成軼斌

(山西煤炭運銷集團 臨汾有限公司,山西 臨汾 041000)

礦井的搬家、倒面都是煤礦安全生產的工作重點。工作面設備的安全、快速回撤是實現(xiàn)現(xiàn)代化大型礦井高產、高效的主要條件之一。國內外學者通過對綜采工作面末采階段圍巖礦壓規(guī)律及其變形破壞機理的研究,提出了改進回撤技術、優(yōu)化回撤支架參數(shù)等措施,從而提高了回撤通道結構的穩(wěn)定性。

冀永林[1]針對綜采工作面支架回撤難度大、效率低等特點,在四明山煤礦綜采工作面末采階段,提出了后退邁步掩護式回撤工藝,在傳統(tǒng)前進式回撤技術的基礎上有效將回撤周期縮短了4 d。Almalki等[2]對綜采工作面末采階段頂板的變形破壞及控制進行了理論分析,提出圍巖注漿加固、頂板加固和提高錨桿錨固力等加固方法;采用數(shù)值模擬分析了綜采工作面末采階段的應力分布情況,提出了將回撤通道主要設計在回風槽附近,沿回風槽進行圍巖支護加固控制等優(yōu)化措施,通過數(shù)值模擬分析證明該優(yōu)化措施對加固煤礦綜采工作面回撤通道的圍巖是可行的。趙振偉等[3]針對新安煤礦的地質條件,用離散元數(shù)值模擬總結出預掘回撤巷道采動干擾大、整體回撤頂板支護困難,采用分步掘進回采通道及相關技術,有效降低了采動干擾和應力集中等隱患。張杰等[4]通過實地監(jiān)測和數(shù)值模擬,分析了韓家灣煤礦綜采工作面情況,研究了回撤通道圍巖的力學特征,針對容易出現(xiàn)的頂板下沉、片幫等現(xiàn)象,采用內外支護相結合的方式,提高了回撤通道處圍巖的穩(wěn)定性。王高偉[5]以神南礦區(qū)紅柳林煤礦綜采工作面附近地層為研究對象,通過現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬、理論分析的方法,得出回撤通道中間壓力小、兩端壓力大的結論;同時研究了影響回撤通道結構穩(wěn)定性的因素包括:巷道斷面形態(tài)、支護情況、構造應力、礦壓顯現(xiàn)、地下水、工作面采高等;總結出回撤巷道的破壞是由于受采動影響和周期來壓造成的。李興華[6]通過數(shù)值模擬研究了凌志達煤礦綜采面回撤巷道的受力變形特征,分析出錨桿錨索排距過小是導致回撤滯后的主要原因,采用 “錨網噴索+圍巖注漿”技術減弱了圍巖變形破壞,降低了支護材料消耗,縮短了回撤周期。彭林軍等[7]通過對金雞灘煤礦綜采工作面進行數(shù)值模擬和礦壓實測,分析了其末采階段上覆巖層的周期來壓規(guī)律,并確定了頂板破斷位置,首次采用“恒阻大變形錨索+鋼帶十字鏈接、分區(qū)支護”的新方法,運用停采等壓技術證明了回撤通道貫通時不需要等壓,實現(xiàn)了超大采高綜采工作面設備的安全回撤。張浩春[8]基于沙坪煤礦含煤地層的地質特征,采用“錨網索+W型鋼帶+15 000 kN工作阻力的垛式支架”的聯(lián)合支護方式,加強了主回撤巷道結構的穩(wěn)定性。彭博等[9]在監(jiān)測唐家河煤礦礦壓時,基于OSG模擬,通過分析不同型號下支架的受力情況,總結出推進距離與圍巖周期來壓之間的函數(shù)關系,進而設計出“錨網錨索+11#工字鋼梁”聯(lián)合的方法,優(yōu)化支護回撤通道。張延明[10]采用“錨網錨索一次支護+木垛二次支護+頂板注漿加固”的方法,改善了通道圍巖的力學性質,加固了回撤通道圍巖結構的穩(wěn)定性。時建成[11]針對綜采工作面末采時期運輸巷道與回撤巷道交叉處容易造成一系列如頂板下沉、冒落、巷道鼓底等應力集中現(xiàn)象,在磁窯溝煤礦采用雙梁工字鋼為頂梁，采用單體架棚支護主體,“錨索+鋼帶”支護巷道幫部,對破碎頂板注射馬麗散的方法,有效減弱了由于采動影響和礦山周期來壓對回撤通道的干擾。高誠[12]結合辛置煤礦綜采面頂板特征,于頂板落山側采用錨網索主動支護,取消回撤三角區(qū)單體支柱,優(yōu)化末采循環(huán)次數(shù)、進度及工程量,進而實現(xiàn)了設備的高效回撤。張立軍[13]研究了斜溝煤礦采用雙排垛式支架支護預掘回撤通道頂板,對回撤通道附近圍巖及上覆頂板的活動規(guī)律的影響,為支架參數(shù)優(yōu)化、支架選型、排距設計等提供了參考。劉建林[14]針對小紀汗煤礦綜采工作面末采階段,在分析原來的“垛架+抬棚”方式導致施工難度大、強度大、工人施工困難、鋼材用量大且回收困難的基礎上,提出采用“垛架+錨索+鋼帶”的新型聯(lián)合支護方式;經現(xiàn)場實測,該方法減小了工人施工難度,控制了鋼材的消耗并提高了鋼材的回收率,有效控制了回撤通道附近圍巖的穩(wěn)定性和支護強度。

以山西煤炭運銷集團四通煤礦為例,在原生產過程中,回撤通道頂板支護采用長4 m的11#礦工鋼配合單體柱進行支護,礦工鋼一端竄入支架頂梁上方,一端頂住煤壁,使用單體柱升緊,單體柱與支架形成一梁兩柱支護,每臺支架上方竄兩根工字鋼,間距0.7 m,并使用8#鐵絲固定在支架頂梁與菱形網之間;煤壁采用貼幫柱、錨桿配合菱形金屬網聯(lián)合護幫,單體柱間距0.7 m,具體見圖1。菱形金屬網鋪設的過程中需要進行拼接,拼接處經常斷裂,同時礦工鋼、單體柱材料笨重,施工速度慢。為了解決這些問題,通過分析工作面頂板圍巖情況,在施工4204綜采工作面設備回撤通道時,設計使用柔性聚酯增強塑料網(以下簡稱柔性網)配合錨索支護鋪網工藝。

圖1 原回撤通道支護示意圖Fig.1 Original withdrawal channel support diagram

1 回撤通道

回撤通道是綜采工作面在回采結束后,留設一條回撤采煤支架的通道[15]。為了便于安全管理,在不影響工作面液壓支架安全回撤的前提下應盡量減少工作面的控頂面積。工作面支架降到最小高度調向的轉彎半徑為4 m,高度2.8 m,同時考慮頂部錨索外露長度0.3 m,幫部錨桿外露小于0.1 m,因此工作面回撤通道寬4.2 m,高3.2 m可滿足工作面安全回撤液壓支架要求?；夭晒ぷ髅骈L180 m,所以回撤通道長180 m。

1.1 回撤通道區(qū)域圍巖結構分析

4204回采工作面走向長1 480 m,傾斜長180 m,煤層傾角為3°～8°,煤層平均厚度為3.2 m。為合理確定回撤通道支護參數(shù),在4204回采工作面的膠帶、回風順槽各選擇1個測點,第1測點布置在回撤通道與膠帶順槽交叉點,第2測點布置在回撤通道與回風順槽交叉點。對回撤通道附近圍巖結構進行窺視分析,圖2為不同測點的頂板圍巖結構窺視圖。

通過第1測點的鉆孔觀測結果,結合收集到的相關地質資料綜合分析可以得到：第1測點頂板以上0～1.8 m為泥巖,呈灰黑色,該段巖層開孔處裂隙發(fā)育;1.8～7.4 m為粉砂巖,呈灰色,粉砂質結構,該段巖層完整;7.4～18.0 m為細砂巖,鈣質膠結,均勻層理,其中10.0 m、13.6 m和16.0 m處有煤線夾層,其他部分巖層完整;18.0～20.0 m為粉砂巖,呈灰色,該段巖層完整。通過第2測點的鉆孔觀測結果,結合收集到的相關地質資料綜合分析可以得到：測點頂板以上0～2.3 m為泥巖,呈灰色,其中2.1 m處有明顯橫向裂隙;2.3～8.1 m為粉砂巖,呈灰色,均勻層理,其中5.0 m處為煤線夾層;8.1～18.0 m為細砂巖,呈灰黑色,波狀層理,鈣質膠結,其中15.7 m處為煤線夾層;18.0～20.0 m為粉砂巖,呈灰色,該段巖層完整。鉆孔觀測結果見表1。2個測點頂板0～2.3 m范圍內巖體巖性主要為泥巖,容易松動破碎;2.3～7.4 m主要為粉砂巖,比較完整。

(a) 第1測點

(b) 第2測點圖2 不同測點頂板結構窺視圖Fig.2 Peek view of roof structure at different measuring points

表1 煤層頂板巖性Table 1 Roof lithology of coal seams

1.2 回撤通道支護設計

分析頂板巖層結構窺視結果可知,巷道的直接頂板泥巖區(qū)域軟弱,容易離層冒落,為此主要控制頂部0～2.3 m范圍內的泥巖。使用錨索錨固在粉砂巖上,在泥巖區(qū)域形成組合梁,同時起到懸吊作用,防止離層脫落。同時為了降低工人勞動強度,提高施工速度,減少作業(yè)風險,設計使用錨索、鋼帶、鋼絲繩配合柔性網進行頂板和幫部的支護[16]。

2 設計參數(shù)的確定

2.1 錨索技術參數(shù)

采用高強度、高剛度、高可靠性、低支護密度的原則,在提高錨索強度、剛度,保證支護系統(tǒng)可靠性的前提下,降低支護密度,減少單位面積上的錨索數(shù)量,提高掘進速度。由于錨索在巷道中起到錨桿的作用,為此采用確定錨桿的參數(shù)公式確定錨索參數(shù)[17-19],同時采用懸吊理論驗證錨索錨固力的合理性。

2.1.1錨索長度的確定

錨索長度由外露長度、有效長度、錨固段長度3部分組成。在確定錨索長度時,為支護安全起見,取其中的最大值。通道設計跨度為4.2 m,采用基于組合拱原理[20]得到的經驗公式(1)進行計算。

l=Kh+l1+l2.

(1)

式中:l為錨索長度,m;K為安全系數(shù),取2;h為冒落高度,m;l1為錨索錨入穩(wěn)定巖層的深度,取1.5 m;l2為錨索在巷道中的外露長度,取0.3 m。

公式(1)中的冒落高度h通過式(2)得到。

h=b÷2f.

(2)

式中:b為巷道寬度,取4.2 m;f為頂部巖石堅固性系數(shù),取2。計算得到h為1.05 m。

綜上,計算得到錨索長度l為3.9 m,結合巷道頂板堅硬巖層位置情況,錨索長度選擇4.3 m為合理長度。

2.1.2錨索間距、排距的確定

錨索的間距和排距由公式(3)計算得到。

(3)

式中:la為錨索間距,m;F為錨索最大抗拉拔力,要求達到200 kN以上,在此取200 kN;h為頂板松動高度范圍,取2.3 m;ρ為被懸吊巖層的密度,取巖石平均值2 640 kg/m3;K為安全系數(shù),取2。

綜上計算得到la為1.29 m,因此選擇間距、排距均為1 m,小于1.29 m。

2.1.3錨索直徑的確定

按錨桿承載力與錨固力等強度原則計算錨索直徑d,可由公式(4)計算得到。

(4)

式中:F1為錨固力,使用17.8 mm錨索,錨固力不小于200 kN,在此取200 kN;σm為錨索抗拉強度, 取1 860 MPa。

綜上,得到錨索直徑d為11.7 mm,所選用的錨索直徑為17.8 mm,滿足要求。

2.1.4錨索懸吊力驗證

錨索不僅起到形成組合梁的作用,同時會懸吊組合梁的載荷。泥巖和部分砂巖形成的組合梁厚度為2.3 m,采用公式(5)進行計算驗算[4]。

F2=KρgδS.

(5)

式中:F2為單位錨索支護面積的頂板懸吊力,N;K為安全系數(shù),取2;ρ為被懸吊巖層的密度,取巖石平均值2 640 kg/m3;g為重力加速度,9.8 m/s2;δ為懸吊巖層厚度,取3 m;S為單根錨索支護的面積,回撤通道寬4.2 m,每排設計支護4根錨索,排距為1 m,單根錨索支護面積為1.05 m2。

代入公式(5)得到F2=162 994 N,支護設計要求錨索的錨固力不小于200 kN,計算結果大于單位錨索支護面積頂板懸吊力,滿足要求。

根據(jù)上述計算和驗算,選用錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×4 300 mm,錨索間排距為1 000 mm×1 000 mm,錨索預緊力不小于200 kN,幫部參考順槽支護方式,選用錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 200 mm,間排距1 000 mm×1 000 mm,錨桿預緊力不小于86 kN。每排錨索、錨桿托盤下壓覆W鋼帶配合柔性網維護頂板。

2.2 柔性網技術參數(shù)

柔性網緊貼巷道表面,防止破損巖塊垮落,同時將錨桿之間的載荷變化傳遞給錨索,形成整體支護系統(tǒng)。柔性網是一種新型樹脂纖維聚合網材,其技術參數(shù)如表2所示。

表2 柔性網技術參數(shù)Table 2 Technical parameters of flexible nets

沿工作面推進方向頂板鋪設柔性網的寬度確定鋪網長度,按照公式(6)進行計算:

b1=l1+l2+l3+l4+lD.

(6)

式中:b1為柔性網沿工作面推進方向的鋪設寬度,m;l1為設計拆除空間液壓支架的梁端距,取4.2 m;l2為液壓支架頂梁長度,取4.35 m;l3為液壓支架頂至底板的高度,取3.2 m;l4為煤幫留設柔性網長度,取3 m;lD為采空區(qū)側矸石埋壓網頭長度,一般取2～3 m,在此取3 m。

通過計算得到b1=17.75 m,最后確定沿工作面推進方向頂板鋪設柔性網寬度為18 m。

柔性網長度是根據(jù)切眼長度、柔性網整體規(guī)格尺寸、運輸限制等多方面因素確定的。4206回采工作面長180 m,為此選用柔性網1片,網片規(guī)格長×寬為190 m×18 m,兩端各超出煤壁5 m。

貫通工作面鋼絲繩規(guī)格為Φ21.5 mm,長190 m,在支架上方布置,間距1 m,共8根。

2.3 柔性網在回撤通道形成中的應用

將柔性網與鋼絲繩沿寬度方向卷起,折疊后運至工作面,使用絞盤配合在工作面推進的過程中展開整片柔性網。

2.3.1安裝絞盤

在末采開始的前2～3 d,安裝絞盤及定滑輪。安裝絞盤時,所有絞盤統(tǒng)一安裝在支架靠機尾一側的立柱上,安裝高度在立柱柱筒上部300 mm范圍內。將鋼絞線盤繞在定滑輪上,另一段通過支架頂部的吊環(huán),活頭留設5 m備用。支架共計121臺,盤繩器里的鋼絞線規(guī)格為Φ6 mm,長25 m。

2.3.2工作面鋪網施工

借用支架護幫板等外力,將網片的一端拉起至頂板前梁,在支架前梁兩端平行工作面方向,打上一排錨桿,錨桿間距1 500 mm,以固定網片;將事先準備好的盤繩器里的鋼絞線活頭繞過網片,固定在頂板上。多條鋼絞線在吊環(huán)與頂板處形成容納腔體,未鋪開的纖維網和鋼絲繩經過液壓支架的頂部置于該容納腔體內。割煤時保證此鋼絞線能很好地將網片挑起,隨著工作面向前推進,不斷放松絞盤繩進行鋪網;中間貫通鋼絲繩使用錨索固定在兩回撤通道的兩端。

2.3.3鋪網施工流程

1)采煤機割煤前,將柔性網用手動絞盤絞起,開始割煤,見圖3。

圖3 割煤時柔性網狀態(tài)示意圖Fig.3 Flexible net state at coal cutting

2)采煤機割煤后,松開手動絞盤將柔性網放下,然后跟機拉架,見圖4。

圖4 跟機拉架時柔性網狀態(tài)示意圖Fig.4 Flexible net state at support pulling

3)拉架后,將柔性網用手動絞盤絞起,采煤機返機清浮煤,見圖5。

圖5 工作面清煤時柔性網狀態(tài)示意圖Fig.5 Flexible net at at coal cleaning of the working face

2.3.4回撤通道的形成

工作面自鋪網推進10 m后,將運煤溜槽與支架連接的推拉桿拆掉,停止移架,人工用單體液壓支柱(單體液壓支柱長度根據(jù)溜子推進距離進行選擇)推移溜槽進行割煤作業(yè),割出4.2 m通道后停采,將剩余的纖維網和鋼絲繩延伸至回撤通道的幫處,采用圖6的支護形式對頂板和幫部進行支護,完成回撤通道施工。

圖6 回撤通道支護示意圖Fig.6 Withdrawal channel support

2.3.5支護完成后的礦壓監(jiān)測及結果分析

在回撤通道內布置3個測點,隔日觀測頂板下沉情況,監(jiān)測結果見表3。6 d后巷道頂板位移量變化較小,說明巷道圍巖變形控制效果較好,在錨索支護范圍內,圍巖保持穩(wěn)定,沒有發(fā)生新的不協(xié)調變形,巷道支護參數(shù)選擇合理。

2.3.6與傳統(tǒng)支護工藝相比的優(yōu)缺點

1)變被動支護為主動支護，在變形中控制變形，用圍巖支撐圍巖，實現(xiàn)回撤通道頂板穩(wěn)定,順利完成回撤設備的任務。

2)柔性網可根據(jù)工作面情況,進行尺寸定制,全工作面用一張網,鋪網期間不用聯(lián)網綁扎。而鐵絲網單卷面積小,需要多張網綁扎聯(lián)接。

3)柔性網的材料拉伸性能好,不容易受力撕裂;而鐵絲網在網片綁扎聯(lián)接部位強度低,容易撕裂,發(fā)生漏頂。

4)巷道支護時錨索、鋼帶、柔性網質量輕,工人勞動強度低。

5)網片采用全斷面機械收放架設,縮短了回撤通道掛網時間,新工藝的運用將回撤掛網時間縮短了約3 d,提高了效率,節(jié)約回撤通道掛網推進期間工時費約8萬元。

6)杜絕了人員在煤壁下綁扎網片的操作,增大了安全系數(shù)。

3 結論

錨索、鋼帶、鋼絲繩配合柔性聚酯增強塑料網用于綜采面回撤通道支護是一種適合采煤工作面末采期間高效形成回撤通道的支護工藝。該工藝實施后,降低了工人勞動強度,形成的回撤通道頂板穩(wěn)定性好,縮短了回撤時間,同時提高了回撤作業(yè)期間的安全系數(shù)。在臨汾地區(qū)煤礦生產中廣泛推廣使用該工藝,均取得了良好的經濟效益。