特厚易自燃煤层综放工作面末采收作技术研究

刘念全，张福敏

（鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司，内蒙古 准格尔旗 010300）

0 引 言

内蒙古准格尔矿区煤炭资源丰富，煤层厚度较大，主采煤层为易自燃煤层，发火周期35 d 左右，回采工艺以综采放顶煤工艺为主[1]。自燃发火周期短，要求工作面收作设备拆除速度快[2]；综采放顶煤工作面所需采煤机、主架等设备尺寸、重量均较大，搬运所需巷道规格尺寸大[3]；特厚煤层工作面顺槽沿煤层底板布置，顶板支护锚杆锚索均锚固在煤层中，支架拆除后顶板随拆随垮，顶板管理难度较大[4]。因此，特厚煤层综放工作面作好末采安全管理尤为关键[5-6]，故对特厚煤层综放工作面末采安全保障技术要求具有重要的现实意义，亦可为煤矿类似条件下工作面末采收作提供依据。

1 工作面设备回撤方式

1.1 工作面概况

唐家会矿02 工作面位于矿井一盘区东翼，北邻01 工作面，南邻03 工作面，西自一盘区6 煤辅运大巷，东至DF11 断层组保护煤柱；工作面西侧三条盘区系统大巷已施工完毕。工作面长度235 m，回采工艺综采放顶煤。

老顶主要为细砂岩，平均厚度为5.4 m，以灰白色的石英长石为主，泥质胶结，呈次棱角状分选性差。直接顶主要为粉细砂岩，平均厚度2.9 m，以灰色的石英为主，分选性中等，局部夹砂泥岩薄层，夹煤线条痕，厚度不大，富水性较弱。直接底主要为泥岩，平均厚度6.9 m，表现为灰褐色的厚层状构造，断口参差状，块状结构，含较多的植物化石碎片。老底主要为砂质泥岩结构，平均厚度4.7 m，灰褐色，厚层状构造，断口参差状，见植物化石。局部相变为细砂岩。

1.2 工作面设备回撤方式

现有工作面设备回撤方式主要有预掘双通道+垛式支架、现掘单通道不用垛式支架、预掘单通道+强力墩柱支护[7]。

1.2.1 预掘双通道+ 垛式支架

工作面回采至工作面收作线之前，在收作线位置提前施工主回撤通道和辅助回撤通道，两条回撤通道之间施工3 条联巷。主回撤通道在工作面回采至距停采线100 m 位置前采用垛式支架支护顶板。具体布置方式如图1 所示。

该方式具有回撤设备多通道，可双工作面同时作业，拆除速度快，工期短等优点；存在回撤通道在工作面末采期间受采动影响较大，回撤通道工程量大，垛式支架费用较高等缺点[8]。

图1 预掘双通道+ 垛式支架布置方式Fig.1 Arrangement of pre-excavated double-channel+battle-type support

1.2.2 现掘单通道不用垛式支架

工作面回采至停采线位置，支架保持不动，使用单体配合支架推移千斤顶推移前部运输机，采用采煤机割煤，人工支护顶板刷扩出回撤通道，回撤设备。具体布置方式如图2 所示。

该方式具有回撤通道工程量小，通道受采动影响小，不需要使用垛式支架支护顶板等优点；存在单通道回撤设备，回撤速度慢，时间长等缺点[9]。

图2 现掘单通道布置方式Fig.2 Single channel layout

1.2.3 预掘单通道+ 强力墩柱支护

工作面回采至停采线之前，预掘回撤通道，采用强力墩柱代替预掘回撤通道内传统采用的垛式液压支架支护顶板，工作面末采贯通回撤通道（采用单通道形式） 后，采用采煤机一次性割碎墩柱并随工作面煤流系统运出后，回撤设备，具体布置方式如图3 所示。墩柱制作材料采用高水材料制作或特殊砼材料制作，其中砼的骨料采用风化红片石代替普通碎石子，墩柱强度≤25 MPa，该方式具有回撤设备准备时间短，支护成本较垛式支架费用低等优点；存在单通道回撤设备，回撤速度慢、时间长、墩柱材料影响矿井煤质等缺点。

针对该工作面煤层易自燃、自燃发火周期短、采空区防灭火工作困难等特点，选择采用预掘双通道+垛式支架方式进行回撤。

2 工作面末采顶板管理

2.1 支架掩护范围顶板支护

工作面支架及支架尾梁顶板支护采用聚酯高强度纤维柔性网，在尾梁铺网段预先缝制风筒布一层，减少采空区氧气含量。该网具有网片面积大、整体性好、柔韧轻便、抗拉力强、操作工艺简单、阻燃、可预制性强、一次性上网免连接等优点，可大大提高末采工作效率[9]。

图3 预掘单通道+ 强力墩柱支护布置方式Fig.3 Support arrangement of pre-excavated single channel+strong pier column

2.2 主回撤通道顶板管理

主回撤通道断面为矩形断面，规格5 500 mm×4 200 mm，主回撤通道采用锚索网+垛式支架支护。巷道顶板布置7 根锚杆，顶板锚杆规格φ20 mm×2 500 mm。顶板布置5 根锚索，由长5 m 槽钢组合在一起，锚索间距为1 100 m，顶板锚索规格φ21.6 mm×10 300 mm，两帮各布置5 根锚杆，其中靠切眼帮为玻璃钢锚杆，靠辅回撤通道帮为金属锚杆，巷帮玻璃钢锚杆规格φ20 mm×2 000 mm，巷帮金属锚杆规格φ20 mm×2 500 mm，巷道靠辅回撤通道帮布置一排走向锚索，锚索距底板高度1 800 mm，帮部锚索规格φ21.6 mm×5 300 mm。为减缓工作面超前支承压力对主回撤通道的影响，工作面距通道50 m 前架设两排垛式支架进行加固。主回撤通道支护平断面如图4 所示。

主回撤通道内安设两排ZZ12000/22/46X 型四柱掩护式液压支架，每排40 台支架。为确保支护方式及参数合理有效，特采用数值模拟方法进行模拟验证。

图4 主回撤通道支护断面Fig.4 Support section of main retreat channel

2.2.1 数值模型的建立

根据主回撤通道围岩地质条件，选取揭露的砂质泥岩、细砂岩、中细砂岩以及煤层作为建模对象，以主回撤通道附近钻孔资料为计算依据。采用UDEC4.0 建立相应的分析模型，计算模型尺寸为260 m×125 m。模型左右及下边界均为位移固约束边界，上边界为应力边界，按上覆岩层厚度施加均布荷载，材料破坏遵循Mohr-Coulomb 强度准则[10]。图5 为主回撤通道的数值计算模型。

2.2.2 模拟方案

支护方案要求在巷道开挖后立即进行支护，锚索及锚杆均采用cable 单元模拟，垛式支架和工作面液压支架采用Support 单元模拟，结合支架增阻特性曲线赋予Table 值。

图5 主回撤通道支护与加固数值模型Fig.5 Numerical model of main retreat channel support and reinforcement

2.2.3 数值模拟计算结果分析

为了更直观的观察巷道围岩的应力与变形情况，另在巷道左侧实体帮岩体内设置监控测线和监控点监测巷道围岩应力变化。测线测点如图6 所示布置，测线1 布置在巷道左帮中间位置，测点1 布置在测线上方。

图6 监测线和测点布置Fig.6 Arrangement of monitoring lines and points

主回撤通道围岩的应力云图和塑性区分布图以及1 号测点应力变化如图7～图9 所示。由于巷道的开挖和工作面的回采改变了原岩应力分布，从1号测点应力变化曲线可以看出，随着巷道的开挖，1 号测点垂直应力值从约12 MPa 激增至17 MPa，工作面向前回采至采通，最测点应力稳定在24.1 MPa。从垂直应力云图可以看出，巷道左侧围岩整体处于高应力状态，但未出现拉应力状态，应力峰值距巷帮表面约8.5 m 位置。主回撤通道的左帮和顶底板均未发生塑性破坏。测点应力峰值与巷道表面距离见表1。

表1 应力峰值及距巷道表面距离统计Table 1 Statistics of stress peak value and distance from roadway surface

围岩垂直位移和水平位移如图10、图11 所示，主回撤通道顶板最大下沉值为455 mm，底板最大底鼓量为105 mm，顶板最大下沉量出现在巷道中部附近，左帮最大位移值为370 mm，说明顶板下沉量较小。主回撤通道围岩位移量见表2。经数值模拟验证满足工作面末采收作安全要求，并在02 工作面实践应用，并采用“十”字布点法布置顶底板和帮部位移观测站，主回撤通道底鼓最大变形量111 mm，非贯通帮最大位移量155 mm，顶板下沉量322 mm，对设备回撤基本无影响。

图7 巷道围岩垂直应力云图和测线垂直应力分布Fig.7 Vertical stress nephogram of surrounding rock of roadway and vertical stress distribution of survey line

图8 测点1 垂直应力变化曲线Fig.8 Vertical stress change curve of measuring point 1

图9 巷道围岩塑性区分布Fig.9 Plastic zone distribution of roadway surrounding rock

3 工作面末采贯通层位控制

综采工作面末采贯通层位控制方法一般有贯通调节巷（硐） 法、贯通调节钻孔法、底煤钻探法和标高调整法等。

根据已回采工作面经验和周边矿井调研分析，为确保贯通质量，唐家会矿02 工作面末采期收作工程采用贯通调节钻孔法与贯通调节硐法联合使用。工作面距停采线大于200 m 之前，在主回撤通道采煤帮施工贯通调节钻孔和贯通调节硐室。具体布置及结构如图11 和图12 所示，调节钻孔距主回撤通道底板1.5 m，设计长度20 m，孔间距 20 m，孔径 75 mm，下入1.5 寸白色 PVC 塑料管，然后向PVC 管内注入石灰涂料。调节硐室沿主回撤通道顶板施工，断面3 m×3 m，支护采用锚索网梁支护，长度6 m。施工结束后在硐室内施工木垛，确保工作面贯通时有明显层位关系。

表2 主回撤通道围岩位移量统计Table 2 Statistics of surrounding rock displacement in the main retreat channel

图10 巷道围岩垂直位移云图Fig.10 Cloud map of vertical displacement of surrounding rock of roadway

在工作面距离收作线20 m 时，在工作面回采期间，可根据揭露的调节钻孔调整工作面，直到找到所有调节钻孔，并根据工作面和调节钻孔相对位置进行层位调整。02 工作面布置平面和剖面如图12、图13 所示。在工作面回采至6 m 位置时，根据工作面和调节硐室相对位置关系进行层位调整，工作面沿调节硐室顶板回采，贯通层位控制直观，可靠性高。该方法可有效避免工作面收作贯通错茬，减少贯通后的挑顶卧底工程量，为工作面拆除创造良好施工条件，缩短拆除工期，为工作面快速收作封闭提供保障。

图12 02 工作面布置平面Fig.12 Plane of 02 working face

图13 02 工作面布置剖面Fig.13 Section of 02 working face

4 结 语

特厚易自燃煤层综放工作面末采收作质量对综放大型设备能否安全回撤有着至关重要的影响。为加快工作面设备回撤速度，收作工作面及时封闭，消除采空区自燃发火隐患，经过数值模拟和现场实践应用，总结出一套适用于特厚易自燃煤层综放工作面末采收作顶板管理和贯通层位控制合理有效的技术保障方案，为煤矿相似条件下工作面末采收作提供很好的借鉴。