撤期間共計使用d25 mm鋼絲繩3根，掛頂網(wǎng)10 m，其中單層網(wǎng)為2 m，雙層網(wǎng)8 m.使用長4.5 m的11#礦用工字鋼在鋪網(wǎng)3 m后增加3排錨索梁，錨索距梁端0.75 m，錨索間距1.5 m，排距1 m，錨索為d17.8 mm×11 800 mm的鋼絞線。

3) 從末采到回撤結(jié)束，共計用時16天，回撤設(shè)備用時8天，縮短了回撤工期。