综放工作面回撤通道围岩变形规律及控制技术研究.pdf

综放工作面回撤通道围岩变形规律及控制技术研究张 喜 成（山西铺龙湾煤业有限公司，山西 大同 037000）摘要：本文综合运用理论分析和现场实测相结合的研究方法，对铺龙湾矿 8103 综放工作面末采阶段顶板运动规律及矿压显现进行了深入研究。分析了正常放煤和末采阶段铺网过程中顶板运动规律及矿压显现差异。初步研究了截割回撤通道过程和支架正式回撤过程中，基本支架控顶区顶板压力显现规律。关键词：综放工作面；回撤通道；矿压显现；支护优化中图分类号：TD32文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）05-0082-05Research on the Deformation Law and Control Technology of Surrounding Rock inthe Withdrawal Passage of Fully Mechanized Mining FaceZHANG Xicheng（037000，）Abstract:This paper comprehensively uses the research method of combining theoretical analysis and field measurement to deeply study theroof movement law and ground pressure behavior in the final mining stage of 8103 fully mechanized mining face in Pulongwan Mine.The lawof roof movement and the difference of ground pressure behavior in the process of normal coal drawing and net laying in the final mining stageare analyzed.The behavior law of roof pressure in the roof control area of the basic support during the process of cutting back passage and theformal withdrawal of the support is preliminarily studied.Key words:fully mechanized mining face；withdrawal passage；ground pressure appearance；support optimization0引言井工开采煤矿机械装备的持续进步，使得井下工作面推进速度不断加快，因此工作面回撤搬迁的压力也就越来越大。尽管利用一些先进的回撤工艺可以提升工作面回撤速度，但回撤通道的稳定性直接影响着设备回撤的难易程度 1，2。铺龙湾矿 8103工作面的围岩性质较差，巷道维护难度较大，因此严重制约着工作面设备的回撤速度。1工程概况铺龙湾矿隶属山煤集团，地处山西省大同市左云县马道头乡施家窑村，井田面积 4.86 km2。生产能力 1.20 Mt/a。目前主采 5、8 号煤层，采用斜井开拓布置 3 个井筒，属低瓦斯矿井，水文地质类型中等。8103 工作面位于八一采区东部，地面最高标高+1 407.6 m，最低标高+1 368.8 m。工作面倾向长度149.5 m，可采长度 759 m，上覆重叠式布置已采完的 5103 工作面，层间距 18.324.6 m。8 号煤层厚度范围 4.28.2 m，煤层含 13 层夹石，夹石厚度0.10.8 m。工作面回采至采位 0440 m 煤层厚度为 58.2 m，回采至采位 440758 m 煤层厚度为4.25 m。表 18103 工作面顶底板情况8103 综放工作面推进长度 758 m，面长 149.5m，工作面平均埋深 360 m。工作面共布置 2 条顺槽，切眼与两顺槽巷垂直布置。其中两顺槽巷道与盘区3 条大巷呈 110。采 煤 机 选 用 双 滚 筒 采 煤 机，规 格 型 号 为MG300/730WD，采高 1.83.7 m。选用 ZF9000/18/35型放顶煤液压支架支护，支撑高度 1.83.5 m，额定支护强度 1.41 MPa，额定工作阻力 9000KN。前、后刮板机分别选用 SGZ764/400 型、SGZ800/800 型刮板机。2末采阶段顶板运动规律及矿压显现工作面现场矿压观测核心内容为支架工作阻力监测，以此为基准可以推断顶板运动规律。一般情况，综放面和采空区能观测到顶煤运动特征，而直接顶和老顶的运动需要通过仪器定量观测和工作面宏观矿压显现来推断，即根据支架受力、围岩运动破坏等情况，推测推断顶板运动特征 3，4。2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷顶底板名称岩石名称厚度（m）岩性特征基本顶砂质泥岩、细粒砂岩、泥岩、粉砂岩18.324.6深灰色、灰黑色，坚硬直接底细粒砂岩、泥岩、中粒砂岩1.005.39灰色、深灰色，坚硬，含植物化石822.1现场矿压监测方案2.1.1监测内容现场矿压监测分为两个部分：一是 8103 综放工作面末采阶段矿压监测，采用在线监测观测到工作面与回撤通道贯通结束为止；二是支架回撤期间矿压监测，采用人工现场记录的方法进行观测。主要监测内容为：工作面支架工作阻力监测和宏观矿压显现监测。2.1.2测站布置和监测方法8103 工作面末采阶段可通过液压支架在立柱上的压力表进行读取，在 3、10、19、28、37、46、55、64、73、82、91、100 号支架上依次布置测点，通过 YHY60W 型压力计实时记录压力数据，然后通过KJ515 矿用本安型无线分站将数据传至地面服务器进行数据分析。通过对 8103 综放工作面各区域的矿压监测，得到工作面末采阶段各区域的顶板运动规律和矿压显现特征。2.2正常放煤阶段顶板运动规律及矿压显现根据正常放煤期间的矿压规律分析掌握 8103工作面的周期来压情况，以防止末采期间周期来压。通过监测支架工作阻力周期性变动以及现场实测煤壁片帮、冒顶、安全阀开启等情况，以此为基准确定顶板运动步距。按照回采进度及采动影响范围分析距设计停采线 100 m 进行观测。工作面正常放煤阶段，在距设计停采线 100 m时，通过在线矿压检测设备统计支架工作阻力变化情况，如图 1 所示。图 1支架工作阻力图分析图 1 可知，工作面在观测周期内共历经 3次周期来压，步距 22.5m，期间最大压力值 42.8MPa，压力显现情况集中在 4876 号架；周期来压步距19.3m，期间最大压力值 42.6MPa。压力显现情况集中在 4268 号；周期来压步距 24.6m，期间最大压力值 41.8MPa。压力显现情况集中在 4583 号架。2.3末采铺网阶段顶板运动规律及矿压显现末采煤炭损失是综放开采中不可避免的一部分，占据着煤炭损失的主要部分。目前为了尽可能多的回收煤炭资源，减少末采损失，综放工作面末采阶段收尾工艺已逐步演化为停止放煤的方式。综放开采的特点就在于老顶下方存在较厚的顶煤和直接顶，顶煤和直接顶的整体刚度对老顶来压会产生巨大的影响，因而末采不主动放煤阶段，顶板（顶煤）稳定性成为综放工作面收尾撤架的关键问题 5。为了减轻工作面末采阶段顶板压力及矿压显现，工作面实施了设计停采线前方一定距离工作面停止主动放煤技术并进行铺网支护，末采铺网阶段为工作面推进至距设计停采线 130 m 范围，可以避免末采期间出现周期来压。工作面末采铺网阶段，工作面推进至距设计停采线 130 m 范围内，利用在线矿压监测系统，统计了末采期间铺网阶段支架工作阻力曲线图，如图 2 所示。图 2支架工作阻力图分析图 2 可知，末采期间铺网阶段顶板压力增大，但保持平稳状态，未出现周期来压。3回撤通道顶板运动规律及矿压显现8103 综放工作面的回撤空间是利用采煤机截割形成，顶板的支护除依靠支架外，还要打锚杆锚索、铺设金属网及钢梁进行支护，煤壁采用锚杆、金属网支护。3.1铺网工序第一道金属网在距停采线 13 m 时开始沿着工作面倾向进行敷设。同时，在支架顶梁和顶板之间沿工作面倾向搭设板梁，并通过 8 号铁丝、靶钉将其与网进行固定，确保金属网不会随着工作面推进被走。第二道网长边在第一道网长边上方相互搭接0.2 m，通过双股 14 号铅丝进行缝合，拧结扣距20 cm，采用三花布置形式，短边与短边搭接 0.2 m，使其形成整体效应。第三道网在第二道网之上长边搭接 0.75 m，通过双股 14 号铅丝进行缝合，拧结扣距 20 cm，采用三花布置形式。第四道网在第三道网之上，长边搭接2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷830.75 m，以此类推。每道金属网的短边在工作面两端头处均伸出支架边缘，铺设至巷道中心线处，并将金属网同两顺槽顶网进行连接，以此类推施工作业至停采线。工作面煤壁铺单层网。当第一道网压入采空区侧 1 m 时，停止支架的前移操作，开始实施扩机道，此时继续进行铺网，直至金属网能够覆盖全部机道和工作面煤壁。3.2截割回撤通道期间顶板压力显现采煤机自掘回撤通道过程中，液压支架保持原地不动，支架前方控顶范围越来越大。为探究随着支架前方控顶范围的逐渐增大，顶板压力显现规律，支架工作阻力变化情况，如图 3 所示。图 3支架工作阻力图分析图 3 可知，截割回撤通道过程中基本支架控顶区支架立柱工作阻力为 2437.1MPa，平均30.5 MPa，且各监测区域支架立柱工作阻力变化范围及均值相当。随着支架前方控顶范围的逐渐增大，但是由于支护强度增加，顶板压力一直保持平稳状态，未出现大幅度增长现象。经现场观测，工作面回撤时间越长个别支架压力呈缓慢上升趋势，因此要快速进行回撤，有利于回撤通道围岩控制。3.3支架回撤期间顶板压力显现支架回撤期间有 2 次控顶范围增大的过程，一是截割回撤通道期间，沿推进方向支架前方控顶范围越来越大；二是支架正式回撤期间，沿面长方向随着相邻支架的逐渐撤出，支架侧方控顶范围越来越大。截割回撤通道期间，随着支架前方控顶范围的逐渐增大，顶板压力一直保持平稳状态。下面主要探究支架正式回撤期间顶板压力显现规律。支架回撤期间分两部分采用人工现场记录的方法进行观测。工作面从 28 号支架回撤至 40 号支架，距回撤40 号支架距离为 19.50 m。此范围内，随着 2840号支架的撤出，41 号支架工作阻力基本稳定，之后约呈线性比例增加，直至其撤出前夕达到峰值 37.1MPa，然后降至为 0。工作面从 76 号支架回撤至 90 号支架，距回撤90 号支架距离为 22.50 m。距回撤 90 号支架距离为 22.50m 范围内，随着 7690 号支架的撤出，91号支架工作阻力基本稳定，之后约呈线性比例增加，直至其撤出前夕达到峰值 38.2 MPa，然后降至为 0。4回撤通道围岩控制及支护优化通过现场观测点半压力显现表明，回撤巷道末采期间矿压显现较为剧烈，对巷道的稳定性影响很大，现有的支护方式不能完全满足控制要求，要在现有支护方案的基础上对回撤通道顶板加强控制加强支护。4.1铺网过程中顶板的支护方法8103 工作面两顺槽停采线位置，分别向里13 m、向外 7 m，共 20 m 范围内对其顶板加强支护。两顺槽使用 3.8 m 长锚索吊梁，每根钢梁使用 3 根17.8 mm9 300 mm 锚索吊挂，锚索间距 1.6 m，钢梁间距 1.2 m。工作面割完第九刀煤，开始沿工作面倾向在支架前梁上第一排工字钢（长度 6 m），工作面割完第十刀煤，在架与架前梁间空隙处，进行第一排支护，方式为：采用锚杆、锚索交替支护，间距1.5 m，其规格分别为左旋无纵筋螺纹钢锚杆20mm2 400 mm、高强度低松弛预应力钢绞线17.8mm9 300 mm；分别采用 150 mm150 mm10mm 钢托盘、300 mm300 mm10 mm 钢托盘、锚固剂：MSCK2360 树脂药（锚杆 1 卷，锚索 2 卷）、MSK2335 树脂药（锚杆 1 卷，锚索 2 卷）。使锚索托板压紧金属网。在采煤机截割第十一刀煤后，将第二排工字钢搭设于支架前梁上。在采煤机截割第十二、第十三刀煤后，在支架前梁前，架与架中间，打第二排、第三排支护，支护方式同第十刀煤支护方式相同。8103 综放工作面回撤通道支护图如图 4 所示。图 4回撤通道支护图2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷848103 综放工作面煤壁支护图如图 5 所示。图 5工作面煤壁支护图4.2扩机道及其支护方法1）在工作面铺设的金属网压入古塘侧 1m 后，支架停止前移，进行扩机道作业。2）扩第一个循环后，采用锚杆+锚索的形式对机道裸露顶板进行及时支护，锚杆规格为20mm2 400 mm 左旋无纵筋螺纹钢，锚索规格为17.8 mm9 300 mm 高强度低松弛预应力钢绞线。机道布置锚杆、锚索交替支护共 4 排，第一排支护距前梁端 0.25 m，沿工作面倾向打一排锚杆、锚索，其交替支护排距为 1 m，并使其均压紧金属网。3）扩第三个循环后，沿工作面倾向打第二排锚杆、锚索交替支护，与第一排支护间距 1 m。（若顶板较为破碎时，根据现场条件进行加密支护，由锚杆、锚索交替支护变更为锚索支护，且采煤机每割10 m，对机道裸露的顶板进行支护）。第三、四排支护以此类推。4）机道宽度达到 3.5 m 后，扩机道作业完毕。开始从 3102 号支架对应的机道顶板位置打吊梁锚索支护，使吊梁锚索垂直于工作面布置。每隔 1 架支护 1 组，锚索间距 2.5 m、排距为 3 m。每根工字钢排距为 3 m 长，由 2 根锚索吊挂，锚索规格为17.8mm9 300 mm 高强度低松弛预应力钢绞线；采用300 mm 300 mm 10 mm 钢 托 盘、锚 固 剂：MSCK2360 树脂药 2 卷、MSK2335 树脂药 2 卷，锚索托板平行于工作面，使其压紧工字钢与金属网。5）机道内煤壁布置 3 排锚杆，排距 1.1 m、间距1 m。锚杆规格为18 mm2 000 mm 左旋无纵筋螺纹 钢、150 mm 150 mm 10 mm 钢 托 盘、使 用MSCK2360 树脂药 1 卷。（在扩机道期间根据现场实际情况，如煤壁存在片帮，帮锚支护改为17.8mm3 500 mm 钢锚索+W 型钢带，宽 220 mm，厚 3mm 联合支护）。6）工作面扩机道过程中和扩完后，必须根据现场实际情况进行支护，如工作面出现顶板破碎，压力增大时必须增加或改变支护方式。7）在扩机道时，如发现顶板压力大时，在部分支架推移杆两旁支设点柱，点柱规格180 mm3 000 mm，点柱必须支设在实底上。8）通道支护完以后，彻底清理浮煤矸，最后开空运输机将采煤机开至机尾，即可进行设备拆除工作。5结论1）正常放煤阶段顶板运动规律及矿压显现。正常放煤阶段顶板经历了 3 次来压过程，来压步距为22.524.6 m，平均 22.1 m；来压持续步距为 4.87.2 m。正常放煤阶段显著运动过程支架阻力为35.844.3 MPa，平均 40.2 MPa；相对稳定过程支架阻力为 17.733.3 MPa，平均 26.5 MPa。2）回撤区顶板运动规律及矿压显现。8103 工作面停采线处顶板处于稳定状态，免受了顶板破断回转下沉的影响，对支架的安全顺利回撤极为有利。基本支架控顶区支架立柱工作阻力为 24.135.8MPa，平均 30.1 MPa，且各监测区域支架立柱工作阻力变化范围及均值相当。随着支架前方控顶范围的逐渐增大，顶板压力一直保持平稳状态，未出现大幅度增长现象。3）支架回撤期间顶板压力显现：每台支架在回撤期间工作阻力均呈不同幅度的增长趋势，直至支架回撤完毕，工作阻力降为 0。支架回撤期间，顶板并未发生运动来压，其工作阻力的缓慢增长是由于工作面“空顶”面积增大，顶板压力转移造成的。4）支护参数优化。8103 综放工作面回撤通道规格为 3.5 m3m，采用锚杆、锚索，吊梁锚索联合支护，锚索间距 2.5 m、排距为 3 m，每根工字钢排距为3 m 长，由 2 根锚索吊挂。采用柔性与刚性支护相结合，增强支护强度，矿压显现趋于稳定，处于可控范围内，保证回撤期间回撤通道围岩稳定，节省搬家时间 10 d 左右。参考文献：1 宋振铎，迟焕磊，刘思程，侯慧锦，刘佳金.综采工作面回撤通道围岩支护稳定性分析J.能源与环保，2022，44（12）：24-30.2 郝少龙.综放工作面回撤形成空间方案优选及应用实践J.江西煤炭科技，2022（4）：18-20.（下转第 90 页）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷85（上接第 85 页）3 王鑫.综放工作面回撤通道支护优化J.机械管理开发，2022，37（6）：77-78，81.4 王永良.综采工作面液压支架回撤工艺优化J.江西煤炭科技，2022（2）：15-17.5 范宏.综放工作面回撤通道断层应力区卸压支护研究J.江西煤炭科技，2019（1）：60-62.作者简介：张喜成（1981-），男，山西大同人，2018 年毕业于西安建筑科技大学采矿工程专业，工程师，研究方向：采矿工程、安全管理。（收稿日期：2023-2-14）的路径延伸，形成一条贯穿裂缝，保证了巷道顶板的顺利垮落。4）作业面顶板预裂卸压技术，能够将作业面来压步距降低 22.4%，将来压强度降低 43.6%，显著降低了作业面初次来压步距并减少了来压强度，提升了初采作业时的稳定性和可靠性。参考文献：1 张军辉，刘洪林，管伟明.急倾斜坚硬顶板工作面超深孔预裂爆破技术研究 J.煤炭工程，2018，50（5）：60-63.2 张建明.郭庄煤业井下液压支架在复杂地质条件下的稳定性分析 J.山东煤炭科技，2019（12）：132-133，145.3 苗卿.坚硬顶板综采工作面水力压裂切顶卸压技术研究J.山西能源学院学报，2021，34（6）：3-6.4 刘大千.初采切顶卸压在马兰矿 18506 工作面的应用J.煤，2019，28（7）：51-535 朱珍，袁红平，张科学，等.切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉分析及控制技术 J.煤炭科学技术，2018，46（11）：1-7.6 吕兆海，沈铭华，张兵，等.宁东矿区坚硬煤岩体工作面综合卸压技术回顾 J.中国煤炭，2021，47（9）：64707 韩晋光.大采高综采工作面顶板控制技术应用研究 J.水力采煤与管道运输，2019（4）：73748 陈建国，卓军综采工作面初采期间顶板控制技术及瓦斯防治措施 J.煤炭技术，2021，40（9）：1131169 王金鑫.深孔预裂爆破在综放工作面坚硬顶板控制中的试验研究 J.煤矿安全，2018，49（1）：73-75.10 张军辉，刘洪林，管伟明.急倾斜坚硬顶板工作面超深孔预裂爆破技术研究 J.煤炭工程，2018，50（5）：60-63.作者简介：张耀宇（1993-），男，山西忻州人，2017 年毕业于山西大同大学，本科，助理工程师，从事煤矿开采工作，研究方向：采煤工作面回采过程中，动压巷道的技术分析及管理。（收稿日期：2023-2-1）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷（上接第 94 页）15D.Dobrota,V.Petrescu,C.S.Dimulescu,M.Oleksik,Preparation and characterization of composites materials withrubber matrix and with polyvinyl chloride Addition(PVC).Polymers-basel.12（9）（2020）1978.16蒋洁敏，侯健，郑光云，等.介质阻挡放电常压分解苯、二甲苯 J.中国环境科学，2001（06）：52-55.17叶荣飞，程侠，宋森川，等.在线热裂解-气相色谱/质谱联用技术分析葫芦巴净油的热裂解产物 J.中山大学学报（自然科学版），2015，54（02）：83-88.作者简介：初昊（1991），男，山东莱阳人，助理工程师，现从事煤矿一通三防工作。（收稿日期：2023-8-7）90