高 宇，張 倩

（晉能控股集團(tuán)有限公司，山西 大同 037000）

0 引 言

復(fù)雜條件下，綜放工作面末采上覆巖層破斷前的大面積板狀懸頂狀態(tài)、邊界條件、板結(jié)構(gòu)斷裂活化規(guī)律等與綜放工作面的正常放煤階段上覆巖層斷裂運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)特征緊密聯(lián)系，但又具有其自身的特點(diǎn)和規(guī)律；末采停放距離與停采煤柱寬度過(guò)大，雖然末采安全程度和大巷穩(wěn)定性相對(duì)較高，但是造成煤炭資源的大量浪費(fèi)。若末采停放距離過(guò)小，回撤通道上方頂煤裂隙極度發(fā)育、支架后上方頂煤滑移垮落，勢(shì)必導(dǎo)致回撤空間頂煤的穩(wěn)定性大大降低且難以安全控制，十分不利于工作面支架順利回撤；若工作面停采煤柱過(guò)小，煤柱處于采場(chǎng)超前支承壓力的高應(yīng)力區(qū)且與巷道圍巖支承壓力疊加，雙支承壓力疊加導(dǎo)致盤區(qū)大巷圍巖顯著增載，當(dāng)疊加應(yīng)力超過(guò)了大巷支護(hù)結(jié)構(gòu)體的最大承載能力，盤區(qū)大巷塑性區(qū)大范圍擴(kuò)張，大巷出現(xiàn)頂板顯著下沉和底板嚴(yán)重鼓起等礦壓顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響礦井安全順利生產(chǎn)。在多煤層開采條件下覆巖大范圍內(nèi)的巖層必定出現(xiàn)聯(lián)動(dòng)惡化，尤其在厚煤層綜放開采條件下對(duì)本工作面末采圍巖穩(wěn)定和停放距離和停采煤柱寬度產(chǎn)生異常影響。由此可見，復(fù)雜條件下綜放面停采大斷面圍巖穩(wěn)定及末采停放距離和停采煤柱寬度優(yōu)化研究，對(duì)于提高煤炭資源回收率、促進(jìn)末采安全且有效維護(hù)大巷穩(wěn)定具有重要科學(xué)意義。

1 停采空間結(jié)構(gòu)及分區(qū)特征

停采大斷面回撤通道及覆巖結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)的開拓巷道、準(zhǔn)備巷道及回采巷道及相應(yīng)的覆巖結(jié)構(gòu)，所以需要分析停采大斷面的空間結(jié)構(gòu)特征及支護(hù)原理，為停采支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。馬脊梁礦綜放工作面停采時(shí)通常采用自掘回撤通道，包括回撤通道區(qū)和支架支承區(qū)兩大部分，如圖1 所示，斷面寬度約為10 m。綜放面停采空間的支護(hù)包括回撤通道和支架區(qū)的頂板支護(hù)。根據(jù)停采空間圍巖狀況和撤架工藝，設(shè)計(jì)綜放面停采空間支護(hù)分區(qū)包括：回撤通道區(qū)頂板需要相對(duì)強(qiáng)支護(hù)，因?yàn)樵搮^(qū)域是支架回撤的關(guān)鍵通道區(qū)，所以需要確保在支架回撤之前及回撤期間是穩(wěn)定的；液壓支架區(qū)頂板相對(duì)弱支護(hù)，因?yàn)橹Ъ芑爻分?，支架區(qū)域的頂板不能大面積懸頂，所以需要隨采隨垮，但依然需要一定的承載能力，否則垮落的頂板緊貼支架，易導(dǎo)致支架難以拉出撤離；回撤通道前方煤體采用常規(guī)的錨桿與網(wǎng)共同支護(hù)，一是需要護(hù)表支護(hù)，二是需要一定的支護(hù)強(qiáng)度，不發(fā)生較大面積片幫。從覆巖結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，停采空間處于上覆穩(wěn)定的基本頂懸臂梁保護(hù)之下時(shí)為最安全狀態(tài)，要滿足該狀態(tài)，需要在工作面剛推過(guò)斷裂線后開始停支架，實(shí)際中，以工作面周期來(lái)壓剛結(jié)束為停架標(biāo)準(zhǔn)，接著施工回撤通道[1-5]。

圖1 綜放面停采空間特征示意圖

2 工程試驗(yàn)背景

2.1 工作面概況

8216 工作面開采石炭系3 號(hào)煤層，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度2 517 m，傾向長(zhǎng)度180 m。煤層傾角2°，煤層最大厚度6.23 m，最小厚度4.37 m，平均厚度5.30 m，煤厚變異系數(shù)為11.5%，屬于穩(wěn)定煤層。工作面直接頂巖性為高嶺巖、炭泥巖、細(xì)砂巖等，以石英為主，長(zhǎng)石次之、節(jié)理裂隙不發(fā)育、含水性較強(qiáng)；基本頂為粗砂巖、礫巖、高嶺巖，以石英為主，節(jié)理裂隙率低，砂體膠結(jié)致密，穩(wěn)定性較好。工作面選用MG300/700WD 型采煤機(jī)，機(jī)采高度3.2 m，放煤高度2.1 m，采放比為1∶0.65。共布置ZF12000/23/35 型放頂煤液壓支架115 架，ZFG10450/26/40H 型過(guò)渡支架7 架，ZTZ20900/25/45 型端頭支架1 架。

2.2 工作面原停采及支護(hù)方法

1）停放距離。工作面原只停放不鋪網(wǎng)階段距離最小約為20 m，鋪網(wǎng)階段距離約15 m，共計(jì)35 m。

2）停采空間支護(hù)。如圖2 所示，原停采支護(hù)方案具體將停采空間分成兩部分，一是支架上方頂板支護(hù)方案，即4 排8 m 頂板錨索+1 排墩錨索+雙層金屬網(wǎng)+工字鋼梁。二是回撤通道的頂板支護(hù)方案，即4 排8m 頂板錨索+墩錨索+雙層金屬網(wǎng)+工字鋼梁，相同點(diǎn)是錨索的長(zhǎng)度均為8 m，不同點(diǎn)是回撤通道的頂板追加了墩錨索（1 組3 根錨索，間距6 m）進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

圖2 工作面回撤通道原支護(hù)圖

3）煤柱幫支護(hù)。實(shí)體煤幫為錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)，采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm。

4）停采時(shí)間。末采階段，從鋪網(wǎng)到最終形成回撤通道所用時(shí)間約為24 d。

3 推引錨固—內(nèi)嵌錨托增效型不對(duì)稱支護(hù)技術(shù)

3.1 推引錨固控制技術(shù)

整體推引錨固，內(nèi)置錨固劑推引裝置、底部固定槽，可實(shí)現(xiàn)錨固劑與錨索的整體互聯(lián)推送，將推與引結(jié)合，剛度大易安裝，從而實(shí)現(xiàn)高效錨固。傳統(tǒng)的無(wú)約束推送錨固方式，存在多次安裝、安裝時(shí)易堵塞鉆孔、安裝工序繁瑣、支護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等制約特大斷面停采空間支護(hù)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵難題，而推引錨固裝置有利于錨索錨固位置到達(dá)孔底，使錨索有效長(zhǎng)度增長(zhǎng)，較之無(wú)約束推送錨固，推引錨固裝置在很大程度上提高了支護(hù)效果，推引錨固技術(shù)的引入，能夠成功解決大斷面停采空間存在的上述難題。推引錨固技術(shù)與傳統(tǒng)錨固技術(shù)的效果對(duì)比分析如圖3 所示。

圖3 整體推引錨固與傳統(tǒng)錨固對(duì)比

3.2 頂板內(nèi)嵌錨拖增效型錨固技術(shù)

停采空間的支架支撐區(qū)支護(hù)體錨具，一般是外露形式，會(huì)造成支架帶壓移架時(shí)受其影響。外露錨具作為障礙物使得支架移動(dòng)受阻；同時(shí)，支架的帶壓移動(dòng)經(jīng)常損壞錨具托盤，使支護(hù)體的支護(hù)力銳減，甚至導(dǎo)致區(qū)域支護(hù)系統(tǒng)失效，造成帶壓移架時(shí)支護(hù)體完全失效而發(fā)生頂板突然下沉，壓死支架從而造成支架無(wú)法移出，造成撤架頂板危險(xiǎn)，影響撤架速度。

如圖4 所示，為了克服錨具外露的諸多弊端，研發(fā)了停采大斷面支架支撐區(qū)頂板錨拖（錨具和托盤）內(nèi)嵌增效型錨固新方法，采用推引錨固技術(shù)安裝錨固劑與錨索，頂煤采用擴(kuò)孔鉆頭形成內(nèi)嵌槽，槽深度以錨索的錨具和托盤能內(nèi)嵌到槽內(nèi)不影響移架和損壞錨具為準(zhǔn)。因此，內(nèi)嵌錨托型錨固方法使得錨具與托盤內(nèi)嵌頂板煤體內(nèi)，有效解決了外露錨固體阻礙帶壓移架及支架反復(fù)支撐移架連鎖損壞錨固體而導(dǎo)致移架受阻與支護(hù)系統(tǒng)失效難題。

圖4 內(nèi)嵌錨托對(duì)比錨具外露的優(yōu)越性

3.3 支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)確定合理支護(hù)強(qiáng)度

為確定推引錨固—內(nèi)嵌錨托增效型不對(duì)稱合理支護(hù)參數(shù)，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件1∶1 模擬停采大斷面空間支護(hù)體是否可形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，由此建立錨桿、錨索和各自對(duì)應(yīng)的托盤模擬單元，分析常用型號(hào)錨桿索的16 種組合形式，由支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度和連續(xù)性確立了最佳支護(hù)方案。根據(jù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的對(duì)比即可體現(xiàn)出支護(hù)分區(qū)、分級(jí)和非對(duì)稱的特點(diǎn)，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 各類支護(hù)方案預(yù)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比的最佳方案

回撤通道頂板錨索的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)控制范圍大且高預(yù)應(yīng)力區(qū)連通，效果優(yōu)于支架區(qū)頂板的。從預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的整體角度看，支架區(qū)頂板、回撤通道區(qū)頂板及煤幫支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了基于停采大斷面屬性的分區(qū)與分級(jí)非對(duì)稱優(yōu)化控制效果。

從模擬上構(gòu)建支護(hù)方案的三維應(yīng)力場(chǎng)等勢(shì)面，如圖6 所示，可以看出支架頂板上方形成的三維應(yīng)力場(chǎng)從范圍和體積上弱于回撤通道區(qū)的頂板預(yù)應(yīng)力場(chǎng)，達(dá)到了頂板的分級(jí)非對(duì)稱支護(hù)的目的。同時(shí)，回撤通道側(cè)幫煤壁處的三維應(yīng)力場(chǎng)在淺部圍巖密集且強(qiáng)度較大，對(duì)煤壁的淺表支護(hù)強(qiáng)而有效。綜合停采空間支護(hù)二維應(yīng)力切片和支護(hù)體的三維預(yù)應(yīng)力場(chǎng)效果，優(yōu)化的分區(qū)與分級(jí)非對(duì)稱支護(hù)方案達(dá)到了所需求的支護(hù)效果。

圖6 綜放面停采空間分區(qū)分級(jí)的非對(duì)稱支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)

4 停采空間支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

1）停止放煤時(shí)期將20 m 不鋪網(wǎng)停放距離優(yōu)化為5 m。

2）回撤通道形成期間的支護(hù)方案如圖7 所示，停采空間推引錨固—內(nèi)嵌錨托增效型不對(duì)稱支護(hù)為支架頂板、回撤通道頂板和通道煤壁側(cè)的分區(qū)支護(hù)，在所用支護(hù)物長(zhǎng)度及級(jí)別上進(jìn)行劃分。具體參數(shù)：①支架頂板：采用3 排錨索支護(hù)，參數(shù)為φ17.8 mm×4 500 mm，間排距為1 500 mm×1 800 mm，采用推引錨固技術(shù)安裝錨固劑與錨索，頂煤采用擴(kuò)孔鉆頭形成內(nèi)嵌槽，槽深度以錨索的錨具和托盤能內(nèi)嵌到槽內(nèi)不影響移架和不損壞錨具為準(zhǔn)，并輔以鋼筋梯子梁（4 200 mm×16 mm）連接；②回撤通道頂板：采用三排錨索支護(hù)，其參數(shù)為φ17.8mm×6 300 mm，間排距為1 500 mm×1 200 mm，采用推引錨固技術(shù)安裝錨固劑與錨索，采用W 型鋼帶(4200 mm×280 mm×4 mm)和托盤（250 mm×250 mm×16 mm）；③回撤通道煤幫：采用3 排錨桿，參數(shù)為φ18 mm×1 700 mm，間排距1 500 mm×1 000 mm，采用W 型鋼帶（400 mm×220 mm×3 mm）和托盤（150 mm×150 mm×10 mm）；④停采空間護(hù)表整體性：設(shè)計(jì)采用整體的聚氨酯網(wǎng)支護(hù)整個(gè)停采空間，包括從支架后方拖入底板大于1 m 到整個(gè)支架頂板和回撤通道頂板，再到回撤通道側(cè)幫煤壁，形成護(hù)表整體網(wǎng)。

圖7 停采空間推引錨固—內(nèi)嵌錨托增效型不對(duì)稱支護(hù)參數(shù)

3）撤架期需對(duì)撤架作業(yè)的區(qū)域進(jìn)行掩護(hù)作業(yè)，根據(jù)實(shí)際的回撤通道寬度，設(shè)計(jì)采用2 臺(tái)端頭的支架進(jìn)行跟隨掩護(hù)，保障作業(yè)人員在這2 臺(tái)支架掩護(hù)下作業(yè)，最大程度上保障作業(yè)區(qū)頂板的穩(wěn)固。

4）為防止支架撤離后，頂板發(fā)生突然的垮落，設(shè)計(jì)橫錯(cuò)搭接木垛進(jìn)行緩沖支護(hù)，減小下落頂板的位移量，從而減緩整體頂板對(duì)即將撤離支架的壓力，保障支架實(shí)現(xiàn)依次順序撤架。

5 方案實(shí)施效果

推引錨固—內(nèi)嵌錨托增效型不對(duì)稱支護(hù)技術(shù)實(shí)施后，對(duì)8216 工作面停采工藝各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了全方位的優(yōu)化：①停止放煤時(shí)期將20 m 不鋪網(wǎng)停放距離優(yōu)化為5 m，多回收了15 m 的頂煤；②采用整體聚氨酯網(wǎng)替換金屬網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全空間僅需一次掛網(wǎng)、高質(zhì)高效；③支架支撐區(qū)支護(hù)采用推引錨固技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)增效；同時(shí)配置內(nèi)嵌錨托解決移架受阻、錨具損壞、支護(hù)力銳減支護(hù)失效難題，實(shí)現(xiàn)錨索長(zhǎng)度由8 m優(yōu)化為4.5 m，并減少1 排錨索的打設(shè)；④回撤通道頂板支護(hù)同樣采用推引錨固技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)增效，錨索長(zhǎng)度由8 m 優(yōu)化為6.5 m，減少1 排錨索的打設(shè)并取消墩錨索；⑤回撤通道煤幫支護(hù)采用與頂板同張聚氨酯網(wǎng)，形成整體頂幫護(hù)表支護(hù)；⑥整個(gè)停采空間推引錨固- 內(nèi)嵌錨托增效型不對(duì)稱支護(hù)方案實(shí)現(xiàn)減少740 根8 m 錨索使用，等于減少近6 000 m 鉆孔量；⑦最終停采僅用了10 d，停采時(shí)間減少了14 d。

6 結(jié) 論

推引錨固—內(nèi)嵌錨托增效型不對(duì)稱支護(hù)技術(shù)在燕子山煤礦C3 號(hào)層8216 綜放工作面停采期間進(jìn)行了工程應(yīng)用，在保障安全生產(chǎn)的前提下，優(yōu)化了停采及支護(hù)方案，取得了顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益，單個(gè)工作面可節(jié)約材料費(fèi)及施工費(fèi)28.3 萬(wàn)元，工作面停采階段減少14 d，由此多回收的煤炭資源超過(guò)10 萬(wàn)t，效益超6 000 萬(wàn)元。