大采高综采工作面回撤通道临断层围岩控制技术研究

卓俊勇，朱涛涛，王 鹏

(1.山东能源枣矿集团付村煤业有限公司，山东 微山 277605；2.山东能源枣矿集团滕东煤矿，山东 滕州 277522；3.新疆工程学院 矿业工程与地质学院，新疆 乌鲁木齐 830091)

液压支架的回撤是综采工作面回撤的收尾环节和关键环节，同时也是最困难的环节，直接影响工作面搬家速度以及工作面接续[1，2]。回撤通道围岩控制问题是回撤技术方案的重中之重，能否保持顶板及两帮完整性、稳定性直接关系到工作面回撤的成败[3，4]。吕坤等[5]分析了特厚煤层回撤通道围岩变形破坏特征，坚持主控“顶板和煤柱帮”的护巷原则，提出了锚网索联合支护技术。杨仁树等[6]通过研究基本顶不同断裂位置对回撤通道的影响，确定了合理的回撤通道位置，并坚持“顶帮协同控制”的原则，提出了锚网索联合支护。吕华文、刘勇等[7，8]提出了影响回撤通道稳定性的剩余煤柱力学模型，揭示了剩余煤柱动态力学变化特征。李兴华等[9]采用数值模拟研究了巷道围岩变形特征，在满足巷道支护强度的要求下，提出了具体的巷道支护优化方案。秦忠诚等[10]通过理论分析与现场实测测得原让压位置无需停采让压措施，提出了直接推进即可实现工作面的快速贯通和支架的安全回撤。大多关于回撤通道的研究成果未受断层的影响，对回撤通道临近断层的研究较少[11-13]。根据工作面地质条件不同，现有的综采工作面回撤技术主要有无预掘回撤通道技术、预掘双回撤通道技术和预掘单一回撤通道技术[14-16]。本文以付村煤业为例，采用预掘单一回撤通道方案对回撤通道临近断层的围岩控制技术进行研究。

1 地质概况

付村煤业3上1007工作面位于二叠系山西组3上煤层，煤层厚度5.35～5.77m，平均5.5m，煤层倾角5°～9°，平均7°，结构简单；f=1.5～2.2；属中硬煤层。3上1007工作面煤层节理、裂隙发育，性脆。根据顶板探查孔资料显示，工作面顶板基岩厚度70～100m，停采线附近自下而上岩层赋存情况：伪顶为泥岩，厚度0.3m，随采随冒；直接顶为粉砂岩，厚度5.0m；基本顶为中砂岩，硅质胶结，厚度约10m；细砂岩9.0m，硅质胶结；中粒砂岩，硅质胶结，厚度约1.9m。本工作面回采巷道共揭露断层13条，其中工作面运巷揭露落差为10m的F7正断层斜交工作面，对工作面中后段回采造成较大影响。其他断层，因落差较小、断线较短，对回采影响不大。3上1007工作面终采线、F7正断层及预掘回撤通道位置如图1所示。

图1 3上1007工作面终采线、断层及预掘回撤通道示意图

2 动压影响下回撤通道与断层面不同煤柱宽度的数值模拟

采用FLAC3D数值模拟软件分析工作面回采对回撤通道与断层面不同煤柱宽度下，回撤通道两帮的应力及通道变形量的影响，为回撤通道位置的选取以及支护方式选择、支护参数确定提供参考。

2.1 模型建立

本次数值模拟以付村煤业3上1007工作面为计算模型，数值模拟模型如图2所示。模型长×宽×高=130m×40m×40m，共192000个单元。撤架通道断面为4m(宽)×3.5m(高)。根据计算模型的实际赋存条件，上部边界条件为应力边界条件，均匀分布载荷，即q=∑γh=15.8MPa。下部边界条件为底板，在X方向可以运动，Y方向为固定铰支座，即v=0。两侧边界条件均为实体煤岩体，在Y方向可以运动，X方向为固定铰支座，即μ=0。各岩层的摩擦角和黏聚力及相关力学参数见表1。

图2 数值模拟模型

表1 围岩参数表

本次数值模拟共有三套方案，分别开挖距断层面为1、3、5m的巷道，采用相同的支护方法以及同样回采方法，分析工作面回采对不同煤柱宽度的影响，为回撤通道到断层面距离选取提供一定依据。相同的回采方法就是在回撤通道开挖完成后，进行数值计算直至平衡，然后开始进行工作面回采，具体方法是：在距回撤通道80m处进行回采，推进距离依次为80m、60m、40m、20m、10m、5m，共分为6个步骤；在计算的过程中对回撤通道两侧的煤体内及顶底板设置四条测线监测煤岩体内竖直应力以及位移的变化。

2.2 巷道开挖后巷道表面变形情况

未受采动影响时，回撤通道距离断层1m、3m、5m时的围岩变形量如图3所示。

1)开挖回撤通道，分别距断层面1、3、5m，分析巷道围岩变形量情况。

2)在距回撤通道80m处进行回采，推进距离依次为80m、60m、40m、20m、10m、5m，共分为6个步骤；在计算的过程中对回撤通道两侧的煤体内及顶底板设置四条测线监测煤岩体内位移的变化。

从图3可以看出，在未受工作面回采动压影响条件下，回撤通道开挖后，随时间推移，巷道表面收敛逐渐增大，并最后趋向于平衡。具体回撤通道最大变形量见表2。

图3 未受采动影响回撤通道变形量

表2 回撤通道表面收敛最大变形量

从表2可以看出，回撤通道随着距离断层越远，巷道变形量逐渐变小，在距离断层1m掘进回撤通道时变形最大，顶板为20.2mm，底板为22.7mm，回采侧帮部17.7mm，非回采侧帮部19.1mm。总体来说，未受采动影响下，巷道变形量在可控范围内，浮动不大。

受工作面回采扰动影响时，回撤通道距离断层1m、3m、5m时的围岩变形情况如图4所示。

图4 受采动影响回撤通道变形量

从图4看出，在受工作面回采动压影响条件下，随工作面推进，巷道表面收敛逐渐增大。具体回撤通道最大变形量见表3。

表3 回撤通道表面收敛最大变形量

从表3可以看出，受工作面开采扰动影响时，回撤通道围岩变形量显著增大，距离断层越近，巷道围岩变形量越大，底板变形量大于顶板下沉量，非回采侧帮部变形量大于回采侧。因回撤巷道底板、非回采侧距离断层更近，说明受工作面采动与断层联合作用下对巷道围岩变形影响更大。距离断层1m时巷道变形量大于距离断层5m与3m时巷道变形量，且距离断层1m时，巷道变形量逐渐变大，有失稳趋势。距离断层3m与5m巷道变形量，变化不大，且在可控范围之内，而距离断层3m掘进回撤通道，能多回收2m煤柱。

2.3 回撤巷道水平应力情况

2.3.1 距离断层1m回撤通道水平应力变化情况

距离断层1m回撤通道水平应力变化情况如图5所示，从图5可以看出，集中应力区域主要集中在巷道非回采侧，随着工作面的推进，巷道受到的水平应力逐渐增加。当工作面距离回撤通道5m时，巷道右上角受到的垂直应力达到30～40MPa。集中应力区域距离巷道较近，约2m范围，断层对回撤通道影响较大。

图5 距离断层1m回撤通道水平应力变化情况

2.3.2 距离断层3m回撤通道水平应力变化情况

距离断层3m回撤通道水平应力变化情况如图6所示，从图6可以看出，集中应力区域主要集中在巷道非回采侧，随着工作面的推进，巷道受到的水平应力逐渐增加，当工作面距离回撤通道5m时，巷道右上角受到的垂直应力达到20～30MPa。集中应力区域距离巷道较近，约5m范围。

图6 距离断层3m回撤通道水平应力变化情况

2.3.3 距离断层5m回撤通道水平应力变化情况

距离断层5m回撤通道水平应力变化情况如图7所示，从图7可以看出，集中应力区域主要集中在巷道非回采侧，随着工作面的推进，巷道受到的水平应力逐渐增加，当工作面距离回撤通道5m时，巷道右上角受到的垂直应力达到10～20MPa。集中应力区域距离巷道较近，约12m范围，断层对回撤通道影响较小。

图7 距离断层5m回撤通道水平应力变化情况

综上所述，在受采动影响，距离断层3m掘进回撤通道时，巷道受工作面回采动压影响较小，巷道变形量在可控范围内，对比距离断层面5m，能多回收2m煤柱约3000t煤炭，实现了安全效益最大化。

3 现场应用及效果

巷道采取锚网梯(索)支护，巷道宽度为4200mm，净宽为4000mm；巷道高度为3100mm，净高为3000mm。顶部安设Φ18mm×2200mm的高强预应力锚杆5根，锚杆间排距为850mm×900mm，锚杆间用梯子梁相连，梯子梁100mm×4000mmm；每帮支设Φ18mm×1600mm的高强预应力锚杆4根，锚杆间排距为800mm×900mm，误差±100mm。为防止采区动压影响，造成巷道变形，顶板补打Φ17.8mm×7000mm的锚索加强支护，每排施工3根锚索，按间排距1200mm×2400mm施工，巷道支护断面如图8所示。

采用十字观察法对巷道变形量进行监测，距离机尾20m、90m、160m的3个测点测得的巷道围岩随工作面推进时变形量变化曲线如图9所示。

图8 巷道支护断面(mm)

从图9中可以看出，随着工作面的推进，回撤通道两帮及顶底板移近量逐渐增大，变形没有减缓的趋势。在距工作面50～60m范围内，巷道发生骤变，说明此时工作面处于全面来压状态。对比巷道两帮变形量，巷道两帮最大变形量为934mm，巷道非回采侧变形量502mm，变形量大于巷道回采侧，说明巷道非回采侧煤柱承载压力较大，且靠近工作面机尾、机头侧变形量要大于工作面中间位置。对比巷道顶底板移近量，顶底板最大移近量在工作面机头侧504mm，顶板最大下沉量为202mm，底板最大底鼓量为302mm。因回撤通道在末采结束需用采煤机进行卧底以保证巷道断面尺寸，故底鼓量对整个回采过程的影响可以忽略。

图9 距机尾不同距离测点巷道围岩变形量

4 结 论

1)通过数值模拟对比回撤通道距离断层面1m、3m、5m三种情况，回撤通道距离断层面3m时，巷道受工作面回采动压影响较小，对比距离断层面5m，能多回收2m煤柱约3000t煤炭，实现了安全效益最大化。

2)顶板选用Ф18mm×2200mm的高强预应力锚杆，锚杆间排距850mm×900mm，两帮采用Ф18mm×1600mm的高强预应力锚杆，锚杆间排距800mm×900mm，顶板补打Ф17.8mm×7000mm的锚索加强支护，每排施工3根锚索，间排距1200mm×2400mm。

3)两帮最大变形量为934mm，其中，非回采侧变形量502mm；顶底板最大移近量在工作面机头侧504mm，顶板最大下沉量为202mm，底板最大底鼓量为302mm。生产经验表明，顶板下沉量及两帮变形量满足安全生产的要求，因回撤通道在末采结束需用采煤机进行挖底以保证巷道断面尺寸，故底鼓量对整个回采过程没有影响，且工作面变形在可控范围内，不影响使用。