综采工作面回撤巷道支护技术优化研究

文/杨 康

安全、快速回撤综采工作面，直接关系到矿井的安全生产，以及产量和效益的提升。山东能源枣庄矿业集团付村煤业有限公司3上1007工作面上覆岩层的载荷，由液压支架及回撤通道支护结构体共同承载，控顶范围内顶板围岩将承受较高覆岩载荷，顶板脱落的风险较大。针对这一问题，通过分析3上1007工作面回撤支架期间覆岩载荷，对3上1007工作面回撤方案进行了优化设计。

一、矿井概况

付村煤业有限公司3上煤层1007工作面平均埋深约为530m，煤层厚度5.35～5.77m，平均5.5m，属中硬煤层；工作面走向推进长度约724m，倾斜长度175m，倾角平均7°；工作面直接顶为3.51m粉砂岩，随采随冒，基本顶为16.52m中砂岩。通过对3上1007工作面顶板在线压力监测系统统计数据分析，结合现场观测，在不考虑断层和火成岩的情况下，工作面周期来压步距在13～24m。

当3上1007工作面与其回撤通道贯通后，此时上覆岩层的载荷由液压支架及回撤通道支护结构体共同承载，由于工作面及回撤通道控顶范围长度为9.2m，平均采高为5.5m，控顶范围内顶板围岩将承受较高覆岩载荷。为保障工作面回撤支架期间的安全生产，需针对该条件下控顶范围内顶板覆岩载荷大小及当前所采取的支护强度进行计算和验算，同时需采取相应的技术措施消除顶板灾害的风险，保证矿井的安全高效生产。

二、回撤巷道支护方案

3上10 07工作面回撤巷道净宽高为4.0m×3.0m，掘进期间采用锚杆锚索联合支护。其中顶板采用Ф18×2200mm的高强（Q500）预应力锚杆，每排5根，间排距为850×900mm；两帮采用Φ18×2000mm的高强（Q500）预应力锚杆，每排4根，间排距为800×900mm；顶板补打锚索加强支护，每排施工3根锚索，间排距为1.2×2.4m，锚索由270K级7股钢绞线制作，直径17.8mm，长度7m，锚索预紧力不小于10t。

末采期间为保证撤架通道的顶板安全，一般需对回撤通道超前采取措施进行加强支护。

三、工作面回撤支架期间覆岩载荷分析

当3上1007工作面与回撤巷道贯通后，覆岩顶板压力受覆岩结构的应力影响，老顶岩块断裂位置对回撤通道围岩的稳定性影响较为明显。

1.老顶在停采线后方断裂

老顶在停采线后方断裂后，发生回转下沉。老顶触矸前，覆岩载荷由工作面及回撤通道顶板承担，此种情形对回撤通道顶板及帮部稳定性影响有限，常用的支护方式一般可以实现对回撤通道的稳定控制。

2.老顶在巷道上方断裂

由于老顶在巷道上方已发生断裂，支架回撤期间对其产生扰动，老顶破断形成的岩梁发生回转下沉，使得回撤巷道遭围岩变形破坏进一步加剧，对回撤作业的安全开展造成不利影响。这种情况还可分为两种类型。

（1）老顶断裂位置处于煤壁附近。在顶板自重压力作用下，顶板极易发生剪切破坏，此时顶板来压强度大、速度快，矿压显现最为剧烈。

（2）老顶在回撤通道煤壁处断裂。顶板在顶板自重压力作用下发生变形，岩块两端分别受到煤壁与支架的支撑，回撤通道顶板产生弯曲下沉现象。此时顶板来压强度有限。

为保证回撤作业安全进行，回撤作业时必须对其覆岩老顶破断情况状态进行预判，提前制定相应的安全技术措施，以规避周期来压风险。

3.支架最小工作阻力计算

3上1007工作面老顶周期来压步距为13～24m，且直接顶随采随冒。当3上1007工作面与回撤通道贯通时，假定老顶破断距为24m（最大周期来压步距）且老顶沿回撤通道中部破断、老顶在采空区弯曲下沉而触矸（存在未触矸可能），控顶范围内支架将承受覆岩一部分或全部重量；老顶下部一部分岩层为垮落带，且与老顶上部岩层离层而未垮落。据此计算支架所需的最小工作阻力。

根据工程实践经验及已有理论计算公式，选取以下三种计算方法预估老顶断裂时3上1007面顶板覆岩压力。

（1）压垮型冒顶荷载计算法。支架的工作阻力应能对工作空间及采空区上方垮落带岩层重量进行支承，垮落带高度可由下式求得：

式中，M为采高，取5.5m；

Kk为垮落带岩层平均碎胀系数（未压实前），取1.4。

可求解得垮落带高度为13.75m。

经计算，可知选取老顶岩块长度（周期来压最小步距、周期来压平均步距和周期来压最大步距）分别为13m、18.5m及24m时，支架的工作阻力分别为：5848.79kN、7931.91kN及10015.02kN。

（2）载荷估算法。冒落带岩层厚度约为3倍采高，在考虑矸石压实率及一定的富裕系数的基础上，取5倍的采高进行计算，支架的工作阻力为7202.2kN。

（3）实测统计法。经我国近30年来的实测统计，参照由煤科院提出的煤炭行业标准的综采工作面支护强度下限，经计算可知，支架的工作阻力应大于6580kN。

取上述三种计算方法结果最大值，可知工作阻力应不小于10015.02kN。目前液压支架工作阻力为9000kN，较最不利条件下支架所需最小工作阻力小。

4.支架初撑力核算

为了保证直接顶不与老顶离层，必须使直接顶岩梁两端处于固支状态。这时，在最小控顶距状态下，支架初撑力必须满足以下条件：

（1）支架初撑力能平衡支架上方直接顶岩梁重量；

（2）支架后端的初撑力能平衡采空区上方将要被切断的那段直接顶悬顶岩重；

（3）支架初撑力所产生的主动力矩能平衡工作空间上方及采空区上方直接顶岩梁所产生的力矩。

经核算可知，支架的初撑力应不小于2277.7kN。即：当3上1007工作面与回撤通道贯通后，应确保液压支架最小初撑力不小于2277.7kN，才能防止直接顶与老顶离层。

四、综采工作面回撤巷道加强支护方案

当3上1007工作面与回撤通道未贯通前，回撤通道发生大变形或者老顶破断引起的控顶范围围岩大变形，应采取如下技术措施。

1.加强矿压监测

包括工作面矿压和支架回撤通道围岩的变形监测，以及时掌握顶板周期来压步距、工作面超前支承压力和通道变形状况，为回撤通道安全提供技术依据。

2.回撤通道顶板加强支护方案

（1）回撤通道顶板考虑补打锚索。在现有锚杆（索）支护的基础上，进行二次锚索加强支护。具体措施为：锚索规格为Φ21.6×7000mm配合300×300×15mm球形托盘，用3卷Z2550型的中速树脂药卷锚固，保证加强支护后锚索的间排距为1200×1600mm，锚索预紧力为10t。

（2）对顶板采用单体支柱配合顶梁进行加强支护。此方案可按目前矿初步确定的加强支护中的1棚4柱方式进行。

3.非回采煤帮的加强支护方案

回撤通道高度要求比较大，这样煤帮的稳定性十分重要，必须进行二次加强支护。

（1）通道起底前，在煤帮进行补强锚索支护。锚索每2排布置2根锚杆，可考虑用钢带连接；锚索规格为Φ21.6×5000mm配合300×300×15mm球形托盘，用2卷Z2550型的中速树脂药卷锚固；锚索间距为1.5mm，上距顶板1.0m，下距底板0.5m；锚索预紧力为10t。

（2）回撤通道起底后，在起底范围内补打锚杆和锚索。布置方式和加强支护一样，但锚杆要加大锚固长度。

五、结论

付村煤业有限公司3上1007工作面老顶断裂主要分为以下两种情形：其一是老顶在停采线后方断裂，常用的支护方式一般可以实现对回撤通道的稳定控制。其二是老顶在巷道上方断裂。由于老顶在巷道上方已发生断裂，支架回撤期间对其产生扰动，岩块极易发生回转运动，围岩变形破坏进一步加剧，威胁回撤作业的安全开展，则应在回撤支架期间制定相应的加强支护技术措施，主要包括回撤端支护形式及强度、回撤通道煤壁及顶板加强支护的技术参数等，以确保安全、快速回撤综采工作面。