“刀把式”综放面支架快速拆除技术

白 刚，王治文，李瑞林，白 俊

(1.山西铺龙湾煤业有限公司， 山西 大同 037000；2.山西煤炭进出口集团 左云韩家洼煤业有限公司， 山西 大同 037000；3.辽宁工程技术大学， 辽宁 阜新 123000)

近年来，随着煤炭需求总量的不断增加，地质赋存条件好的优质煤炭越来越少，煤炭开采逐渐进入攻坚阶段，“刀把式”采场顺势而生。相较于倾向长度保持不变的正规采场，“刀把式”采场在变面处具有应力分布过度集中的特点，严重威胁着矿井的安全生产。因此，加强对“刀把式”采场变面处应力分布状态的研究，具有非常重要的意义[1].

1 矿井概况

韩家洼矿22401综放工作面为西盘区首采面，煤层总厚9.2～14.8 m，平均厚度11.6 m. 煤层倾角4°～11°，平均倾角6°，为近水平煤层。工作面地面标高1 550～1 580 m，井下标高1 263～1 290 m，煤层埋深约200 m. 工作面走向长度833 m，回采至中部时，工作面倾向长度由170 m突然缩至120 m，其中倾向长度为170 m的大面长528 m，倾向长度为120 m的小面长305 m.工作面采用单一走向长臂后退式低位放顶煤采煤法，其中采煤高度3 m，放煤高度8.6 m，采放比为1∶2.87，推进方向由西向东沿煤层底板，全部垮落法管理采空区。工作面布置示意图见图1.

图1 工作面布置示意图

2 数值模拟

2.1 模型建立

运用FLAC3D数值模拟软件，结合22401综放工作面顶底板岩层柱状图及相对应的煤岩体物理力学参数建立模型，模型岩层分布直观图见图2，模型尺寸设计为800 m×400 m×100 m，共划分297 882个单元，303 211节点，模型的网格与节点划分非常多，故能非常准确地反映出工作面的应力分布情况[2]. 模型四周设置为位移约束边界，在水平与竖直方向上均固定其位移；模型的顶部和底部定义为自由边界，其水平与竖直方向的位移均不进行约束，模型顶部施加5 MPa的均布荷载来代替模型以上的岩层重量[3].

图2 模型岩层分布直观图

2.2 参数设计及破坏准则

该次模拟运用Null模型模拟巷道及工作面的回采活动，选择FLAC3D自带的Mohr-Coulomb本构模型模拟煤岩体变形破坏情况，其力学表达式为：

式中，σ3为最小主应力，MPa；σ1为最大主应力，MPa；c为黏聚力，MPa；φ为内摩擦角，(°). 煤岩体物理力学参数见表1.

2.3 模拟结果分析

随着工作面的回采，煤岩体的初始应力状态遭到破坏，次生应力不断调整并重新分布，进而形成次生应力场[4-5]. 工作面回采至“刀把”前后10 m处的支承压力与水平应力分布情况见图3. 在“刀把”割通前10 m处，最大支承压力为13.4 MPa，主要分布在回采巷道两侧，其中回风顺槽上部岩体中的支承压力略大于运输顺槽上部岩体中的支承压力；最大水平应力为13.6 MPa，主要分布在直接顶中，沿顶板方向垂直向上应力逐渐减小。在“刀把”割通后10 m处，最大支承压力为14 MPa，回风顺槽比运输顺槽应力分布更加集中；最大水平应力为16.4 MPa，应力分布不对称，回风顺槽侧顶板的应力比运输顺槽侧顶板应力分布更加集中。

表1 煤岩体物理力学参数表

图3 “刀把”割通前后10 m处顶板应力分布云图

综上分析，在“刀把”处割通前后，支承压力和水平应力分布过度集中，回采过程中要密切监测顶板活动情况，采取必要的措施加强对顶板的支护，从而保证工作面的安全贯通和支架等设备的安全回撤。

3 支架回撤现场工艺流程

22401缩面回撤设备为34架ZF7500/18/35液压支架，1架ZQL2*4000/23/50超前支架，50 m SGZ764/630前刮板送输机1部，50 mSGZ830/800后刮板运输机1部。

设备回撤顺序为：回风顺槽超前支护液压支架→前刮板输送机→后刮板输送机→80#—113#中间架。提前将超前支架ZQL2*4000/23/50拆解并由WC30E型铲板车运输到盘区运输巷尾部存放，待设备回撤完毕后安装。使用JH-30型回柱绞车将前后刮板输送机溜槽拉到指定位置后，由WC30E型铲板车运输到22#层井底车场，换装到平板车，再由副井主绞车(JK-3.5/2.5)提升到地面后码放到指定地点。前后刮板输送机机尾及电机减速机等待中间槽回撤后，再安装，保证前后刮板机正常使用。使用JH-30型回柱绞车将80#—83#架依次拆出，再将机尾114#—117#过渡架安装到原80#—83#架的位置。112#、113#架作为回撤支架期间的掩护架最后撤出。回撤支架使用JH-30型回柱绞车拉出到回撤通道后，再使用WC40Y(B)型支架搬运车运输到22#层井底车场，换装到平板车后，再由副井主绞车(JK-3.5/2.5)提升到地面码放到指定地点。工作面需要回撤的设备全部回撤完毕后，安装回风顺槽超前支架，调试前后刮板输送机，正常运行后开始回采。

4 回撤期间顶板管理

依据顶板应力在“刀把”贯通前后的应力分布状态，确定了锚网索联合的顶板支护方案。具体措施为：距离“刀把”处12 m时停止放煤；10 m开始铺网，打固定锚杆；7 m时，开始挂第一道钢丝绳。末采共计使用d25 mm钢丝绳3根，挂顶网10 m，其中单层网为2 m，双层网8 m. 为了保证工作面81#—84#支架处回撤支架期间顶板不冒落，在巷道原支护的情况下，使用长4.5 m的11#矿用工字钢在铺网3 m后增加3排锚索梁，锚索距梁端0.75 m，锚索间距1.5 m，排距1 m，锚索为d17.8 mm×11 800 mm的钢绞线。锚索预紧力不小于150 kN、锚固力不小于200 kN，锚索间排距误差不超过±100 mm.调整工作面80#架至机尾50 m推进速度，保证工作面要撤架的50 m推进度一致。工作面80#机尾50 m与刀把处割通后，顶网必须与刀把处回风顺槽顶网连接牢固，刀把处回风顺槽作为回撤通道回撤设备。

5 结 论

1) 工作面贯通前后应力分布过度集中，当工作面割通前10 m处，最大支承压力为14.4 MPa，最大水平应力为13.6 MPa；当工作面割通后10 m处，最大支承压力为14 MPa，最大水平应力为16.4 MPa，工作面贯通前后应力分布过度集中。

2) 根据数值模拟得到的回撤期间顶板应力状态，确定了回撤期间采用锚网索联合的顶板支护方式。回撤期间共计使用d25 mm钢丝绳3根，挂顶网10 m，其中单层网为2 m，双层网8 m.使用长4.5 m的11#矿用工字钢在铺网3 m后增加3排锚索梁，锚索距梁端0.75 m，锚索间距1.5 m，排距1 m，锚索为d17.8 mm×11 800 mm的钢绞线。

3) 从末采到回撤结束，共计用时16天，回撤设备用时8天，缩短了回撤工期。