孫志勇，李永澮，宋強(qiáng)軍

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013；2.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西晉城048000；3.山西晉煤集團(tuán)鳳凰山煤礦，山西晉城048007）

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堅硬頂板工作面自掘回撤通道留設(shè)技術(shù)研究

孫志勇1，2，李永澮2，3，宋強(qiáng)軍2，3

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013；2.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西晉城048000；3.山西晉煤集團(tuán)鳳凰山煤礦，山西晉城048007）

針對典型的厚層堅硬難垮直接頂板圍巖條件，以晉煤集團(tuán)鳳凰山礦15號煤綜采工作面XV5302回撤通道留設(shè)為工程背景，在分析原留設(shè)方式存在的問題的基礎(chǔ)上，提出新的回撤通道留設(shè)施工工藝及支護(hù)參數(shù)?；趫杂搽y垮頂板覆巖破斷特征，建立了末采期間回撤通道承載結(jié)構(gòu)模型，指出頂板在回撤通道后方斷裂是最優(yōu)承載狀態(tài)。提出了水力壓裂控頂與高強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的回撤通道留設(shè)方法，一方面采用水力壓裂技術(shù)切頂卸壓，將回撤通道預(yù)定位置人為盡量避開周期來壓；另一方面對通道頂板進(jìn)行高預(yù)應(yīng)力全錨索支護(hù)，取消了木垛施工，實現(xiàn)了整個撤架過程的全負(fù)壓通風(fēng)，有效解決了瓦斯問題和頂板管理問題。該技術(shù)在鳳凰山礦進(jìn)行了工業(yè)試驗并大面積推廣應(yīng)用，大幅度提高了撤架效率和施工安全，顯著降低了勞動強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會效益。

堅硬難垮直接頂；回撤通道；留設(shè)方式；水力壓裂；高強(qiáng)支護(hù)

目前，我國綜采工作面回撤通道形成主要有兩種方式［1-2］。第一種方式為預(yù)掘回撤通道，即在回采工作面停采線處，預(yù)先掘出1條或2條平行于回采工作面的輔助巷道；第二種方式為自掘回撤通道，即在支架推到預(yù)定停采線時，利用工作面回采空間及其生產(chǎn)系統(tǒng)作為搬家系統(tǒng)，通過采煤機(jī)割煤形成回撤通道。很多國內(nèi)文獻(xiàn)表明［3-7］，我國煤礦普遍采用第二種回撤通道形成方式進(jìn)行綜采設(shè)備搬家倒面，通道形成期間主要采用錨桿支護(hù)方式，撤架期間通常采用單體液壓支柱、木柱、木垛等方式維護(hù)或留設(shè)通道有效通風(fēng)斷面。

晉煤集團(tuán)鳳凰山煤礦是一座具有50多年開采歷史的現(xiàn)代化礦井，核定生產(chǎn)能力4Mt/a，井田范圍內(nèi)3號和9號煤層開采資源基本枯竭，目前主采15號煤層。綜采工作面采用自掘回撤通道的方式撤架，通道形成后采用在支架前梁上穿走向板梁和圓木，在梁頭煤壁支設(shè)單體支柱進(jìn)行臨時支護(hù)。撤架期間為實現(xiàn)全負(fù)壓通風(fēng)控制瓦斯積聚，需要在掩護(hù)架后方人工打設(shè)木垛留設(shè)通道，如圖1所示。該方式存在采空區(qū)作業(yè)、安全系數(shù)低、施工勞動強(qiáng)度高、工序復(fù)雜等缺點，而且木垛受壓傾斜后易造成通道有效通風(fēng)面積減小、回風(fēng)不暢等問題。

圖1　回撤通道木垛支護(hù)情況

1　巷道圍巖賦存情況

15號煤層平均厚度2.25m，傾角平均2°，直接頂為 K2石灰?guī)r，厚度 8.99～9.22m，平均9.11m，深灰色，完整性好，致密堅硬。采用鉆孔圍巖觸探法［8］測得石灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度在100～140MPa之間，屬于典型的堅硬頂板。綜采工作面長180m，采用一次采全高方式，正常采高2.3m，布置支架120個，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。

已有研究成果表明，較軟弱直接頂板在工作面回采過程中，受基本頂和支撐體的剪切作用往往能夠及時垮落，懸頂面積小，如圖2（a）所示。而K2石灰?guī)r具有較強(qiáng)的抗破斷能力，直接頂即為關(guān)鍵層，若采取自然垮落法，工作面回采過程中在采空區(qū)形成大面積長時間懸頂，即使斷裂后依然保持較大長度的走向懸臂，初次來壓步距達(dá)到50m以上，礦壓顯現(xiàn)劇烈，如圖2（b）所示。

圖2　不同類型直接頂垮落情況

2　回撤通道留設(shè)技術(shù)研究

2.1通道頂板結(jié)構(gòu)分析

工作面停采形成回撤通道時，根據(jù)頂板在通道附近的周期性斷裂位置，可把通道覆巖分為相對穩(wěn)定和顯著運(yùn)動兩種結(jié)構(gòu)［9-10］。

（1）相對穩(wěn)定狀態(tài) 頂板在通道后方斷裂，即工作面停采前已發(fā)生了一次來壓，而采煤機(jī)形成回撤通道時，下一次周期來壓還沒有發(fā)生。此時頂板處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，通道覆巖結(jié)構(gòu)可近似簡化成一端固定的懸臂梁，巷道頂板承受上覆巖體A塊靜載荷作用，如圖3（a），對通道圍巖影響相對不大。

（2）顯著運(yùn)動狀態(tài) 頂板在通道上方或前方達(dá)到周期來壓步距，發(fā)生斷裂并回轉(zhuǎn)下沉。此時頂板處于顯著運(yùn)動狀態(tài)，如圖3（b），通道圍巖受動壓影響變形嚴(yán)重，如不采取措施，單純的錨網(wǎng)索支護(hù)難以達(dá)到控制圍巖變形目的。

圖3　通道頂板結(jié)構(gòu)

從上述分析可以看出，回撤通道在撤架過程中的穩(wěn)定主要取決于覆巖結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性。頂板顯著運(yùn)動時，通道圍巖承受更多的附加載荷，引發(fā)圍巖急劇變形，需要針對堅硬頂板采取放頂弱化措施，使通道上覆巖層處于相對穩(wěn)定的理想狀態(tài)，為通道留設(shè)及工作面設(shè)備快速回撤創(chuàng)造較穩(wěn)定的應(yīng)力環(huán)境。

2.2停采線后方切頂技術(shù)

切頂技術(shù)是用高壓水注入已打設(shè)好的鉆孔中進(jìn)行壓裂，破壞K2石灰?guī)r的完整性，使采空區(qū)頂板分層、分次垮落，縮短周期來壓步距，降低懸臂長度。采用天地科技股份有限公司自主研發(fā)的水力壓裂設(shè)備［11］，主要包括:跨式膨脹型封隔器、高壓注水設(shè)備、全景電子鉆孔窺視儀、手動泵及儲能器等，壓裂工藝如圖4所示。

圖4　切頂技術(shù)工藝流程

壓裂距離為停采線后方30m范圍，為保證壓裂效果，并防止鉆孔變形需在超前回采工作面50m時完成壓裂工作。工作面巷道雙側(cè)布置鉆孔，開孔位置距頂板200～300mm，鉆孔長度60m，直徑56mm，間距10m。鉆孔仰角為10°，水平投影與巷道軸線夾角為70°，如圖5所示。

圖5　巷道壓裂鉆孔布置

封孔方法是先將橡膠封孔器置于預(yù)定封孔位置，然后用手動泵向封孔器注水加壓到10MPa，使封孔器膠管膨脹撐緊孔壁，由于封孔器采用的是自平衡結(jié)構(gòu)，故能承受很高的水壓。鉆孔壓裂是利用高壓水泵來提供高壓水，然后通過高壓膠管、注水鋼管以及壓裂鋼管進(jìn)行壓裂，通過高壓水泵的壓力表監(jiān)測水壓力大小，鳳凰山礦K2石灰?guī)r的起裂壓力在40～50MPa之間。

2.3通道頂板全錨索支護(hù)技術(shù)

回撤通道設(shè)計寬度2.4m，高度2.8m，預(yù)留斷面積為6.72m2。液壓支架距停采線2.4m位置支架停止前移，采煤機(jī)割3刀煤，每刀截深0.8m，形成回撤通道。通道形成后頂板采用全錨索支護(hù)，錨索直徑為17.8mm，長度5.3m，3支樹脂錨固劑加長錨固，預(yù)緊力不低于200kN，雙排布置，排距1m，間距 1.5m，第 1排距離液壓支架前端200mm。打設(shè)位置如圖6所示。

圖6　回撤通道支護(hù)

3　井下工業(yè)試驗

在XV5302工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗，地面標(biāo)高775～792.5m，工作面標(biāo)高617～649m，蓋山厚度平均為 140m。工作面走向長度 762m，傾斜長180m，工作面末采階段在兩巷（XV5203，XV5204）施工水力壓裂鉆孔，由KBJ-60Ⅲ型綜采壓力記錄儀（電腦圓圖儀）進(jìn)行監(jiān)測，掌握末采階段支架的阻力分布及工作面頂板的運(yùn)動情況，監(jiān)測支架末阻力曲線如圖7所示。

圖7　末采階段液壓支架工作阻力變化曲線

采用水力切頂施工后，工作面周期來壓基本呈均勻分布狀態(tài)，周期來壓步距一般在7.4～16.8m之間，工作面兩端頭平均在13.15m處，中部平均在11.65m處。從監(jiān)測情況來看，水力壓裂后的石灰?guī)r頂板在工作面推進(jìn)過程中出現(xiàn)一定范圍內(nèi)的裂隙和離層，并產(chǎn)生貫穿整個巖層的斷裂。通過現(xiàn)場液壓支架的受力監(jiān)測得知，2015年8月12日發(fā)生一次周期來壓，當(dāng)年8月13日施工回撤通道，同年8月16日形成通道，并對通道進(jìn)行錨索支護(hù)。

液壓支架回撤過程中，對回撤通道留設(shè)情況進(jìn)行觀測，結(jié)果如下:

（1）頂板 下沉不明顯，直至撤架結(jié)束，通道頂板保持了較好的完整性，基本沒有出現(xiàn)頂板壓架現(xiàn)象。

（2）煤幫 煤幫外移量為200～300mm，表現(xiàn)出靜載荷作用特點，片幫較弱，片幫塊度較小。

（3）底板 超前20～30m位置底板會發(fā)生不同程度的底鼓現(xiàn)象，底鼓量達(dá)到400～500mm。

（4）通風(fēng)斷面積 通道高度能夠達(dá)到1.9～2.0m，寬度達(dá)到2.1～2.2m，通風(fēng)斷面積達(dá)到3.99～4.40m2，能夠滿足180m綜采工作面撤架期間全負(fù)壓通風(fēng)斷面的要求。

4　效益分析

通過技術(shù)革新，形成了回撤通道留設(shè)與快速撤架成套工藝，為回采工作面的快速推進(jìn)、快速搬家和礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效創(chuàng)造了良好條件。

（1）安全方面 木垛支護(hù)為滯后支護(hù)，作業(yè)區(qū)域為采空區(qū)，安全系數(shù)低；錨索支護(hù)為超前支護(hù)，取消了掩護(hù)架后方木垛施工，實現(xiàn)了整個撤架過程中全負(fù)壓通風(fēng)，有效控制了瓦斯積聚，安全系數(shù)高。

（2）效率方面 減少了管理環(huán)節(jié)，顯著降低勞動強(qiáng)度，大幅度提高出架效率，縮短了綜采隊搬家倒面時間，由以前的15～20d縮短為7～10d，為礦井生產(chǎn)有序銜接提供了有利保障。

（3）經(jīng)濟(jì)方面 木垛支護(hù)留設(shè)通道一次搬家費(fèi)用約39.04萬元（其中材料費(fèi)28.8萬元，人工投入10.24萬元），錨索支護(hù)留設(shè)通道一次搬家費(fèi)用約11.08萬元（其中材料費(fèi)7.44萬元，人工投入3.64萬元），搬家倒面一次可節(jié)約費(fèi)用為27.96萬元，按照鳳凰山礦每年搬家倒面6次計算，每年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)167.76萬元。

5　主要結(jié)論

（1）針對堅硬難垮直接頂板的圍巖特性，建立了末采期間回撤通道承載結(jié)構(gòu)模型，指出工作面停采后頂板在回撤通道后方斷裂是最優(yōu)承載狀態(tài)，此時頂板處于相對穩(wěn)定階段，近似呈靜載荷作用的懸臂梁結(jié)構(gòu)。

（2）提出了綜采工作面末采水力壓裂控頂與高強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的回撤通道留設(shè)方法，一方面采用水力壓裂技術(shù)切頂卸壓，將回撤通道預(yù)定位置人為盡量避開周期來壓，為通道留設(shè)及工作面設(shè)備快速回撤創(chuàng)造較穩(wěn)定的應(yīng)力環(huán)境；另一方面對通道頂板進(jìn)行高預(yù)應(yīng)力全錨索支護(hù)，取消了木垛施工，實現(xiàn)了整個撤架過程的全負(fù)壓通風(fēng)，有效控制了瓦斯積聚。

（3）通過回撤通道留設(shè)技術(shù)革新，大幅度提高了撤架效率和施工安全，顯著降低勞動強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會效益，最終形成一種安全、高效、經(jīng)濟(jì)的撤架模式。

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［責(zé)任編輯：姜鵬飛］

Layout Technique of Working Face Self-driving Dismantling Tunnel with Harden Roof

SUN Zhi-yong1，2，LI Yong-hui2，3，SONG Qiang-jun2，3
（1.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Shanxi Jin Coal Corporation Technology Research Institute Co.，Ltd.，Jincheng 048000，China；3.Fenghuangshan Coal Mine，Shanxi Jin Coal Corporation，Jincheng 048007，China）

To the typical surrounding rock situation thick and harden difficulty fall of immediate roof，it taking XV5302 dismantling tunnel layout of fully mechanized working face in the fifteenth coal seam of Fenghuangshan coal mine of Jin coal corporation as background，on the basis of all problems of the original layout method，the construction technology and supporting parameters of new dismantling tunnel layout were put forward.On the basis of overburden broken features of harden and difficulty fall roof，the bearing structure model of dismantling tunnel during the last cutting stope was built，the optimal bearing state was roof fracture at rear of dismantling tunnel.The layout method of dismantling tunnel with hydrofracture controlling roof and high strength supporting was put forward，on side roof sliced and reduced pressure with hydrofracture technology，and the roof preset position of dismantling tunnel avoided periodic weighting by man-made，the other side the roof of dismantling tunnel was supported by high prestress fully cable，and wood cribs supporting was canceled，the fully negative pressure ventilation was realized during supports redrawing，supports redrawing efficiency and safety was improved obviously，labour strength and production cost was decreased obviously，then good benefit of economic and society was reached.

harden and difficult fall roof；dismantling tunnel；layout method；hydrofracture；high strength supporting

TD823.85

A

1006-6225（2016）04-0065-04

2016-01-12

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.017

煤炭聯(lián)合基金重點項目（U1261211）；中國煤炭科工集團(tuán)面上項目（2013MS010）；天地科技創(chuàng)新基金項目（KJ-2015-TDKC-10）

孫志勇（1985-），男，山東諸城人，助理研究員，主要從事巷道礦壓與支護(hù)技術(shù)的研究工作。

［引用格式］孫志勇，李永澮，宋強(qiáng)軍.堅硬頂板工作面自掘回撤通道留設(shè)技術(shù)研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：65-68.