超长大采高综采工作面末采回撤调压关键技术研究.pdf

第52卷第8期 煤炭工程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 8 doi 10.11799/ce202008017 超长大釆高综釆工作面末釆回撤 调压关键技术研究 杨 征 1，徐 东 2，高明仕2，薛晓强、 张东昕1 1 . 陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕 西 榆 林陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕 西 榆 林 719300; 2 . 中国矿业大学矿业工程学院，煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江 苏 徐 州中国矿业大学矿业工程学院，煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江 苏 徐 州 221116 摘 要 针对超长大采高综采工作面末采阶段的矿压调控问题，采用理论分析、数值模拟和现 场试验的方法，通过研究小保当煤矿112201工作面末采贯通阶段的围岩应力分布规律以及矿压显 现特征，确定相应的矿压调节技术方案，有效调控末采阶段工作面的周期来压步距，维护了顶板岩 层穗定性，实现了工作面柔性塑料网（ 宽 15mx长 360m的顺利铺设。研究表明工作面末采期间回 撤通道的围岩应力将由回采帮向煤柱帮转移，加强回撤通道围岩支护强度，可保证回撤通道稳定 性；通过调整工作面回采速度，改变周期来压位置和减小来压持续长度，可实现工作面的顺利挂网 与贯通，对类似工作面设备的顺利回撤具有借鉴意义。 关键词超长大采高工作面；回撤通道；末采回撤；周期来压 中图分类号TD353 文献标识码A 文章编号1671-0959202008-0077-06 Key technologies of mine pressure regulation in the final mining withdrawal of high-cutting super-long fully mechanized working face YANG Zheng1 , XU Dong2, GAO Ming-shi2, XUE Xiao-qiang1, ZHANG Dong-xin1 1. Shanxi Coal Group Yubei Coal Co. , Ltd. , Yulin 719300, China； 2. State Key Laboratoiy of CoaJ Resource and Safe Mining, School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China Abstract In view of the problem of mine pressure control in the final mining stage of super long and high - cutting fully mechanized mining face, theoretical analysis, numerical simulation and field test are carried out to determine the corresponding control scheme of mine pressure by studying the distribution law of surrounding rock stress and the characteristics of mine pressure behavior in the final cutting through stage of 112201 working face in Xiaobaodang Coal Mine. So as to control the periodic weighting step of the working face in the final mining stage, maintain the stability of the roof strata, and realize the smooth laying of the flexible plastic net 15m widex360m long in the working face. The results show that during the final mining period, the stress of the surrounding rock in the withdrawal channel is transferred from the mining side to the pillar side. Strengthening the support strength of the surrounding rock around the withdrawal channel can ensure its stability. By adjusting the mining speed of working face, the position of periodic weighting can be changed and the duration of weighting can be reduced. It can achieve the smooth hanging and cutting through of the working face. Keywords large mining height and super - long working face ； withdrawal channel; final mining withdrawal ； pressure regulating； periodic weighting 综采工作面在末采阶段的围岩控制和支护措施 不合理，会使回撤通道的围岩变形量显著增大，不 仅会延长工作面设备回撤的时间，并且回撤过程中 的人员和设备安全也难以保障，严重影响矿井的安 全和高效生产[1]。为此，杨尚[2, 3]等研究了浅埋近 距离煤层工作面末采阶段等压原理，实现了高家梁 收稿日期2020-02-04收稿日期2020-02-04 基金项目国家自然科学基金项目（ 51564044基金项目国家自然科学基金项目（ 51564044 作者简介杨 征 （ 1984 ） ，男 ，陕西神木人，工程师，现从事煤炭安全管理工作，作者简介杨 征 （ 1984 ） ，男 ，陕西神木人，工程师，现从事煤炭安全管理工作，E- -raail 31887177 31887177qq. .com。。 通讯作者徐 东 （ 1992 , 男 ，河南二门峡人，博士研究生，通讯作者徐 东 （ 1992 , 男 ，河南二门峡人，博士研究生，E- -mail cumtxudong cumt. . edu. . cn。。 引用格式杨 征 ，徐 东 ，高明仕，等.超长大采高综采工作面末采回撤调压关键技术研究[引用格式杨 征 ，徐 东 ，高明仕，等.超长大采高综采工作面末采回撤调压关键技术研究[J] . 煤 炭 工程 ，2020, 52] . 煤 炭 工程 ，2020, 52 8 77-83.8 77-83. 77 煤 矿 20314工作面末采阶段的顺利回撤；王晓振[ 4 ] 等采用理论分析与现场实测的方法，对综采工作面 末采阶段让压开采的原理及适用性进行了研究；徐 杰[5]等以塔山矿8110工作面为背景，研究了大采高 综放工作面末采的合理停采位置；郑绪坤[6]通过优 化撤架通道、停采线位置、回撤通道断面形状及尺 寸 ，实现了霍尔辛赫煤业有限公司3210工作面的顺 利回撤；李东奎[7]对复合顶板条件下综采工作面末 采回撤支护、铺网、回撤通道留设等关键技术进行 研究，优化了末采支护工艺，确定了合理末采位置。 舒凑先[8]等研究了深部重型综采面快速回撤技术, 提出并实施了长距离多联巷快速回撤方案；杨仁 树[9]等以赵庄矿5310工作面回撤通道为工程背景， 研究了特殊条件下大采高工作面设备快速安全回撤; 谷拴成[KM1]等通过研究回撤通道保护煤柱应力分布 及其影响因素，对保护煤柱留设宽度进行了合理优 化 ；王博楠，黄荣宾[12’ 13]以神南矿区为背景，研究 了回撤通道围岩变形破坏机理和应力分布规律，并 提出回撤通道围岩变形控制方法；王志刚[14]在末采 期间通过对回撤通道补强支护以及采取等压及让压 措施，实现了工作面设备的快速回撤。韩龙[15]以补 连塔煤矿22303综采工作面为背景，通过预留一定 尺寸的等压煤柱进行停采让压，有效控制了工作面 贯通时的来压。 综上所述，虽然以上学者对末采回撤进行了研 究 ，但对于超长大采高综采工作面的末采回撤研究 还较少。超长大采高工作面顶板垮落高度大，工作 面倾向空顶面积大，顶板易破碎，末采回撤挂网作 业难度大。小 保 当 一 号 井 112201工 作 面 长 350m， 采高5. 8m，属于典型超长大采高综采工作面，因此 以 112201工作面为背景，采用理论分析、数值模拟 和现场试验的方法，研究了末采贯通阶段的围岩应 力分布规律，确定了工作面末采贯通期间的围岩加 固以及矿压调节技术，为类似超长大采高工作面的 回撤提供参考。 1矿井概况 小保当112201综采工作面位于2_2 煤 11盘区, 埋深为313400m，直接顶为厚度2. 673. 37m的细 粒砂岩，老 顶 为 厚 度 14.23 35. 29m的中粒砂岩， 直接底为厚度2. 05 2. 67m的砂质泥岩及粉砂岩, 老底为厚度2. 9 9. 55m的砂质泥岩。煤层倾角为 1，煤 层 厚 度 4.26.3m，平 均 煤 厚 5.8m, 容重 1.32xl〇\g/m3, 煤层由北向南逐渐变厚。工作面长 度 350m，走向推进长度4556. 6m，工作面平面布置 如 图 1 所示。 M M. ___________外回风巷 |,,i 辅助运输巷 图 1 112201工作面布置图 1 112201工作面布置 112201工作面主回撤通道全长350m, 沿煤层底 板掘进。主回撤通道断面净宽6m，净高4. 6m, 净断 面27.6〇12，掘进断面311112。顶板用7根02〇111111 2400mm左旋无纵筋螺纹钢描杆加4 根 017. 8mmx 8300mm描索联合支护，销杆间排距950mmx900mm， 销索间排距1000mmxl800mm; 回采帮米用022mmx 2400mm玻 璃 钢 锚 杆 支 护 ，描 杆 间 排 距 1000mm X 900mm; 煤柱帮采用0 2Ommx24OOmm左旋无纵筋螺 纹钢锚杆支护，锚杆间排距l〇 〇 〇mmx900mm, 112201 工作面主回撤通道断面支护方案如图2 所示。 图 2 112201工作面主回撤通道断面支护方案（图 2 112201工作面主回撤通道断面支护方案（mm 2末采阶段围岩应力分布规律 2 . 1 工作面与主回撤通道距离较远工作面与主回撤通道距离较远 当工作面距离主回撤通道较远时，回撤通道不受 工作面回采产生的超前支承压力影响，回撤通道两侧 仅受掘巷影响产生破裂区和塑性区，其分布范围较 小，工作面与主回撤通道间的围岩应力呈现马鞍型分 生产技术煤炭工程2020年 第 8 期 ■ K m 邀 N K 渥 葉 N s 箱 m回 ■ u g 软 3 ■ mmm M M 内回风巷 m 箄 回 八 主运输巷■ , , LJL 其回誠回璀3丨 lllN 78 2020年 第 8 期煤炭工程生产技术 图 4工作面与回撤通道较近时应力分布图 4工作面与回撤通道较近时应力分布 2 . 3 工作面与回撤通道贯通 随着工作面继续往前推进，工作面剩余煤体宽 度进一步减小，煤体完全处于破裂区，此时工作面 超前支承压力将会向主回撤通道左侧煤柱帮转移， 煤柱帮的应力将会超过回采帮应力，如图5 所示。 K,H 因此，在工作面主回撤通道受到采动影响前， 需对主回撤通道围岩进行锚杆索补强支护，防止回 撤通道煤体大面积片帮丧失去稳定性，影响后期设 备的顺利回撤。 3末采阶段回撤通道矿压特征模拟研究 3 . 1 数值模型 模拟分析工作面开挖临近结束时煤柱的超前支 布，如图3 所示，在其内部区域存在弹性区。此时主 回撤通道受采动影响较小，回撤通道稳定性较高。 图 3工作面距回撤通道较远时应力分布图 3工作面距回撤通道较远时应力分布 2 . 2 工作面与回撤通道距离较近 随着工作面往前推采，主回撤通道与工作面间 煤柱减小，工作面超前支承压力和主回撤通道右侧 回采帮应力叠加，工作面剩余煤柱发生塑性屈服， 煤柱弹性区消失，如 图 4 所示，同时主回撤通道左 侧煤柱帮受回采动压影响，煤柱左侧应力也将增大， 回撤通道围岩变形将增大。 承 压 力 和 顶 板 变 形 破 坏 特 征 ，数 值 计算模型宽 157m, 高 200m, 开挖区域共60m，如图6 所7K。模 拟采用UDEC软件进行，煤 层 采 用lm xlm划分网 格 ，直接顶采用2. 5mxl. 8m划分网格，老顶米用 5mx2. 8m划分网格，底 板 采 用 4mx4m划分网格， 其中关键层加大网格尺寸。煤层厚为5. 8m，煤层底 板位于模型Y 50m处，煤岩体力学参数见表1。 监测线 开挖区域 回撤通道 图 6数值计算模型图 6数值计算模型 计算米用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb屈服准则 判断岩体的破坏，模型两侧边界限定水平方向位移， 模型底部限定竖直方向位移，模型顶部施加等效于 覆岩重力的均布载荷5. 58MPa。数值模拟开挖步距 为 3m。 3. 2顶板变形和破坏分布规律 顶板竖向位移随开挖距离L的变化规律如图7 所示。由图7 中可知，开挖到15m时老顶发生断裂， 工作面开挖到30m、45m时老顶再次周期断裂，说 明老顶周期来压步距为15m。最后工作面开挖60m 结束时工作面上方老顶断裂呈悬臂梁结构，但是悬 臂梁下方约有10m长的直接顶依然相对完整，该直 接顶现场位于回撤通道与综采面液压支架上方，直 接顶完整不破碎，所以回撤空间顶板状况较好，对 工作面液压支架的回撤较为有利。然而现场来压周 期和剩余开挖距离不确定，因此，在工作面开挖剩 余 3 0 m左右时需通过调整采煤速度或采取停采等压 ■ ■IP a/-6m b/- 15 m cZ,21m dZ,30m _ _P_ HB H Hb , HI eL36m eZ,45m fL51m gL60m 图 7顶板竖向位移随开挖距离图 7顶板竖向位移随开挖距离L的变化规律的变化规律 主 回 撤 ilit S 破裂区 塑性区 破裂区 破裂区 塑性区 弹性区 79 生产技术煤炭工程2020年 第 8 期 煤柱主回撤通道 工作面回采方向 -40 -20 0 20 40 60 工作面位置工作面位置/m 图 8超前支承压力随开挖距离图 8超前支承压力随开挖距离L的变化曲线的变化曲线 4现场试验 根据末采阶段的围岩应力分布规律以及矿压显 现特征，工作面末采回撤调压关键技术主要分为回 撤通道围岩加固技术以及矿压调节两部分进行，从 而实现末采阶段工作面的顺利贯通以及回撤通道围 岩稳定性的有效控制。 4 . 1 主回撤通道围岩加固技术 由于原有支护方案顶板支护强度较高，因此设 计在主回撤通道煤柱帮及联巷交岔口采用螺纹钢铺 80 监测线上竖向应力随开挖距离L的变化曲线图8 所示。由图8 可知，开挖距离L U630m时竖向应 力分布规律相同，随着开挖距离的增大竖向应力呈 增大趋势，同时竖向应力从初始时的近水平分布变 为煤柱帮（ 左帮） 高回采帮（ 右帮） 低。图中位于* -60m处的下凹区域是由于下方主回撤通道开挖卸 压引起的。当开挖到36m、45m和 51m时，从图中 可以看出超前支承压力位于主回撤通道两帮。当工 作面开挖结束时，主回撤通道回采帮超前支承压力 向煤柱帮转移，说明此时顶板发生断裂，和顶板的 竖向位移云图结果相同，此时煤柱帮最大竖向应力 25MPa, 位于工作面左帮煤层内20m位置处。此时 液压支架上的工作压力较小，易于回撤。 -25 r ， 杆加固，在回米帮米用玻璃钢锚杆加固，加固方案 如下回 米 帮 均 米 用 “ 4 根玻璃钢铺杆 450mmx 280mm x 4mmW护 板 联 合 支 护 ” ，锚 杆 规 格 为 022mmx 2400mm，铺 杆 间 距 1000mm， 排 距 1800疆。巷 道 煤 柱 帮 布 置 “ 3 根 螺 纹 钢 锚 杆 450mmx280mmx4mmW护板加固” ，铺杆规格为0 20mm x 2400mm， W 护板尺寸为 450mm x 280mm x 4mm，垫板尺寸为150mmx 150mmx l〇mm，锚杆间 排 距 1500mmxl800mm，如图9 所示。 O W 护板450 x280 x4 螺纹钢锚杆 ，020 x2400 a回采帮 螺纹钢锚杆W护板 020 x2400 b 煤柱帮 图 9主回撤通道锚杆加固支护参数示意图0图 9主回撤通道锚杆加固支护参数示意图0 通过对主回撤通道的围岩加固，工作面末采贯 通期间，主回撤通道顶板最大下沉量159.33mm，底 板变形量85. 24mm，煤柱帮移近量210. 35mm，有效 等手段让顶板发生断裂，调节工作面来压步距，使 挂网期间顶板处于低压区。 表 1煤岩体力学参数表 1煤岩体力学参数 岩性天然容重/g cm-3 孔隙率/弹性模量/GPa泊松比内聚力/MPa摩擦角/ 抗拉强度/MP; 红土2.328.610. 250. 191. 1640.690.64 1.2泥岩2. 369.3723. 020. 232. 4939.35 细粒砂岩（ 顶板）2. 38 9.8219. 180.212. 2435. 491.33 细粒砂岩（ 底板）2.3110. 21 21.240. 172.4538.751.22 砂质泥岩2.36 9.5427.020. 192.938. 651.44 1.2粉砂岩（ 顶板）2. 367.6716.530. 232.530.56 粉砂岩（ 底板） 2.427.923. 160.22. 8538.881.41 中粒砂岩2.28 8.2224. 030. 182. 2635. 141.22 2_2煤1.33 10.039.520.210. 9937.410.5 5 0 5 It 1X I I _ SPM/ -R 倒 w_ r l l l l l l [ . 1 j l l l l l r l l l l [ i 09〇 〇 丨 l l lI Bl i -a i l l lI w 1 8 0 s s y lI lI oooi _ oooi _ ooo r「ooo I o. ot7l i r i l g O I O I E I _d 0 0 0 1 d l s _N_ _N_ 0 l jg ⑭ I I 一 I 竺 I , i l , l l l l l l r 8 i l 8 龙 1 9 0 1 i 0 r l l d 8 j g B s s 〇〇 〇 一 〇〇 〇 一 〇〇〇一 〇 〇 〇 1 6 0 1 2020年 第 8 期煤炭工程生产技术 4337 4347 4357 4367 4377 4387 4397 4407 4417 4427 4437 4447 4457 4467 4477 4487 4497 4507 工作面推进距/m 图 10 1 1 月 112201工作面周期来压情况图 10 1 1 月 112201工作面周期来压情况 预测范围31.217.41 14.59 17.82 6.21 3.6 6.4 w w w w w v rVWWNWV w w w w v w W W W 11.22 112 113 零 11.24 11-24I U 四 5 11.2611.26 四 1U711.27 四 11.2811.28 四 11.29 11.29 八 11.29 I | 点 点点点点点.k点k .点点点 点14. 5m 班 班 班班班班班班班班 班班 90 85 80 75 70 65 6055 50 45 40 35 距离主回撤通道距离/m 30 25 20 4556.62 4465 4470 4475 4480 4485 4490 4495 4500 4505 4510 4515 4520 4525 4530 4535 4540 4545 4550 推进步距/m 图 1 1 根据最近三次周期来压步距预测工作面来压位置（图 1 1 根据最近三次周期来压步距预测工作面来压位置（m 4 . 3 工作面调压分析 112201综米工作面柔性网长360m, 宽 度 15m, 为超长大面积柔性网。由于柔性网宽度已确定，为 此必须选择14. 5m位置挂网，因此在工作面末采期 间，需要精准调压，确保工作面在14. 5m位置处于 稳压低压区。根据工作面推进位置以及现场矿压观 测 ，确定具体调控措施。 4 . 3 . 1 工作面摆采分析 分析11月3 0 日至12月 3 日工作面机头机尾位置， 工作面进行摆采，调整工作面位置，如图12所示。 为保证112201工作面顺利挂网，工作面进行摆 采 ，使机头机尾推进度一致。11月 3 0 日工作面机头 机尾位置相差5. 7m, 12月 1 日零点班加快机尾推进 八点 班 零 点 四 点 零 点 零 点 四 点 班 班班班班 图 12 112201工作面机头机尾位置图图 12 112201工作面机头机尾位置图 度 ，工作面机头机尾相差2. 6m, 12月 2 日零点班继 续加快机尾推进度，工作面机头机尾相差0.5m, 至 12月 2 日四点班工作面机头机尾剩余长度均为21m， 值/MPa 控制了回撤通道的围岩变形量，保证了工作面设备 回撤作业空间。 4 . 2 工作面周期来压分析 分 析 11月 1 日一 11月 2 9 日 112201工作面推进 距为4336〜 4514.2m区间的周期来压步距。部分工 作面液压支架的工作阻力如图10所示。工作面周期 来压步距为10. 823. 8m, 平均约16. lm; 来压持续 长度为3. 67. 2m, 平均约5.2m。工作面顶板来压 14.8m 13.5m 10.8m 4.2m4.5m5.4m 20.7m 4 5 1 1 1 10.8m 11.6m 3.6m5.3m 具有分区特征，工 作 面 顶 板 呈 现 1 60、61 120、121175三段分布式来压。 根据最近三次周期来压步距结果分析，计算得 出最近三次来压步距平均为16.6m, 来压持续长度 平 均 为 5. 4m。 由 于 工 作 面 挂 网 位 置 已 确 定 为 14.5m, 因此结合112201工作面矿压云图，挂网位 置距推测来压区位置很近，如 图 11所示，工作面挂 网位置有较高来压风险。 23.8m 20.9m 17.4m 14.6m 17.8m 7.2m6.8m6.2m 3.6m6.4m 古 M K 日士 鴒 J55555555555555- /65432109876543 5.5m 7.5m 3m 4 T 支架阻力 值/MPa -47.70 -46.24 -44.78 -43.31 -41.85 -40.39 -38.92 -37.46 -36.00 44954500450545104515 4520 工作面推进距/m 4525453045354540 图 13 112201工作面周期来压情况图 13 112201工作面周期来压情况 预测范围18 5550454035 30 25 20 距离主回撤通道距离/m 4556.62 推进方向 4500 4505 4510 4515 4520 4525 4530 4535 4540 4545 4550 推进步距/m 图 1 4 根据最近三次周期来压步距预测工作面来压位置（图 1 4 根据最近三次周期来压步距预测工作面来压位置（m 5结 论 1 采 用UDEC模拟了末采阶段回撤通道的围岩 应力分布规律及矿压显现特征。末采期间工作面周 期来压步距平均15m，距回撤通道贯通30m左右时， 需调节采煤速度，进行矿压调控；随着推进距的增 加 ，主回撤通道回采帮的围岩应力将向煤柱帮出现 转移，为保证回撤通道围岩稳定性，对回撤通道进 行锚杆补强支护，有效控制了回撤通道围岩变形量。 2 分 析 112201工作面11月 1 日 一12月 4 日矿 压数据，工作面周期来压步距为7. 523. 8m, 平均 约 15. 4m; 来压持续长度为37. 2m, 平均约5.1m; 工作面两端剩余推进度一样，为工作面14. 5m挂网 创造了有利条件。 4 . 3 . 2 工作面调压分析 分 析 11月 2 6 日至12月 5 日112201工作面推进 距为4491.1 4543. 2m区间的周期来压步距。部分 工作面液压支架的工作阻力如图13所示。 根 据 11月份周期来压分析及预测，为防止工作 面 在 14. 5m挂网位置处于来压区，由数值模拟研究 和现场矿压观测数据相结合，选 择 从 12月 1 日四点 班 ，工作面剩余长度25m开始，设计每班采两刀煤， 降低采煤速度，调节工作面周期来压步距。降低采 煤速度后12月 2 日四点班，工作面剩余长度21m, 工作面开始出现来压显现，12月 3 日零点班工作面 推进至剩余长度18m时，工作面来压结束，此次周 期来压步距7. 5m, 来压持续长度3m。工作面最近 三次平均周期来压步距13.93m, 平均来压持续长度 4.96m, 预计工作面14. 5m位置挂网位置将处于非 来压区，如 图 14所示。因 此 12月 3 日8 点班快速 推进四刀至14. 3m位置，开始打锚杆锚索进行挂网, 挂网期间顶板完整性较好，挂网顺利。挂网结束后 工作面快速推采，12月 8 日四点班19 25工作面与 主回撤通道实现顺利贯通。 5555555555555555 6543210987654321 0, 82 2020年 第 8 期煤炭工程 生产技术 超长大采高工作面顶板来压呈现分区式来压特征。 3 工作面进行摆采，确保了工作面机头机尾剩 余长度一致。工作面推进长度剩余25m时，降低采 煤速度进行矿压调节，减小了工作面的周期来压步 距 ，使工作面在推进至14. 5m位置时处于非来压区， 维护了工作面顶板的完整性，为工作面打锚杆挂钢 丝绳固定网边打下了坚实基础，实现了工作面柔性 塑料网（ 宽 15mx长 360m顺利铺设。 参考文献参考文献 [1] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M] . 徐 州中国矿业大学出版社，2010. 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