综采工作面刚柔组合整体铺网回撤支护工艺的研究

宋云龙

（山西马堡煤业有限公司， 山西 长治 046300）

引言

设备回撤为工作面开采结束后的关键收尾工作，能够安全、快速、顺利地将设备从综采工作面撤出是煤矿安全生产的要求和目标。但是，在实际设备回撤过程中由于综采工作面顶板的来压周期相对明显，导致巷道顶板出现严重的下沉，进而导致工作面液压支架被顶板的下压岩层压死，最终增加了液压支架撤出的难度或导致液压支架无法撤出。为保证液压支架能够从工作面安全、顺利的撤出，需结合现场实际情况对待撤出设备的工作面和通道进行支护[1]。本文将着重研究综采工作面刚柔组合整体铺网回撤支护工艺，具体阐述如下。

1 工程概况

本文以凉水井煤矿42111 工作面为例开展回撤通道支护工艺的一系列研究，该煤矿的设计生产能力为每年4 Mt。42111 综采工作面煤层的倾角范围为0°～3°，对应煤层的平均厚度为3 m；煤层中含有一定的煤矸石，对应煤矸石的平均厚度为0.21 m。经探测，42111 工作面的顶底板情况如表1 所示。

表1 42111 工作面顶底板情况

2 工作面开采末期的矿压规律分析

对回撤通道支护时，为确保液压支架顺利、安全的撤出，需对综采工作面开采末期的矿压规律进行全面掌握，确定是否能够采用停采让压技术对工作面顶板的压力进行释放[2]。为此，针对42111 工作面建立有效的矿压监测方案。根据42111 工作面的实际情况，分别在工作面多个液压支架（编号为：3#、7#、12#、62#、67#、72#、122#、127#、132#）上安装红外压力传感器对矿压规律进行监测，监测结果如表2所示。

表2 462111 工作面开采末期液压支架来压监测结果MPa

经对工作面液压支架40 d 内来压进行监测可知，462111 工作面在开采末期平均来压为35 MPa；此外，对工作面现场观察可知，在46111 工作面顶板周期来压期间，工作面两帮出现大面积的片帮问题，且在液压支架掩护梁的位置处出现大面积的煤矸石。而且，当工作面推进的距离为采煤机推进步距的2～3 倍时，工作面顶板的变形减缓且对应支架掩护梁的煤矸石也相对减少[3]。因此，可以得出工作面顶板周期来压的影响区域为2～3 倍的推进步距。

3 工作面回撤通道的支护设计

针对46111 工作面在开采末期工作面顶板周期来压规律的监测分析，当对工作面设备进行回撤时需对通道进行支护。本文拟采用刚柔组合整体铺网工艺对工作面回撤通道进行支护，具体支护参数设计如下。

3.1 纤维网铺设间距的确定

对于传统回撤通道的支护在采用锚杆支护的基础上，采用菱形铁丝网进行强化支护。但是，在实际支护实施过程中发现，菱形铁丝网存在支护工序繁杂、安装效率低、作业人员劳动强度大的问题。为解决上述问题，在锚杆支护的基础上，针对回撤通道采用铺设高强树脂纤维网的方法进行强化支护。高强树脂纤维网的支护效果在很大程度受制于纤维网的铺设间距。纤维网铺设间距的计算公式如式（1）所示：

式中：L1为46111 工作面回撤通道的宽度，L1=4 m；L2为液压支架顶梁的实际长度，L2=4.6 m；L3为液压支架掩护梁的长度，L3=4.1 m；L4为46111 工作面回撤通道的高度，L4=3 m；L5为安全高度，取L5=5 m；L6为工作面开采完毕后煤矸石压纤维网的长度，取L6=10 m。

经计算可知，高强树脂纤维网的铺设距离为25.7 m，考虑到实际施工的便捷性，将其圆整为26 m。46111 工作面的长度为230 m，因此确定高强树脂纤维网的长度为230 m+20 m（安全余量）=250 m。

3.2 锚杆支护参数的设计

待回撤通道完成铺网操作后，采用锚杆+锚索对铺网后的回撤通道进行支护。对于锚杆而言，其关键参数为锚杆长度和间距。

3.2.1 锚杆长度的确定

实际支护锚杆长度为锚杆的外露长度、锚杆支护的有效长度以及锚固长度的和。结合实际支护经验，一般将锚杆的外露长度确定为0.15 m；对应锚杆的锚固长度为0.3～0.4 m。锚杆有效长度的计算公式如式（2）所示：

式中：B 为锚杆的有效长度；f 为46111 工作面煤层的硬度系数，取f=1.9；A 为液压支架回撤通道的宽度，取A=4 m；H 为液压支架回撤通道的高度，取H=3 m；φ 为 46111 工作面岩层的内摩擦角，取φ=44.2°。

经计算可知，回撤通道锚杆的有效长度为1.72 m；则锚杆的实际长度为0.15 m+1.72 m+0.3 m=2.17 m。为确保锚杆支护拥有一定的余量，最终确定锚杆的长度为2.4 m。

3.2.2 锚杆间距的确定

一般的，锚杆间排距应小于锚杆实际长度的一半。即锚杆的间距应小于1.2 m。结合以往对巷道的支护经验，拟定锚杆间距为800 mm，锚杆排间距为800 mm。

3.3 支护效果验证

为验证刚柔组合整体铺网对回撤巷道的支护效果，基于FLAC3D 软件对原支护方案和刚柔组合整体铺网支护方案对回撤通道围岩控制效果进行对比分析[4]。根据46111 工作面实际情况，基于FLAC3D软件建立数值模拟模型，并根据工作面岩层的力学参数对模型中的参数进行设置。针对两种支护方案对回撤巷道围岩控制效果进行全面分析，分别在模型中距离回撤通道口5 m（Ⅰ-Ⅰ剖面）、65 m（Ⅱ-Ⅱ剖面）、120 m（Ⅲ-Ⅲ剖面）、175 m（Ⅳ-Ⅳ剖面）以及235 m（Ⅴ-Ⅴ剖面）的位置对顶板的下沉量进行仿真模拟，具体仿真结果如图1 所示。

图1 两种支护方案对回撤通道围岩控制效果对比

分析图1 可知，回撤通道在两种支护方案下，在同一个剖面上距离停采线越远，对应工作面顶板的下沉量越大；而在距离停采线相同距离的位置上，越深入回撤通道，对应顶板的下沉量越小；基于刚柔组合整体铺网的支护方式对回撤通道围岩的控制效果明显优于原支护方式。结合刚柔组合整体铺放支护方式，为提高回撤通道的控制效果及高强树脂纤维网的施工效率和成本，可将刚柔组合整体铺网支护在设备回撤通道的支护中应用[5]。

4 结论

1）综采工作面开采完毕后需将其中的液压支架安全、顺利、高效的撤出，为了解决回撤通道支护不利导致的液压支架回撤困难或无法回撤的问题，需加强对回撤通道的支护设计。

2）46111 工作面在开采末期巷道顶板对液压支架具有明显的周期来压，其来压步距为推进步距的2～3 倍。为保证46111 工作面液压支架的顺利回撤，采用刚柔组合整体铺网支护方案对回撤通道进行支护。具体支护参数如下：高强树脂纤维网的铺设距离为26 m，铺设长度为250 m；所采用锚杆支护的长度为2.4 m，锚杆间距为800 mm，锚杆排间距为800 mm。

3）经数值模拟分析可知，刚柔组合整体铺网支护方案对回撤通道支护效果优于原支护方案。