龐世界

(兗礦集團陜西未來能源化工有限公司 金雞灘煤礦，陜西 榆林 719000)

8.2m超大采高采煤工藝刷新世界紀(jì)錄的同時也帶來了新的挑戰(zhàn)，由于工作面設(shè)備配套尺寸較大[1-4]，對巷道斷面及抗變形能力都提出了新的要求。高產(chǎn)高效礦井基本要求就是要高效完成工作面安裝和回撤，高效回撤必然需提前施工回撤通道；而回撤通道由于受圍巖及構(gòu)造應(yīng)力穩(wěn)定性、回撤工藝、已有巷道、工作面采高、斷面及支護狀況、動壓及周期來壓等因素影響，在設(shè)計上存在一定困難[5-7]。

金雞灘煤礦5.5m采高工作面設(shè)計采用榆神礦區(qū)較普遍的雙回撤通道設(shè)計，工作面貫通前，主回撤通道內(nèi)布置雙排垛式支架接頂加強支護。經(jīng)實踐，101工作面、123工作面均達到了安全高效回撤。對7.0m大采高工作面[2]大多采取主輔雙回撤通道的布置方式，主輔回撤通道間距30m，主輔回撤通道之間間隔50m布置1個聯(lián)巷，主回撤通道寬6.8m、輔回撤通道寬5.5m、聯(lián)巷寬5.0m、回撤通道巷道高度均為4.8m，支護方式為錨索+W鋼帶+鐵絲網(wǎng)。目前5.0m，5.5m，6.3m大采高工作面回撤通道普遍采用三掩護工藝，7.0m大采高工作面普遍采用五掩護工藝實現(xiàn)安全高效回撤。而作為世界第1個8.2m超大采高綜采工作面，正常液壓支架單臺重量78.2t，此次回撤基本無相關(guān)經(jīng)驗可借鑒，而液壓支架回撤通道的支護空間、回撤設(shè)備的配套工藝等問題亟待解決。工作面設(shè)備配套采煤機最低采煤高度5.3m，如按慣例設(shè)計回撤通道將沒有可用的垛式支架(現(xiàn)有垛式支架最大接頂高度5.0m)，為解決回撤通道設(shè)計的關(guān)鍵問題，本文對停面方案、回撤通道布置和支護進行了研究。

1 8.2m超大采高綜采工作面概況

金雞灘煤礦12-2上108工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，地層平坦，總體趨勢為一向北西傾斜的單斜構(gòu)造，無褶皺和巖漿活動。工作面標(biāo)高+964.0～+980.5m，平均+970.0m，整體東高西低、南高北低。地面相對位置大部分被第四系風(fēng)積沙覆蓋，為典型的風(fēng)成沙丘及灘地地貌，無地表水系通過。12-2上108工作面為一盤區(qū)西翼首采工作面，采用走向長壁采煤法，沿2-2煤層底板走向長度5538m(原設(shè)計)、傾向長度300m(凈煤壁)，采厚5.8～8.2m，平均7.3m，平均開采深度為240m，平均煤層傾角為0.5°，采用架后全垮落法管理頂板。工作面配套7LS8型采煤機、SGZ1400/4800型刮板輸送機、SZZ1600/700型橋式轉(zhuǎn)載機、ZY21000/38/82D型支撐掩護式液壓支架，總裝機功率6200kW，其中刮板輸送機的額定裝機功率3×1600kW、最大小時輸送能力5000t、運輸距離可達500m，配套巷道轉(zhuǎn)載機裝機功率700kW、最大小時輸送能力7000t。

2 回撤通道設(shè)計關(guān)鍵問題

2.1 回撤通道平面設(shè)計

為了滿足高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井快速搬家撤除基本要求，12-2上108工作面采取預(yù)掘主、輔雙回撤通道結(jié)合聯(lián)絡(luò)巷的布置方式。平面布置上考慮在不產(chǎn)生采煤塌陷影響新村建設(shè)及不影響采煤工作面生產(chǎn)的前提下，最大限度回收煤炭資源。12-2上108工作面主回撤通道采取傾斜1.3°的設(shè)計(方位137°49′59″，溜尾超前溜頭7.2m的停面方案)，主回撤通道聯(lián)巷利用已掘的12-2上108工作面膠輔巷7號與8號聯(lián)巷之間的排矸聯(lián)巷和回風(fēng)巷8號聯(lián)巷；12-2上108工作面輔助回撤通道聯(lián)絡(luò)巷利用已掘的12-2上108工作面膠輔巷7號聯(lián)巷，輔助回撤通道及回撤通道聯(lián)巷按原方位設(shè)計(方位136°28′40″)；主回撤通道與輔助回撤通道每50m施工1條聯(lián)絡(luò)巷；為便于工作面與主回撤通道貫通停面控制，主回撤通道內(nèi)開門，正對每條回撤通道聯(lián)絡(luò)巷均施工1條探巷，探巷按30m深、40m深交錯布置；為方便大型支架搬運車運輸調(diào)向，輔助回撤通道內(nèi)開門，正對每條回撤通道聯(lián)絡(luò)巷均施工1條調(diào)車硐室，根據(jù)車輛長度及調(diào)車半徑，硐室深度按13m設(shè)計；同時為滿足80Y型支架搬運車拐彎半徑，各交叉口施工抹角，采用先每邊4m×4m，再每邊2m×2m的抹角方式。回撤通道平面布置設(shè)計見圖1。

圖1 回撤通道平面布置設(shè)計

2.2 回撤通道斷面設(shè)計

根據(jù)12-2上108工作面設(shè)備使用情況，停采時工作面截割高度按5.4m(最小截割高度5.3m)考慮，經(jīng)與安撤單位交流，采取留設(shè)停采臺階的方式。

利用現(xiàn)有ZZ18000/25.5/50型支撐掩護式液壓支架接頂，垛式支架最大接頂高度5.0m，主回撤通道頂板和停面時工作面頂板留設(shè)0.5m錯臺。經(jīng)模擬支架調(diào)向回撤結(jié)合停面方案，主回撤通道按照凈寬6.6m、凈高4.8m矩形斷面設(shè)計；輔助回撤通道按照凈寬6.0m、凈高4.6m矩形斷面設(shè)計；聯(lián)巷平滑對接主輔回撤通道，尾巷凈寬3.3m；回撤通道相關(guān)硐室設(shè)計見表1。停面方案和主回撤通道斷面設(shè)計見圖2。

表1 回撤通道相關(guān)硐室設(shè)計

圖2 108工作面停面方案和主回撤通道斷面設(shè)計

2.3 主回撤通道支護設(shè)計

通過對恒阻大變形錨索+雙排垛式支架支護、普通加長錨索+雙排垛式支架支護與爆破切頂?shù)暮阕桢^索加固+單排垛式支架3種支護設(shè)計方案模擬計算和穩(wěn)定性分析對比，考慮到工作面開采邊界效應(yīng)，主回撤通道應(yīng)根據(jù)應(yīng)力區(qū)不同調(diào)整支護參數(shù)。當(dāng)巖體發(fā)生大變形破壞時，恒阻大變形錨索可以吸收巖體變形能，使巖體中的能量得到釋放，吸收能量過程中錨桿仍能確保恒定的工作阻力和穩(wěn)定的變形量，從而實現(xiàn)主回撤通道巖體的穩(wěn)定。采用恒阻大變形錨索設(shè)計方案，受力方式得到優(yōu)化，有利于巷道穩(wěn)定。模擬計算的恒阻大變形錨索伸長量均超過了150mm，最大值為267mm。數(shù)值計算結(jié)果表明越靠近工作面錨索的伸長率越大；分布在2個垛式支架之間的恒阻大變形錨索的伸長量基本相同。雙排垛式支架撤出過程中回撤通道能夠臨時保持穩(wěn)定性，撤出15d后，巖層塑性區(qū)已經(jīng)較大面積地分布到主回撤通道上方，而且回撤通道上方的變形已經(jīng)普遍較大，回撤通道上方巖層將失去穩(wěn)定性。模擬計算見圖3～圖6。結(jié)合現(xiàn)場情況，最終確定12-2上108工作面主回撤通道支護方案為恒阻大變形錨索+雙排垛式支架支護設(shè)計方案。

圖3 108工作面整體模型

圖4 主回撤通道支護設(shè)計數(shù)值模型

圖5 縱(側(cè))向鋼帶+橫向鋼帶十字鏈接三維計算模型

圖6 雙排垛式支架撤出15d后巖層應(yīng)力

主回撤通道支護材料及支護質(zhì)量要求：頂部采用φ22mm×2400mm無縱筋左旋螺紋鋼錨桿，間排距1000mm×1000mm，非采側(cè)幫部采用φ20mm×2000mm螺紋鋼錨桿，回采側(cè)幫部采用φ20mm×2300mm玻璃鋼錨桿，幫部錨桿間排距均為1000mm×1000mm；除頂部非采側(cè)肩窩傾斜10°外，其余均垂直巷道頂幫設(shè)計；頂板錨桿設(shè)計錨固力100kN，幫部錨桿設(shè)計錨固力60kN，錨固長度不小于500mm，預(yù)緊力矩為100N·m，每根錨桿消耗CK2550型樹脂藥卷1卷，錨桿托盤規(guī)格：150mm×150mm×10mm；主回撤通道頂板及聯(lián)巷主回撤端5m范圍內(nèi)錨索采用φ21.8mm×12800mm的NPR恒阻大變形錨索(鋼絞線強度等級為1860)，恒阻錨索按照A，B，C 3個不同應(yīng)力區(qū)域分，排距分別為2000mm，1500mm，1000mm，各交叉口5m范圍內(nèi)排距1000mm；見圖7、圖8。恒阻錨索每排4根，中間兩根間距800mm，兩側(cè)錨索與中間錨索間距2400mm(為安設(shè)垛式支架接頂提前預(yù)留空間)，錨固長度不小于1500mm，預(yù)緊力不低于250kN，錨固力不小于420kN，每根錨索使用CK2360型樹脂藥卷3卷；主回撤通道靠回采側(cè)帶角度錨索托盤需加楔形墊片；恒阻錨索托盤規(guī)格300mm×300mm×24mm，孔徑100mm；恒阻錨索W鋼帶(規(guī)格6300mm×300mm×5mm)橢圓孔：長軸200mm，短軸100mm，孔距中心距800mm，2400mm，2400mm。鋼筋網(wǎng)規(guī)格φ6.5mm鋼筋、網(wǎng)格100mm×100mm，網(wǎng)搭接長度100mm，連網(wǎng)扣距200mm；W鋼帶預(yù)留孔徑為40mm；錨索托盤預(yù)留孔徑為20mm。主回撤通道斷面支護如圖9所示。

圖7～圖9中恒阻錨索施工工序為鉆孔→擴孔→清孔及孔口修正→安裝錨固劑和鋼絞線→安裝托盤和恒阻器；托盤和恒阻器安裝前鋼絞線外露孔外180～300mm。

為了增強主回撤通道頂板支護強度和整體性，降低停面臺階對主回撤通道支護穩(wěn)定性影響，增加采空側(cè)縱向鋼帶+橫向鋼帶十字鏈接的支護方式。NPR恒阻錨索配套W鋼帶(6300mm×300mm×5mm)預(yù)留橢圓孔徑：長軸200mm，短軸100mm，孔距中心距根據(jù)不同區(qū)域位置不同；恒阻錨索配套托盤(300mm×300mm×24mm)，預(yù)留孔徑為100mm。主回撤頂部NPR恒阻錨索φ21.8mm×12800mm鋼絞線(強度等級為1860)，錨固長度不小于1500mm，預(yù)緊力不低于250kN，錨固力不低于420kN，每根錨索使用CK2360型樹脂藥卷3卷；主回撤通道靠回采側(cè)帶角度錨索托盤需加楔形墊片。托盤、鋼帶規(guī)格參數(shù)見圖10～圖12。

圖7 主回撤通道支護應(yīng)力分區(qū)示意

圖8 主回撤通道支護平面

圖9 主回撤通道恒阻錨索+雙排垛式支架支護

圖10 普通錨索和恒阻錨索配套W鋼帶和托盤

圖11 主回撤通道不同區(qū)域W鋼帶

圖12 主回撤通道不同區(qū)域頂板回采側(cè)臺階處縱向恒阻錨索配套W鋼帶

3 回撤通道實踐應(yīng)用

3.1 回撤通道管理

(1)為便于垛式支架接頂，加強主回撤通道掘進及鋪底期間斷面控制，斷面均勻，坡度平緩，凈高度與設(shè)計值誤差不得大于0.2m。

(2)由于使用恒阻大變形錨索，對施工錨固力提出更高要求，要做好施工器具準(zhǔn)備和工藝培訓(xùn)，配備專用錨固力檢測器具，加強質(zhì)量檢測驗收工作。

(3)工作面貫通后，為保證采動應(yīng)力傳遞不至于立即顯現(xiàn)在主回撤通道非采側(cè)幫部，幫部采用普通預(yù)應(yīng)力錨索配合W鋼帶加強支護，重點支護巷道交叉點5m范圍內(nèi)幫部。

(4)提前在回撤通道及兩巷200m內(nèi)巷道頂、幫布置礦壓動態(tài)監(jiān)測傳感器，安裝KJ27圍巖動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫，并入礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)末采期間礦壓數(shù)據(jù)不間斷動態(tài)監(jiān)測，為末采等壓技術(shù)應(yīng)用及以后末采控制提供充分的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(5)加強末采期間安全巡查、垛式支架立柱縮進量觀測、頂?shù)装逡平?、礦壓顯現(xiàn)導(dǎo)致頂幫變形、煤爆現(xiàn)象觀測記錄，全面真實地反映影響現(xiàn)場安全關(guān)鍵因素，為編制采后總結(jié)，避免今后出現(xiàn)類似問題提供充分的第一手資料。

3.2 回撤情況

2016年6月至10月，世界首套8.2m超大采高綜采工作面在陜西省榆林市榆陽區(qū)金雞灘煤礦12-2上108工作面進行工業(yè)性示范。2017年7月至8月掘進12-2上108工作面回撤通道，工作面于2018年1月24日停采，2月21日回撤完畢，不計中途春節(jié)放假和礦井其他原因影響車輛入井，共用時15d，實現(xiàn)了安全快速回撤。根據(jù)主回撤通道封閉前該礦生產(chǎn)技術(shù)科最終“主回撤通道頂?shù)装蹇s近量觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表”顯示，最大頂?shù)装逡平繛?0mm(位于工作面C區(qū)中部56號支架處)，主要表現(xiàn)為頂板淺部離層下沉、恒阻錨索讓壓拉伸、非采幫肩窩和底角破碎。

4 結(jié) 論

(1)為應(yīng)對大斷面頂板離層下沉，主回撤通道應(yīng)力分區(qū)和中部使用恒阻大變形錨索的設(shè)計是非常必要的，恒阻錨索外露長度要根據(jù)地質(zhì)情況嚴(yán)格留設(shè)。

(2)主回撤通道應(yīng)盡量控制斷面大小，提前模擬回撤方案所需空間，避免出現(xiàn)多余斷面，保證支護及垛式支架接頂效果。

(3)留設(shè)停采臺階的停面方案對超大采高工作面回撤通道設(shè)計具有創(chuàng)新性指導(dǎo)意義。

(4)多方位做好工作面末采期間及貫通后回撤期間的應(yīng)力傳感監(jiān)測，驗證和總結(jié)末采及回撤期間應(yīng)力變化規(guī)律，同時為類似工作面回撤工作提供經(jīng)驗參考。

受地質(zhì)條件及采場布置影響，今后應(yīng)加強切頂爆破等多種高效回撤實踐方式研究，形成成套系統(tǒng)技術(shù)，為我國煤炭安全高效開采提供全方位的解決辦法。