厚煤层综放工作面回撤通道支护技术优化研究

解鹏雁，王 文

(1.山西潞安环保能源开发股份有限公司 王庄煤矿，山西 长治 046000；2.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003)

工作面回采结束后，需要预留一定空间的回撤通道，便于工作面内采煤配套设备安全快速的搬到接替面，搬家时间的长短将会对煤矿安全高效生产产生直接影响[1-7]。因此，保证回撤通道的稳定，实现工作面设备的快速、顺利回撤亦是矿井安全、高效生产的基础[8-10]。

针对回撤通道支护技术的研究，诸多专家学者作了大量的研究。吕坤等[11]基于特厚煤层综放工作面背景，对回撤通道围岩变形规律进行模拟研究，并提出采用锚网索组合支护的方式控制回撤通道，现场应用效果良好。李兴华等[12]基于坚硬顶板条件对不同支护方式下的回撤通道受力变形规律作进行模拟研究，并得到合理的优化支护方法，现场施工效果较好，且节约了成本。杨尚等[13]建立浅埋煤层情况的回撤通道锚固梁结构力学模型，对锚固梁结构的稳定性进行了分析，并在现场进行应用。杨仁树等[14]针对矿井特殊地质条件、大采高等背景下的工作面回撤通道稳定性控制机理进行了分析研究。吕华文[15]运用理论分析、数值模拟以及现场对应力进行观测的手段，对回撤通道靠近工作面侧的煤柱应力变化规律进行了分析研究，形成预掘回撤通道的力学受力特征的机制。张金虎等[16-22]针对回撤通道受超前支承压力影响而引起围岩变形严重等难题均作了相应的理论研究。

本文基于某煤矿9105工作面实际工程背景，采用理论分析、数值模拟及现场试验等手段，建立回撤通道围岩结构力学模型，确定回采通道顶板锚固梁承受的最大拉应力，提出回撤通道合理支护参数，并在现场进行了工程应用，为类似条件下的回撤通道支护工程的实施提供技术参考。

1 工程背景

1.1 回撤工作面概况

某煤矿9105综放工作面位于91采区，开采3号煤层，煤厚6.5 m左右，赋存较为稳定。工作面标高+377～+522 m，地面标高+903～+932 m，平均埋深468 m。工作面东为矿界，西接540/3号胶带巷，南为实体煤，北为设计工作面。煤层坚固性系数为1～3，夹矸坚固性系数为2～3，直接顶、直接底坚固性系数均为3～8；可采指数为1，变异系数为8.42%。煤层倾角为2°～12°，工作面正常涌水量为25～30 m3/h，最大涌水量为50 m3/h。采煤方式为倾斜长壁后退式综采低位放顶煤一次采全高全部垮落法。工作面回采走向长3 350 m，切眼长340 m，采高(3.3±0.1) m，放顶煤高度约3.2 m，割煤进尺为0.8 m。9105工作面布置如图1所示。

图1 工作面平面布置Fig.1 Layout of working surface

1.2 回撤通道原支护形式

Z2335、Z2360型树脂加长药卷各1支，锚固长度为1.2 m；每根顶锚索采用(CK+Z)2360型树脂药卷1支、Z2360型2支，锚固长度为2.2 m。铺设直径4.5 mm的双层金属网，金属网规格10 m×1 m。支护断面参数如图2所示。

图2 回撤通道原支护方式示意Fig.2 Schematic of original supporting method of retracement channel

2 回撤通道围岩力学环境分析

综放面在正常推进过程中，采空区上方基本顶岩层将会出现周期性破断，而在末采期间工作面将作为回撤通道随工作面不断推进，前方的超前压力会向前推移，回撤通道顶板压力不断增加。当超前支承压力峰值前移至回撤通道顶板中心时，顶板支护结构受载最大，顶板支护结构发生破坏的机率最大。回撤通道围岩结构如图3所示。

图3 回撤通道围岩结构Fig.3 Surrounding rock structure of retracement channel

根据相关研究，顶板岩梁结构受超前支承压力峰值作用于回撤通道中部，顶板锚杆(索)对顶板支护力简化为均布载荷进行回撤通道锚固梁结构受力分析，如图4所示。

图4 回撤通道顶板结构受力分析示意Fig.4 Schematic diagram of the force analysis of the roof structure of the withdrawal channel

图4中，K为应力集中系数，取2.1；γ为覆岩平均容重，取22 kN/m3；H为煤层埋深；P顶杆为顶锚杆工作面载荷，取126 kN；P顶索为顶锚索工作面载荷，取224 kN；n为单位面积上的锚杆根数；m为单位面积上的锚索根数。

根据计算分析，若原支护方案满足要求则进行优化，不满足要求则进行加强支护。原支护方案锚固梁承受的最大拉应力为：

(1)

式中，b为巷道的宽度；h为锚固梁的厚度，取顶锚索的有效长度；q为顶板岩梁所受的平均载荷；q1为锚杆、锚索对直接顶岩梁的均布载荷；σ为原支护方案锚固梁承受的最大拉应力。

9105工作面回采通道宽度b为2.4 m，顶锚索有效长度h为6 m，经计算顶板受覆岩的作用力均布载荷q为21.62 MPa，原支护方案锚杆、锚索对直接顶岩梁的均布载荷q1为0.12 MPa，因此得到原支护方案锚固梁承受的最大拉应力为2.58 MPa。根据试验可知，顶板加锚岩层允许抗拉强度为3.52 MPa，而原支护方案锚固梁实际承受的最大拉应力小于回撤通道顶板加锚岩层允许抗拉强度，说明原支护方案能够有效对回撤通道围岩进行支护。因此，可以对回撤通道支护进行优化。

3 回撤通道支护方案优化研究

3.1 原支护方案数值模拟分析

运用FLAC3D模拟软件，基于某矿9105工作面地质情况建立计算模型，模型尺寸为长400 m、宽60 m、高200 m。其上边界按照煤层覆岩重力情况施加均布荷载，四周为水平移动边界，底部固定边界，以空模型模拟采空区。本构关系采用摩尔—库仑准则。煤层埋藏深度约450 m，覆岩载荷为11.25 MPa。巷道断面为矩形，断面尺寸为2.4 m×3.5 m。模拟煤岩物理力学参数见表1。

表1 各岩层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of each rock formation

回撤巷道采用原支护方案时进行模拟，得到通道围岩应力、位置变化情况如图5所示。由图5可知，回撤通道的垂直应力最大26.3 MPa，应力集中系数2.34，因工作面回采动压影响，通道顶底板出现较大区域的应力释放现象，右部应力集中主要是在距通道4 m处，其边角处也出现应力集中很容易发生通道边角失稳，因此此处应该对其补强支护；顶底板移近量约87 mm，煤壁移近量约42 mm，垂直位移主要发生在巷道左上角，无明显底鼓现象。该方案下回撤通道围岩在合理变形范围内，顶板能够有效得到控制，可以满足工程需要。

结合前文对回撤通道围岩力学分析和数值模拟结果，回撤通道原支护方案可以满足工作面安全回撤要求，但锚杆(索)间排距较小，造成材料消耗量和工程量偏高，支护成本较高，延长工作面搬家时间，引起工作面接替紧张，也不符合工作面回撤快速、安全回撤的要求。因此，研究合理的巷道支护参数，力求在达到支护要求的同时、节约成本，使工作面快速完成。

3.2 优化后支护方案及数值模拟分析

根据回撤通道围岩受力分析情况，结合原支护方案模拟结果，根据工程类比、理论计算等方式，提出9105工作面回撤通道支护优化思路，即在顶板和煤壁帮采用高强预应力锚杆网梁综合支护，使用加长或全长的锚固形式以保障煤体的锚固效果，并增加锚杆间排距；铺设菱形金属网体保障回撤通道的整体稳定性，顶角锚杆倾斜安装，形成结构效应；基于高强锚杆支护体系，扩大顶板锚索的间距，同时让锚杆、锚索起到协同的作用，保证围岩的稳定性。结合某煤矿9105工作面开采条件，提出2种回撤通道支护优化方案。

图5 回撤通道原支护方案模拟效果Fig.5 The simulation effect diagram of the original support plan of the withdrawal channel

优化方案：顶锚杆加长、间排距适当增加，顶锚索加长；煤壁侧3排锚杆且加长、间排距适当增加。回采通道的具体支护参数为：顶锚杆为φ20 mm×2 400 mm、HRB335型高强度螺纹钢锚杆，间距为0.8 m，排距为1.2 m；顶板靠近煤壁侧的锚杆距煤壁侧0.2 m，并向煤壁侧倾斜角度达到15°；顶锚索则采用φ18.9 mm×8 300 mm高强预应力锚索线，顶锚索沿回撤巷道中心布置，设置1排锚索，排距为2.4 m；煤壁侧锚杆使用φ20 mm×2 000 mm、HRB335高强度螺纹钢锚杆，间排距均为1.2 m；煤壁帮最上方锚杆距离顶板0.5 m，且向上倾斜角度为15°；煤壁帮最下方一排锚杆距离底板0.6 m，且向下倾斜角度15°。锚杆(索)锚固、铺网情况均与原方案一致，如图6所示。

回撤巷道支护优化方案时垂直应力云图、垂直位移云图、水平位移云图如图7所示。与原方案相比锚杆锚索间排距进一步增加，根据模拟结果可知，垂直应力最大值为15.4 MPa，应力分布基本未发生较大变化；顶底板移近量约107 mm，两帮移近量约58 mm。尽管该方案下的巷道围岩变形相对较大，但仍然能够满足工作面安全回撤的支护要求，成本进一步降低。

图6 回撤通道优化支护方式示意Fig.6 Schematic diagram of optimized supporting method for retracement channel

4 现场应用及效果分析

4.1 回撤通道施工工艺

工作面回采至终采线附近后，利用采煤机从机头至机尾割出回撤通道，每割10 m停止割煤并进行施工锚杆(索)，如若遇到顶板条件较差地段，应适当减小割煤距离；然后随采煤机继续割煤，将液压支架导向杆上的连接环取下，再用单体液压支柱从机头向机尾顶移输送机；反复操作此过程，待施工第5排锚杆时，施工顶锚索和煤壁帮锚杆；最后对机头和机尾进行扩修。

图7 回撤通道支护优化方案模拟效果Fig.7 The simulation effect diagram of the support optimization plan of the withdrawal channel

锚杆施工时一定要达到预紧力要求，需要打设锚索时应及时施工；施工最后1排顶锚杆及煤壁侧锚杆的同时，定要确保采煤机的割煤深度达到0.8 m，若达不到则需采取措施保证达到要求。扩帮结束后需对其封帮，采用双层金属网联合帮锚杆进行支护，金属网相互搭接长度要大于0.2 m，网与网连接扣要均匀。

4.2 支护方案对比分析

根据回撤通道原支护方案、优化后支护方案数值模拟分析可知，各支护情况下的回采通道均可以满足安全要求，因此从材料消耗、施工量及成本等方面分析。不同支护方案成本对比见表2。

表2 支护方案成本对比Tab.2 Cost comparison table of support schemes

根据方案对比分析可知，优化后的支护方案在保证支护强度的前提下支护材料用量减少，仅锚杆(索)成本降低了近45.7%；施工进度加快，回撤时间缩短。因此，优化后的方案在满足安全生产的前提下能够确保回撤通道支护强度，具有明显的经济优势。

4.3 支护效果分析

为了验证9105工作面回撤通道支护方案是否满足安全生产要求，在回撤通道内每隔60 m布置巷道变形、顶板锚索受力及顶板离层监测等5个测点，以便掌握回撤通道的变形情况，通道围岩变形观测结果如图8所示。

根据观测数据分析可知，顶板锚索受力最大载荷为234 kN，平均221 kN，说明顶帮锚索能够起到强初撑、高工作阻力、急增阻的效果，尽可能保证围岩强度满足要求。顶板离层量基本为11～16 mm，平均13 mm，说明顶板未发生明显离层且比较稳定。工作面在搬家期间，回撤通道顶底板移近量最大113 mm，平均98.2 mm，变形速率4.46 mm/d；煤壁帮移近量最大62 mm，平均54 mm，变形速率2.45 mm/d；回撤通道变形量较小，通道相对比较稳定，优化后的组合支护方案达到回撤通道围岩的加固、强化效果，对围岩变形起到抑制作用，为工作面的安全回撤提供了安全保障。

图8 回撤通道变形曲线Fig.8 Deformation curve of retracement channel

5 结论

(1)通过理论分析回撤通道围岩受力分析，构建回撤通道围岩结构力学模型，结合现场实际情况，经计算分析可知，回撤通道围岩允许抗拉强度大于原支护方式下的回撤通道围岩实际承受的最大拉应力，原支护方式是可以对回撤通道围岩进行有效支护的。因此，对原支护方案进行优化，以便提高工作效率。

(2)回撤通道支护方案优化后，支护间排距扩大后，通过数值模拟分析可知，回撤通道边角位置的垂直应力集中，应对回撤通道的边角处进行加强支护；从巷道位移变形情况及塑性区区域可知，通道变形不明显，说明支护方式下的巷道变形较小，应力值不大，顶底板及两帮位移较小，无明显底鼓现象。

(3)现场应用效果可知，9105工作面回撤通道顶底板移近量98.2 mm，煤壁帮移近量54 mm，回撤通道变形均变形较小且相对稳定，优化后组合支护方案对围岩起到支撑作用，有效抑制了围岩变形。上述方案在满足支护要求的基础上，增大了锚杆、锚索的间排距，降低了经济成本。

参考文献(References)：

[1] 王国举，赵伏军，唐辉雄.综采工作面回撤通道顶板结构及支护技术[J].矿业工程研究，2013，28(3)：15-19.

Wang Guoju，Zhao Fujun，Tang Huixiong.Roof structure and support technology of fully-mechanized coal face quick-return channel[J].Mineral Engineering Research，2013，28(3)：15-19.

[2] 李化敏，蒋东杰，李东印.特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征[J].煤炭学报，2014，39(10)：1956-1960.

Li Huamin，Jiang Dongjie，Li Dongyin.Analysis of ground pressure and roof movement in fully-mechanized top coal caving with large mining height in ultra-thick seam[J].Journal of China Coal Society，2014，39(10)：1956-1960.

[3] 程磊，张标.偃龙矿区三软煤层综放面回撤通道支护方式优化[J].能源与环保，2018，40(5)：204-207.

Cheng Lei，Zhang Biao.Supporting optimization of fully-mechanized caving face retreating channel in Three Soft coal seam of Yanlong Coalfield[J].China Energy and Environmental Protection，2018，40(5)：204-207.

[4] 王庆牛，杨张杰，朱祥斌.综采工作面预掘回撤通道支护技术研究[J].能源与环保，2018，40(7)：189-193，198.

Wang Qingniu，Yang Zhangjie，Zhu Xiangbin.Study on supporting technology for withdrawal passageway on fully-mechanized working face[J].China Energy and Environmental Protection，2018，40(7)：189-193，198.

[5] 龚勋，赵秋阳.自采通道式与预掘多通道式回撤工艺比较分析[J].能源与环保，2019，41(8)：150-153，157.

Gong Xun，Zhao Qiuyang.Comparative analysis of self-mining channel and pre-excavation multi-channel retracement process[J].China Energy and Environmental Protection，2019，41(8)：150-153，157.

[6] 刘宏.综采背拉双工作面回撤方案技术分析[J].能源与环保，2020，42(4)：154-157.

Liu Hong.Technical analysis of withdrawal scheme of fully-mechanized back-pulling double working face[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(4)：154-157.

[7] 张炜，张东升，王旭锋，等.大采高工作面大断面回撤通道联合支护效果模拟分析[J].煤炭工程，2009(3)：64-66.

Zhang Wei，Zhang Dongsheng，Wang Xufeng，et al.Simulation analysis on results of combined support applied to large cross-section withdrawal roadway in large mining height coal face[J].Coal Engineering，2009(3)：64-66.

[8] 杨娟.大采高综采工作面末采阶段来压规律与顶板控制技术[J].煤炭工程，2015，47(10)：54-57.

Yang Juan.Mine pressure behavior law and roof control technology in end-mining of fully-mechanized high cutting mining face[J].Coal Engineering，2015，47(10)：54-57.

[9] 马立强，张东升，孙广京，等.厚冲积层下大采高综放工作面顶板控制机理与实践[J].煤炭学报，2013，38(2)：199-203.

Ma Liqiang，Zhang Dongsheng，Sun Guangjing，et al.Thick alluvium full-mechanized caving mining with large mining height face roof control mechanism and practice[J].Journal of China Coal Society，2013，38(2)：199-203.

[10] 闫少宏.特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究[J].煤炭学报，2009，34(5)：590-593.

Yan Shaohong.Theory study on the load on support of long wall with top coal caving with great mining height in extra thick coal seam[J].Journal of China Coal Society，2009，34(5)：590-593.

[11] 吕坤，赵志超，赵志强.特厚煤层综放工作面回撤通道支护技术研究[J].煤炭科学技术，2018，46(3)：39-43.

Lü Kun，Zhao Zhichao，Zhao Zhiqiang.Study on support technology of equipment removal channel in fully-mechanized top coal caving face in ultra-thick seam[J].Coal Science and Technology，2018，46(3)：39-43.

[12] 李兴华，原登亮，薛瑞瑞.综采工作面回撤巷道支护技术优化研究与应用[J].煤炭工程，2016，48(3)：46-48，51.

Li Xinghua，Yuan Dengliang，Xue Ruirui.Optimization and application of support technology for retracement roadway in fully-mechanized working face[J].Coal Engineering，2016，48(3)：46-48，51.

[13] 杨尚，宁建国，商和福，等.浅埋煤层综采工作面回撤通道顶板支护技术研究[J].煤炭工程，2019，51(11)：69-73.

Yang Shang，Ning Jianguo，Shang Hefu，et al.Study on roof support technology for retracing channel of fully-mechanized mining face in shallow seam[J].Coal Engineering，2019，51(11)：69-73.

[14] 杨仁树，李永亮，朱晔，等.特殊条件下大采高工作面回撤通道稳定性控制研究[J].煤炭科学技术，2017，45(1)：10-15.

Yang Renshu，Li Yongliang，Zhu Ye，et al.Study on stability control of equipment removal channel for high cutting mining face under special condition[J].Coal Science and Technology，2017，45(1)：10-15.

[15] 吕华文.预掘回撤通道稳定性机理分析及应用[J].煤炭学报，2014，39(S1)：41-43.

Lü Huawen.The mechanism of stability of pre-driven rooms and the practical techniques[J].Journal of China Coal Society，2014，39(S1)：41-43.

[16] 张金虎.破碎顶板回撤通道围岩运动规律和支护适应性研究[J].煤炭科学技术，2015，43(12)：28-31.

Zhang Jinhu.Study on movement law of surrounding rock and support adaptability of the broken roof in return channel[J].Coal Science and Technology，2015，43(12)：28-31.

[17] 刘爱卿，兰晓江，张利春，等.特厚煤层预掘回撤通道稳定性分析[J].煤矿安全，2016，47(10)：205-208.

Liu Aiqing，Lan Xiaojiang，Zhang Lichun，et al.Stability analysis of pre-driving retracement gateway in extra-thick coal seam[J].Safety in Coal Mines，2016，47(10)：205-208.

[18] 马震，杨月飞.综采工作面液压支架作为掩护支架回撤技术研究[J].煤炭工程，2013(4)：38-40.

Ma Zhen，Yang Yuefei.Study on rapid equipment withdraw technology with hydraulic powered support of fully-mechanized coal mining face as shield support[J].Coal Engineering，2013(4)：38-40.

[19] 张龙生，张勇.重型综放工作面支架安全快速回撤技术研究与应用[J].煤炭工程，2010(3)：41-43.

Zhang Longsheng，Zhang Yong.Research and application of support safe and quick retreat technology in heavy fully-mechanized caving face[J].Coal Engineering，2010(3)：41-43.

[20] 蔡美峰.深部开采围岩稳定性与岩层控制关键理论和技术[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2(3)：033037.

Cai Meifeng.Key theories and technonogies for surrounding rock stability and ground control in deep mining[J].Journal of Mining and Strata Control Engineering，2020，2(3)：033037.

[21] 韩龙.综采工作面末采及回撤矿压显现规律与顶板控制技术[J].煤矿安全，2017，48(S1)：24-28.

Han Long.Strata behaviors laws of end-mining and withdrawing of fully-mechanized coal mining face and roof control technology[J].Safety in Coal Mines，2017，48(S1)：24-28.

[22] 康红普，徐刚，王彪谋，等．我国煤炭开采与岩层控制技术发展 40a 及展望[J]．采矿与岩层控制工程学报，2019，1(1)：013501．

Kang Hongpu，Xu Gang，Wang Biaomou，et al.Forty years development and prospects of underground coal mining and strata control technologies in China[J].Journal of Mining and Strata Control Engineering，2019，1(1)：013501.