马脊梁8216 综放工作面停采优化设计研究

高 宇，张 倩

（晋能控股集团有限公司，山西 大同 037000）

0 引 言

复杂条件下，综放工作面末采上覆岩层破断前的大面积板状悬顶状态、边界条件、板结构断裂活化规律等与综放工作面的正常放煤阶段上覆岩层断裂运动失稳特征紧密联系，但又具有其自身的特点和规律；末采停放距离与停采煤柱宽度过大，虽然末采安全程度和大巷稳定性相对较高，但是造成煤炭资源的大量浪费。若末采停放距离过小，回撤通道上方顶煤裂隙极度发育、支架后上方顶煤滑移垮落，势必导致回撤空间顶煤的稳定性大大降低且难以安全控制，十分不利于工作面支架顺利回撤；若工作面停采煤柱过小，煤柱处于采场超前支承压力的高应力区且与巷道围岩支承压力叠加，双支承压力叠加导致盘区大巷围岩显著增载，当叠加应力超过了大巷支护结构体的最大承载能力，盘区大巷塑性区大范围扩张，大巷出现顶板显著下沉和底板严重鼓起等矿压显现，严重影响矿井安全顺利生产。在多煤层开采条件下覆岩大范围内的岩层必定出现联动恶化，尤其在厚煤层综放开采条件下对本工作面末采围岩稳定和停放距离和停采煤柱宽度产生异常影响。由此可见，复杂条件下综放面停采大断面围岩稳定及末采停放距离和停采煤柱宽度优化研究，对于提高煤炭资源回收率、促进末采安全且有效维护大巷稳定具有重要科学意义。

1 停采空间结构及分区特征

停采大断面回撤通道及覆岩结构区别于传统的开拓巷道、准备巷道及回采巷道及相应的覆岩结构，所以需要分析停采大断面的空间结构特征及支护原理，为停采支护参数优化提供依据。马脊梁矿综放工作面停采时通常采用自掘回撤通道，包括回撤通道区和支架支承区两大部分，如图1 所示，断面宽度约为10 m。综放面停采空间的支护包括回撤通道和支架区的顶板支护。根据停采空间围岩状况和撤架工艺，设计综放面停采空间支护分区包括：回撤通道区顶板需要相对强支护，因为该区域是支架回撤的关键通道区，所以需要确保在支架回撤之前及回撤期间是稳定的；液压支架区顶板相对弱支护，因为支架回撤之后，支架区域的顶板不能大面积悬顶，所以需要随采随垮，但依然需要一定的承载能力，否则垮落的顶板紧贴支架，易导致支架难以拉出撤离；回撤通道前方煤体采用常规的锚杆与网共同支护，一是需要护表支护，二是需要一定的支护强度，不发生较大面积片帮。从覆岩结构角度来看，停采空间处于上覆稳定的基本顶悬臂梁保护之下时为最安全状态，要满足该状态，需要在工作面刚推过断裂线后开始停支架，实际中，以工作面周期来压刚结束为停架标准，接着施工回撤通道[1-5]。

图1 综放面停采空间特征示意图

2 工程试验背景

2.1 工作面概况

8216 工作面开采石炭系3 号煤层，设计走向长度2 517 m，倾向长度180 m。煤层倾角2°，煤层最大厚度6.23 m，最小厚度4.37 m，平均厚度5.30 m，煤厚变异系数为11.5%，属于稳定煤层。工作面直接顶岩性为高岭岩、炭泥岩、细砂岩等，以石英为主，长石次之、节理裂隙不发育、含水性较强；基本顶为粗砂岩、砾岩、高岭岩，以石英为主，节理裂隙率低，砂体胶结致密，稳定性较好。工作面选用MG300/700WD 型采煤机，机采高度3.2 m，放煤高度2.1 m，采放比为1∶0.65。共布置ZF12000/23/35 型放顶煤液压支架115 架，ZFG10450/26/40H 型过渡支架7 架，ZTZ20900/25/45 型端头支架1 架。

2.2 工作面原停采及支护方法

1）停放距离。工作面原只停放不铺网阶段距离最小约为20 m，铺网阶段距离约15 m，共计35 m。

2）停采空间支护。如图2 所示，原停采支护方案具体将停采空间分成两部分，一是支架上方顶板支护方案，即4 排8 m 顶板锚索+1 排墩锚索+双层金属网+工字钢梁。二是回撤通道的顶板支护方案，即4 排8m 顶板锚索+墩锚索+双层金属网+工字钢梁，相同点是锚索的长度均为8 m，不同点是回撤通道的顶板追加了墩锚索（1 组3 根锚索，间距6 m）进行加强支护。

图2 工作面回撤通道原支护图

3）煤柱帮支护。实体煤帮为锚杆+金属网支护，采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为φ20 mm×2 400 mm。

4）停采时间。末采阶段，从铺网到最终形成回撤通道所用时间约为24 d。

3 推引锚固—内嵌锚托增效型不对称支护技术

3.1 推引锚固控制技术

整体推引锚固，内置锚固剂推引装置、底部固定槽，可实现锚固剂与锚索的整体互联推送，将推与引结合，刚度大易安装，从而实现高效锚固。传统的无约束推送锚固方式，存在多次安装、安装时易堵塞钻孔、安装工序繁琐、支护时间长、工人劳动强度大等制约特大断面停采空间支护技术发展的关键难题，而推引锚固装置有利于锚索锚固位置到达孔底，使锚索有效长度增长，较之无约束推送锚固，推引锚固装置在很大程度上提高了支护效果，推引锚固技术的引入，能够成功解决大断面停采空间存在的上述难题。推引锚固技术与传统锚固技术的效果对比分析如图3 所示。

图3 整体推引锚固与传统锚固对比

3.2 顶板内嵌锚拖增效型锚固技术

停采空间的支架支撑区支护体锚具，一般是外露形式，会造成支架带压移架时受其影响。外露锚具作为障碍物使得支架移动受阻；同时，支架的带压移动经常损坏锚具托盘，使支护体的支护力锐减，甚至导致区域支护系统失效，造成带压移架时支护体完全失效而发生顶板突然下沉，压死支架从而造成支架无法移出，造成撤架顶板危险，影响撤架速度。

如图4 所示，为了克服锚具外露的诸多弊端，研发了停采大断面支架支撑区顶板锚拖（锚具和托盘）内嵌增效型锚固新方法，采用推引锚固技术安装锚固剂与锚索，顶煤采用扩孔钻头形成内嵌槽，槽深度以锚索的锚具和托盘能内嵌到槽内不影响移架和损坏锚具为准。因此，内嵌锚托型锚固方法使得锚具与托盘内嵌顶板煤体内，有效解决了外露锚固体阻碍带压移架及支架反复支撑移架连锁损坏锚固体而导致移架受阻与支护系统失效难题。

图4 内嵌锚托对比锚具外露的优越性

3.3 支护预应力场确定合理支护强度

为确定推引锚固—内嵌锚托增效型不对称合理支护参数，通过FLAC3D数值模拟软件1∶1 模拟停采大断面空间支护体是否可形成整体支护结构，由此建立锚杆、锚索和各自对应的托盘模拟单元，分析常用型号锚杆索的16 种组合形式，由支护预应力场的强度和连续性确立了最佳支护方案。根据预应力场的对比即可体现出支护分区、分级和非对称的特点，结果如图5 所示。

图5 各类支护方案预应力场对比的最佳方案

回撤通道顶板锚索的预应力场控制范围大且高预应力区连通，效果优于支架区顶板的。从预应力场的整体角度看，支架区顶板、回撤通道区顶板及煤帮支护预应力场实现了基于停采大断面属性的分区与分级非对称优化控制效果。

从模拟上构建支护方案的三维应力场等势面，如图6 所示，可以看出支架顶板上方形成的三维应力场从范围和体积上弱于回撤通道区的顶板预应力场，达到了顶板的分级非对称支护的目的。同时，回撤通道侧帮煤壁处的三维应力场在浅部围岩密集且强度较大，对煤壁的浅表支护强而有效。综合停采空间支护二维应力切片和支护体的三维预应力场效果，优化的分区与分级非对称支护方案达到了所需求的支护效果。

图6 综放面停采空间分区分级的非对称支护预应力场

4 停采空间支护参数优化

1）停止放煤时期将20 m 不铺网停放距离优化为5 m。

2）回撤通道形成期间的支护方案如图7 所示，停采空间推引锚固—内嵌锚托增效型不对称支护为支架顶板、回撤通道顶板和通道煤壁侧的分区支护，在所用支护物长度及级别上进行划分。具体参数：①支架顶板：采用3 排锚索支护，参数为φ17.8 mm×4 500 mm，间排距为1 500 mm×1 800 mm，采用推引锚固技术安装锚固剂与锚索，顶煤采用扩孔钻头形成内嵌槽，槽深度以锚索的锚具和托盘能内嵌到槽内不影响移架和不损坏锚具为准，并辅以钢筋梯子梁（4 200 mm×16 mm）连接；②回撤通道顶板：采用三排锚索支护，其参数为φ17.8mm×6 300 mm，间排距为1 500 mm×1 200 mm，采用推引锚固技术安装锚固剂与锚索，采用W 型钢带(4200 mm×280 mm×4 mm)和托盘（250 mm×250 mm×16 mm）；③回撤通道煤帮：采用3 排锚杆，参数为φ18 mm×1 700 mm，间排距1 500 mm×1 000 mm，采用W 型钢带（400 mm×220 mm×3 mm）和托盘（150 mm×150 mm×10 mm）；④停采空间护表整体性：设计采用整体的聚氨酯网支护整个停采空间，包括从支架后方拖入底板大于1 m 到整个支架顶板和回撤通道顶板，再到回撤通道侧帮煤壁，形成护表整体网。

图7 停采空间推引锚固—内嵌锚托增效型不对称支护参数

3）撤架期需对撤架作业的区域进行掩护作业，根据实际的回撤通道宽度，设计采用2 台端头的支架进行跟随掩护，保障作业人员在这2 台支架掩护下作业，最大程度上保障作业区顶板的稳固。

4）为防止支架撤离后，顶板发生突然的垮落，设计横错搭接木垛进行缓冲支护，减小下落顶板的位移量，从而减缓整体顶板对即将撤离支架的压力，保障支架实现依次顺序撤架。

5 方案实施效果

推引锚固—内嵌锚托增效型不对称支护技术实施后，对8216 工作面停采工艺各个环节进行了全方位的优化：①停止放煤时期将20 m 不铺网停放距离优化为5 m，多回收了15 m 的顶煤；②采用整体聚氨酯网替换金属网，实现全空间仅需一次挂网、高质高效；③支架支撑区支护采用推引锚固技术，实现高质增效；同时配置内嵌锚托解决移架受阻、锚具损坏、支护力锐减支护失效难题，实现锚索长度由8 m优化为4.5 m，并减少1 排锚索的打设；④回撤通道顶板支护同样采用推引锚固技术，实现高质增效，锚索长度由8 m 优化为6.5 m，减少1 排锚索的打设并取消墩锚索；⑤回撤通道煤帮支护采用与顶板同张聚氨酯网，形成整体顶帮护表支护；⑥整个停采空间推引锚固- 内嵌锚托增效型不对称支护方案实现减少740 根8 m 锚索使用，等于减少近6 000 m 钻孔量；⑦最终停采仅用了10 d，停采时间减少了14 d。

6 结 论

推引锚固—内嵌锚托增效型不对称支护技术在燕子山煤矿C3 号层8216 综放工作面停采期间进行了工程应用，在保障安全生产的前提下，优化了停采及支护方案，取得了显著的综合经济效益，单个工作面可节约材料费及施工费28.3 万元，工作面停采阶段减少14 d，由此多回收的煤炭资源超过10 万t，效益超6 000 万元。