综采工作面回撤通道设计分析与应用

高 诚

(霍州煤电集团 辛置煤矿， 山西 霍州 031400)

目前，我国矿井综采工作面搬家普遍采用采煤机自掘回撤空间的方法，在工作面停采线附近，最后几刀煤通过采煤机与运输机整体实现正常截割，而液压支架保持不动，以形成足够的设备调向及回撤空间，然后及时进行顶板支护。井下综采工作面推进速度快，采掘接替压力大，工作面搬家倒面频繁，支架因架型体积大、吨位重，传统回撤通道支护工艺下，搬家倒面时间约35 d，搬家倒面工程费高、时间长，安全问题突出。为了加快采煤工作面安全快速回撤，解决回撤通道大断面支护、工作面设备回撤安全等问题，有效控制围岩变形，对辛置煤矿2-210工作面回撤通道进行优化设计。

1 工作面概况

霍州煤电集团有限公司辛置煤矿2-210工作面位于310水平二采区，北部为二采区系统巷道，东部为2-208工作面采空区，西部为2-206工作面采空区，南部为310水平二采区右翼皮带巷；工作面地面标高+688～+739 m，工作面标高为+280～+317 m，所采煤层为2#煤层，厚度3.3～3.9 m，平均为3.8 m，直接顶为0～7.5 m厚的砂泥岩，基本顶为6～8 m厚的K8中细砂岩，煤层底板为4～6.5 m厚的泥岩，基本底为4～7.8 m厚的中砂岩。

工作面走向长度为290 m，倾斜长度为105 m，循环进度0.8 m，工作面最大仰采角度为3°，回采面积为30 450 m2，期间安装ZY9000/24/45型双柱掩护式液压支架60架，支架初撑力7 913 kN，工作阻力9 000 kN，支架中心距为1.75 m，支护强度1.06 MPa,底板比压2.5 MPa，采用全部垮落法处理采空区。

2 回撤通道设计

根据《采矿工程设计手册》及工作面停采位置距大巷留设的保护煤柱为50～100 m，由现场推进情况，设计停采位置距大巷留设的保护煤柱为80 m，见图1.

图1 2-210综采工作面停采位置示意图

2.1 回撤通道高度设计

回撤通道最重要的是支架回撤高度设定，回撤通道高度不够，末采结束后支架等大型设备无法顺利回撤，根据顶板压力情况，必要时需进行起底作业。考虑支架最小高度、轨道距底板高度、平板车高度、运输安全间隙、顶板下沉等因素，回撤通道高度计算如下：

H=h1+h2+h3+h4

式中：

H—回撤通道高度，m；

h1—液压支架运输基面高度，m，取0.55(轨道距底板高度0.25 m，平板车高度0.3 m)；

h2—支架收缩后最小高度，m，取2.6；

h3—支架运输安全间隙，m，取0.2；

h4—预计顶板下沉量，m，取0.05.

计算得，H=3.4 m. 由计算得知，撤架通道的高度不应低于3.4 m. 由于撤架通道顶板采用“锚杆+锚索支护”(考虑锚索外露0.3 m)的方式，所以最终确定采高不低于3.7 m.

2.2 回撤通道宽度设计

设计回撤通道宽度时，考虑回撤通道撤架时支架转向所需最小宽度及支架最大宽度。

计算回撤通道宽度方法如下：

LA=L支架-L1-L2

式中：

LA—支架撤出无法转弯距离，m；

L支架—正常采高情况下支架前梁至支架尾梁末端距离，m，取6.8；

L1—支架前梁至支架底座距离，m，取2.5；

L2—支架底座前端至支架立柱前端距离，m，取0.6.

计算得，LA=3.7 m.

式中：

LB—支架转弯斜边最大跨度，m；

L宽—支架宽度，m，取1.75.

带入公式,得LB=7.02 m.

B=LB-L支架+LA+L间隙

式中：

B—回撤通道设计宽度，m；

L间隙—支架转弯至煤壁最小间隙，m，取0.25(帮锚杆外露5 cm，支架前梁最大转角距煤壁留设20 cm间隙).

带入公式得，B=4.17 m.

故回撤通道设计宽度不低于4.17 m. 因工作面每刀循环进度0.8 m，共计5个循环才能满足要求，最后一排顶锚杆距帮0.2 m，最终确定通道为4.2 m.

2.3 末采铺网至停采线间距离

从支架上开始铺设第一道菱形网算起，回采工作面进入末采阶段。因此，合理确定初次铺设菱形网的位置及支护距离，可以减少工作面支护材料消耗、降低劳动强度。计算公式如下：

Lk=L1+L2+L3+L4+D

式中:

Lk—菱形网沿工作面推进方向的铺设宽度；

L1—设计回撤通道宽度，m，取4.2；

L2—液压支架顶梁的长度，m，取4.2；

L3—液压支架掩护梁的长度，m，取2.9；

L4—掩护梁梁尾距底板的高度，m，取1.7；

D—采空区矸石埋压网头的长度，m，取2.4.

将数据代入公式计算得，Lk=15.4 m. 故末采铺网至停采线间距离为15.4 m.

该矿菱形网规格采用10 m×1 m，长边搭接10 cm，按末采铺网至停采线间距离15.4 m计算，共铺顶网18道，按采高不低于3.7 m计算，铺帮网4道，满足顶帮支护要求。

2.4 铺设钢丝绳数量

确定合理的钢丝绳趟数，可以降低工人的劳动强度，减少材料的浪费。一般要求，回撤通道和支架前梁、顶梁、掩护梁及尾梁的上方必须铺设钢丝绳。计算如下：

LS=L2+L3+L4

式中:

LS—铺设收条钢丝绳距停采线的距离，m.

计算得，LS=8.8 m.

铺设收条钢丝绳距停采线的距离已经确定，所以，根据剩余的距离等参数可以确定铺设钢丝绳的趟数，铺设钢丝绳的绳间距选定为0.4 m，设计选用23趟钢丝绳。

2.5 锚杆、锚索选型

根据《采矿工程设计手册》顶板支护选型计算公式进行计算，该矿选用锚杆d22 mm×2 400 mm，锚索d21.6 mm×8 500 mm，满足顶帮支护要求。经计算，锚杆间排距≤2 281 mm可满足要求，回撤通道锚索排间距选取800 mm×2 400 mm，落山侧锚索排间距选取1 600 mm×1 750 mm，顶锚杆间距为1 600 mm，排距取800 mm，锚索间排距<2.63 m可满足要求。遇断层或顶板破碎区段时，缩小锚杆、锚索支护排、间距1 000 mm×800 mm并铺双层菱形金属网。若发现顶板出现裂隙时，应及时对顶板进行注浆加固，确保巷道顶板稳定。

3 回撤通道末采施工设计

根据综采工作面回撤通道设计，严格按照设计计算依据，合理优化工作面末采支护方案，明确各工序之间的操作流程，进一步规范现场操作的实施，即工作面采高必须保证在3.7 m以上，在距停采线前15.4 m处工作面开始铺网，共铺18道顶网，铺设23道钢丝绳，铺设4道帮网，施工顶锚杆8排，顶锚索8排，帮锚杆4排。前13个循环顶网采用双层菱形金属网(规格1.0 m×10 m2,网格4 cm×4 cm)，从第14个循环顶网铺设单层金属网。铺设第一道金属网采用对折方式连接在钢丝绳上，自第4个循环网开始上绳，第一道为d26 mm的钢丝绳，第二道为d22 mm的钢丝绳，依次往后交错布置，以后每隔400 mm挂联一道钢丝绳，共铺设23道绳，帮网采用1.0 m×10 m2的金属网(网格8 cm×10 cm)，铺设单层，共4道帮网；工作面距停采线剩余9 m时(第8个循环时)，距支架前梁第8根钢丝绳0.4 m处施工第一排d21.6 mm×8 500 mm的顶锚索，间距1 750 mm，距第一排锚索0.8 m处施工一排锚索，排、间距1 600 mm×1 750 mm，布置3排，在距第一排锚索0.8 m处施工d22×2 400 mm的左旋锚杆，锚杆排、间距1 600 mm×800 mm并配合3.2 m长钢筋托梁支护，共布置3排；工作面距停采线剩余4.2 m时，距支架顶梁0.8 m处打第一排顶锚杆，共施工5排顶锚杆，顶锚杆采用d22 mm×2 400 mm的左旋锚杆，锚杆排、间距800 mm×800 mm并配合3.2 m长钢筋托梁支护，顶锚杆顺工作面排与排交错布置；在距支架顶梁前端0.4 m处布置第一排锚索，工作面共布置4排d21.6 mm×8 500 mm的顶锚索，第一排锚索排、间距800×1 750 mm；其余锚索排、间距800 mm×2 400 mm，副巷三角区提前打锚索维护到位；停采后煤壁距顶板0.3 m处施工4排帮锚杆，帮锚杆采用d22 mm×2 400 mm的左旋锚杆，锚杆排、间距1 000 mm×800 mm并配合3.2 m钢筋托梁进行支护。其顶帮锚杆锚固力不得小于190 kN，扭矩不得小于300 N·m，锚索锚固力不小于300 kN，预紧力不小于240 kN. 回撤通道设计图见图2.

图2 2-210综采工作面回撤通道设计图

4 末采循环施工工艺

1) 距停采位置(15.4 m)第19个循环：割煤→安全检查(含敲帮问顶、临时支护)→挂连钢丝绳→挂连网→固定网头和绳头→拉架移溜→安全检查(含敲帮问顶)→清煤

2) 距停采位置第18—17个循环：割煤→安全检查(含敲帮问顶、临时支护)→挂连网→固定网头→拉架移溜→安全检查(含敲帮问顶)→清煤

3) 距停采位置第16—12个循环：割煤→安全检查(含敲帮问顶、临时支护)→挂连网→固定网头→拉架移溜→安全检查(含敲帮问顶)→清煤

4) 距停采位置第11—6个循环：割上刀煤→安全检查(含敲帮问顶、临时支护)→施工锚杆(锚索)眼→上锚杆(锚索、桁架)→铺连网(顶板破碎处铺双层网)→固定金属网→固定网头→割底煤→移架推溜→清煤

5) 距停采位置第5—1个循环：割上刀煤→安全检查(含敲帮问顶、临时支护)→施工锚杆(锚索)眼→上锚杆(锚索、桁架)→铺连网(顶板破碎处铺双层网)→固定金属网→固定网头→割底煤→推溜→清煤

5 现场应用效果

1) 明确了工作面末采工程量，并进行合理分配。2-210综采工作面采用末采支护设计，在用时上合理管控，提高了人工效率，由原25天提前至20天完成末采。

2) 解决了回采工作面预留回撤通道宽度过大、过小的问题，使工作面支架顺利回撤，减少了回撤通道宽度不足造成支架难以抽出或回撤通道宽度过大造成材料浪费的技术难题。

3) 合理确定末采循环次数、进度及工程量。根据割煤循环进度0.8 m，工作面末采长度15.4 m，确定了工作面19(刀)个循环进度；明确现场操作顺序，细化工艺流程，并按照每个循环进度工程量依次对工作面进行施工操作，解决了现场各工序工艺操作混乱现象。

4) 改变了传统末采工艺，增强了落山侧顶板支护工艺的顶板适应性，减轻了回撤期间人员单体柱支护三角区的劳动强度，改善了安全生产条件，提高了工作面的拆除速度，平均圆班拆除8架，原末采回撤圆班抽6架，从工作面原定17天支架回撤完成提前至14天。

5) 支护材料投用方面，每个回采工作面末采回撤，单体柱、小梁的投用节省约2.8万元，减少人工维护成本约1.7万元，减少岗位数量，减轻职工劳动强度，提高了工作面回撤效率，有效缓解了工作面拆除时间长、接替紧张的局面，使矿井正常生产接替有序。

6 结 语

煤矿综采工作面根据现场实际情况，合理设计工作面末采距离及支护方式，及时优化工作面末采工艺和支护参数，解决了现场回撤期间落山侧顶板断绳问题，实现了回撤顶板及三角区顶板有效控制，避免了顶板事故;取消了回撤三角区单体柱使用，减少了人员劳动强度，提升现场机械化效率，提高了现场及人员安全环境;实现了工作面连续快速抽架，现场回撤能力提高20%，缓解了采掘接替紧张现状。该回撤通道设计可应用于不规则工作面布置，及煤层赋存条件复杂区域回采末采工作。