特大采高综采面回撤阶段调节巷异常片帮机理研究*

  徐敬民  叶坤强  沙猛猛  杨伟名

  （中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116）

  摘  要  针对特大采高综采面回撤阶段调节巷发生异常片帮问题，以大柳塔煤矿52304工作面为研究条件，采用现场实测、数值模拟和理论分析对工作面发生异常片帮的原因进行研究。结果表明：由于超前支承压力的不断转移，当工作面进入调节巷时，回撤通道侧的应力集中系数大于工作面侧，导致调节巷出现回撤通道侧片帮程度大于工作面侧片帮的异常现象。通过采用预先加强支护危险位置，如增加锚杆和锚索的支护数量和对煤体进行注浆加固等措施可有效控制调节巷片帮的发生，保证工作面的安全回撤。

    关键词  大采高工作面  回撤通道  支承压力  调节巷  围岩控制

    中图分类号  TD353    

    神东矿区矿井基本都具备采高大、机械化程高、推进速度快、一井一面或两面等特点。从20世纪初工作面采用辅巷多通道综采面搬家技术试验成功以来，为增加开机率，缩短工作面搬家时间，神东矿区综采面均采用了此项技术，即在工作面停采线附近预先掘出平行于工作面布置方向的主回撤通道和辅回撤通道，通道间布置若干联巷，设备搬运车可同步进行搬运作业，大大加快了工作面的搬家速度。为确保在回撤阶段工作面底板与回撤通道底板准确贯通，还会由主回撤通道向工作面预先掘出若干条平行于回采巷道的探巷，称为调节巷，调节巷为工作面的安全快速回撤发挥了巨大的作用。

    调节巷的长度一般为15～20 m，当工作面推进至调节巷时，有时会造成调节巷发生大范围片帮。依照经验来看，在调节巷靠近工作面侧由于覆岩的运动、采煤机的扰动和支护强度较于回撤通道处弱等因素，其片帮程度应大于靠近回撤通道处，但多个工作面的开采实践表明调节巷靠近回撤通道侧片帮程度比靠近工作面侧更为严重。目前对于综采工作面回撤阶段的研究主要侧重于回撤通道和工作面煤壁的片帮变形以及矿压规律的总结，而对于调节巷异常片帮这一问题，目前仍没有相关的研究。调节巷连接着回撤通道和工作面，若其发生大面积片帮，则有可能导致回撤通道顶板破碎，工作面发生冒顶事故，对工作面的安全快速回撤极为不利，因此找出调节巷异常片帮的原因并有针对性的加强支护，对于工作面的顺利贯通极为重要。

    基于以上分析，本文以大柳塔煤矿52304工作面为研究对象，采用现场实测、理论分析和数值模拟，针对上述问题进行研究，研究内容可为类似工作面的安全快速回撤提供参考依据和理论指导。

1  工作面基本条件

    52304工作面是神东矿区大柳塔矿5 -2煤层三盘区的首采工作面，也是大柳塔煤矿首个采用7m大采高支架的工作面。工作面地表标高为1154.8~1269.9 m，底板标高为988. 7~1018.1 m，工作面推进长度为4547.6 m，工作面宽度为301 m。52304工作面内煤层厚度平均6. 94 m，设计采高7m，煤层结构简单，埋深142～275 m，上覆基岩厚度为110～210 m，煤层倾角10～30。煤层内发育有l～2层厚度约0.2 m的夹矸，岩性为泥岩。工作面采用一次采全高综采采煤方法，全部垮落法管理顶板。

    52304工作面采用辅巷多通道快速回撤技术，即在工作面停采线附近已经预先掘出垂直于回采巷道的主回撤通道和辅回撤通道，两回撤通道间隔20 m，主回撤通道宽6.8 m，辅回撤通道宽6 m。在联络巷与主回撤通道交叉点向工作面预掘出6条平行于回采巷道的调节巷，其宽度为4.5 m，长度为20 m。52304工作面回撤巷道布局如图1所示。

2  工作面回撤阶段调节巷片帮实测

    52304工作面主回撤通道顶部采用锚杆十锚索十双层铅丝网+W钢带支护方式，主回撤通道靠近工作面一侧，即正帮采用塑料网十玻璃钢锚杆支护方式，负帮采用锚杆（木托板）+钢带十锚索十钢筋网支护方式；辅回撤通道顶部采用锚杆十钢筋网十钢带十锚索支护方式，帮部采用钢筋网十钢带支护方式；调节巷顶部及帮部主要采用玻璃钢锚杆与锚索联合支护。

    52304工作面临近回撤阶段在调节巷及其周围发生了大范围的片帮，从工作面进入调节巷到距离主回撤通道10 m处，现场片帮现象一直很严重。在距离主回撤通道15 m处中部4条调节巷的片帮的范围和深度如图2所示，靠近主回撤通道侧附近，调节巷片帮深度最大达到了6m，靠近工作面附近为2m左右，调节巷中部片帮情况较轻。

    由图2可知，当工作面进入调节巷时，调节巷巷帮、尤其是调节巷两端发生了较为严重的片帮事故，最大片帮长度达到10 m，部分片帮深度超过了5 m，并且发现靠近主回撤通道侧片帮程度更为严重。这样破碎的巷道不仅对工作面和主回撤通道顶板的管理极为不利，而且显著异常的片帮问题也给现场补强支护带来困惑，因此找出上述问题发生的根源，对指导现场安全开采意义重大。

3异常片帮机理研究

3.1  调节巷附近煤体垂直应力变化规律

    煤体发生片帮的原因与其受力和承载能力变化规律有直接关系，故采用FLAC3D对工作面回撤阶段调节巷围岩垂直应力的变化规律进行模拟。模型的煤层厚度为7m，调节巷的长度为20 m，宽度为4.5 m，高为5m，与现场保持一致。由于重点研究调节巷围岩的应力，故只按照覆岩赋存情况铺设100 m的岩层，剩下约150 m的岩层重量以均布载荷的形式在模型顶界面进行加压，根据覆岩平均容重，确定施加压力3. 75 M Pa。模型中岩层赋存特征与岩石力学参数如表1所示。模型底板和两侧限制移动，材料模型本构关系为弹塑性，强度服从莫尔一库仑( Mohr-Coulomb)强度准则。

    由于重点研究工作面进入调节巷时围岩应力值的变化规律，因此将调节巷以外的煤层一次性开挖完毕，待平衡后以5m为步距，开挖工作面进入调节巷的20 m煤层，研究随着工作面的推进调节巷围岩应力的变化规律。其中重点分析工作面距离回撤通道20 m、15 m和10 m的垂直应力分布，并以此研究垂直应力随工作面推进的演变规律，进而分析调节巷异常片帮的根源。

    根据数值模拟结果可知：当工作面推进至距离回撤通道20 m处，调节巷围岩出现了显著的应力集中现象，尤其是在回撤通道附近，应力集中系数大于工作面附近（前者2.9，后者2.2），正是因为煤体所受垂直应力值的不同，而导致调节巷两端片帮程度的不同，模拟结果合理解释了调节巷的异常片帮现象；当工作面距离回撤通道15 m时，调节巷两端应力集中系数相差不大，但由于前期靠近回撤通道侧煤体已经经受较大的垂直应力，因此此时调节巷靠近回撤通道侧围岩依然是破坏严重区域；当工作面推进至距离回撤通道10 m时调节巷两端应力集中区在距离回撤通道5m处合二为一，应力集中系数也达到最大（为3.5），表明此时调节巷围岩所受垂直应力达到最大值，因此当工作面推进到这个位置时，应重点监测煤体的变形，防止调节巷出现大范围的片帮。

3.2  调节巷异常片帮的理论分析

    由于52304工作面回撤通道是预先掘出的，因此主回撤通道和调节巷覆岩压力转移至旁边煤体，工作面在推进至调节巷之前，煤体能保持较好的稳定。但当工作面推进至调节巷，超前支承压力也会逐渐转移至回撤通道和调节巷附近煤体，这将会加大煤体的垂直应力。根据岩体的极限平衡理论计算，并结合神东矿区现场实测数据可知，支承压力的峰值与工作面之间的距离为12～15 m，因此随着工作面的不断推进，超前支承压力峰值位置也将从调节巷靠近工作面一端转移至靠近回撤通道一端，由于主回撤通道采用多个垛式支架支撑顶板，支护强度较大，因此对于顶板来说，可视回撤通道为实体煤支护。如图3所示，设超前支承压力距离工作面为L，工作面距离主回撤通道的距离为S，则超前支承压力峰值距主回撤通道的位置X可表示为：

    由图3并根据式(1)可知，当工作面推进至距离主回撤通道32~35 m时（图3中位置1），超前支承压力峰值开始转移至调节巷附近煤体，但此时工作面距离主回撤通道较远，煤体的承载能力较大，调节巷端部煤体基本仍为三向受力状体，此时超前支承压力一般不会对煤体的稳定造成很大的影响；当工作面推进至距离主回撤通道15 m时（图3中位置2），超前支承压力峰值由工作面侧转移至主回撤通道侧，此时工作面与回撤通道间煤体的宽度仅为15 m，且支承压力峰值位置恰好落在主回撤通道侧煤体边缘，调节巷和主回撤通道交叉处煤体可视为二向甚至单向受力状态，当应力过大时便会导致煤体出现塑性破坏进而引发大面积片帮。因此调节巷在工作面回撤间发生异常片帮的主要原因是由于超前支承压力的作用和峰值位置煤体受力状态的不断改变共同作用的结果。

4调节巷异常片帮的影响及防治

    调节巷是连接主回撤通道和工作面的重要通道，当调节巷围岩不稳定甚至塑性破坏时，容易引发工作面处端面漏冒甚至压架的发生，还将会影响主回撤通道顶板的稳定性，对工作面安全回撤带来巨大的不便，因此应结合调节巷发生异常片帮的原因，有针对性的对调节巷危险区域进行补强支护，避免对工作面的顺利贯通带来影响。

    由上述分析结果可知，工作面推进过程中调节巷周围煤体最为危险的位置是与主回撤通道交叉处煤体，因此需要在工作面进入调节巷前加强对该位置的支护。在煤体破坏之前，可采用增加锚杆和锚索的数量进行补强支护，但当煤体已经发生较大的塑性变形甚至破坏，则需要通过采用注射马丽散等进行加固，避免塑性区进一步恶化。

5  结论

    (1) 52304工作面回撤阶段调节巷发生了异常片帮现象，通过数值模拟并结合理论分析可知，工作面进入调节巷时，其超前支承压力峰值恰好转移至主回撤通道煤体，由于调节巷端部煤体为二向甚至单向受力状态，失去高应力承载能力从而发生塑性破坏导致片帮的发生；而靠近工作面侧调节巷附近煤体虽然也有应力集中现象，但是应力极值小且煤体承载力强，因此片帮的程度也较轻，这是调节巷发生异常片帮的主要原因。

    (2)调节巷发生大面积的片帮对工作面顶板的管理和主回撤通道的维护极为不利，因此应有选择性的针对关键位置加强支护，根据上述机理确定了应在主回撤通道与调节巷交叉处进行补强支护，当塑性区发育较大时还应采用注浆加固来避免出现大范围的片帮，确保工作面安全顺利贯通。