沙吉海煤矿综放工作面回撤通道围岩控制技术研究

金鸣

（国网能源和丰煤电有限公司 沙吉海煤矿，新疆 塔城 834400）

0 引 言

随着煤矿井下工作面不断推进，当回采靠近回撤通道时，回撤通道受到剧烈采动影响，围岩变形量普遍很大，尤其对于三软厚煤层综放工作面来说，超前采动影响下煤体的破坏更加严重，回撤通道的维护难度很大[1-5]。

针对回撤通道矿压显现剧烈，顶板维护困难的问题，诸多学者进行了大量研究。王兆会等[6]探究了基本顶断裂线位置与回撤过程矿压显现的关系，提出了改变采高、工作面推进速度、局部充填的顶板控制措施。贺艳军等[7-9]提出调整垛架初撑力能够减小回撤通道侧煤柱叠加应力值，减小剩余煤柱失稳时对应的煤柱宽度，减小直接顶对应的跨距，避免直接顶破坏，保证回撤顺利进行。陶雷[10]等基于顶帮协同控制的原则，提出预防性的主回撤通道补强支护方案，并配合末采期间围岩稳定性控制措施，现场应用效果良好。本文在前人的研究基础上，以沙吉海煤矿B10 煤层工作面回撤通道为工程背景，结合现场实测与理论分析，提出了回撤空间顶板多层次耦合控制原理，形成了回撤空间顶板耦合控制方法，研究成果可为类似条件下回撤通道的围岩控制提供参考。

1 工程背景

1.1 工程地质条件

沙吉海煤矿位于新疆和什托洛盖特大型煤田内。现主采B10 煤层，厚度为0.82 ～8.67 m，平均5.68 m，可采5.38 m，首采区煤层厚度3.97 ～7.98 m，平均厚度6.8 m。

沙吉海煤矿综采工作面采用预开回撤通道的形式，如单回撤通道、双回撤通道，但回撤通道围岩支承压力较大，围岩变形破坏较大，采前需要对回撤通道进行单体、木垛支护以及锚索补强和注射马丽散支护，末采时对工作面进行挂网支护，工作面与回撤通道贯通后需要对单体和木垛进行逐根回收，支护工艺繁琐、回撤周期长，回撤期间顶板维护效果欠佳，严重制约了工程进度和顶板安全。

现准备在B10 煤层的B1003W03 工作面进行回撤通道留设，工作面上、下顺槽现场实际揭露煤层平均厚度在6.5~6.8 m，煤层倾角在9°~17°，煤层的分层不太明显，但垂直大角度裂隙和垂直节理较为发育。

1.2 回撤通道区域围岩结构分析

为了准确掌握回撤通道围岩结构特征，在B1003W03 运输顺槽巷道顶板进行顶板岩层状态探测。在B1003W03 离回撤位置较近区域的运输顺槽202、217、232、247 m 位置处分别布置为1、2、3、4 号等4 个钻孔，如图1 所示。

图1 B1003W03 工作面钻孔位置布置Fig.1 Borehole position layout of No.B1003W03 Face

巷道顶板围岩主要为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、泥岩、粗砂岩，表明顶板复合特点显著。其中泥岩中间出现煤岩互层，钻孔可视范围内的浅部岩层以煤和泥岩为主；中部以砂质泥岩为主，砂质泥岩呈灰色，完整性较好；深部岩层以粉砂质泥岩和粉砂岩为主，且粉砂岩整体完整性较好，表面光滑，致密性好。代表性钻孔窥视结果如图2 所示。

2 剧烈采动影响期间巷道围岩高密度深部位移监测

为了确定巷道在工作面推进过程中围岩的松动范围，为回撤空间锚网支护设计提供基础数据，在B1003W03 运输顺槽进行了深基点位移监测，根据煤帮变形破坏剧烈程度预估和现场条件设计监测方案，在距离B1003W03 工作面36 m 处布置测站，如图3 所示。

图2 B10 煤层顶板岩层结构窥视探测结果Fig.2 Peeping detection results of roof strata structure of No.B10 Coal Seam

图3 深部位移监测站Fig.3 Deep displacement monitoring station

测站深部位移监测仪设置方式为，煤柱帮布置2 个深部位移监测仪，其中一个监测深度为2.0 、3.0、4.0 m，另一个监测深度为1.5、2.5、3.5 m，顶板布置2 个深部位移监测仪，其中一个监测深度为2.0、3.0、6.5 m，另一个监测深度为2.5、4.0、8.0 m，根据读数算出各点相对位移量，得出围岩内部松动破坏范围，图4 为B1003W03 运输顺槽顶板深部位移监测结果，图5 为B1003W03 运输顺槽煤柱帮深部位移监测结果。

由图4 可以看出，顶板0~2.0 m 的变形量为10 mm，2.0~2.5 m 的变形量为30 mm，2.5~3.0 m变形量为11 mm，3.0~4.0 m 变形量为23 mm，而4.0~6.5 m 和6.5~8.0 m 位移量平均为1 mm 左右，4.0 m 范围内的围岩变形占总变形量的96%。

图4 B1003W03 运输顺槽顶板深部位移监测结果Fig.4 Monitoring results of deep displacement of roof in B1003W03 transport channel

图5 B1003W03 运输顺槽煤柱帮深部位移监测结果Fig.5 Deep displacement monitoring results of coal pillar side in B1003W03 transport channel

如图5 所示，煤柱帮0~1.5 m 的变形量为60 mm，而1.5~4.0 位移量仅占总变形量的少量，平均约为5 mm 左右，1.5 m 范围内的围岩变形破坏严重，占总变形量的75%。

监测结果说明伴随着工作面的推进，巷道围岩受到采动影响，巷道围岩顶板松动范围主要发生在4.0 m 左右。煤柱帮松动范围主要出现在1.5 m左右。

对于回撤空间这一受剧烈采动影响的区域，4 m 范围的中部层位顶板是顶板整体稳定的关键，除普通锚杆和长锚索的使用，应适量使用长度不小于4.8 m 的中长锚索。1.5 m 范围内的帮部是巷帮稳定的关键，应使用长度不小于2.2 m 的锚杆进行控制。

3 回撤空间顶板多层次耦合控制机理

相比工作面两侧回采巷道，回撤通道通常会受到剧烈采动影响，顶板破裂深度较大，结合现有锚杆（索） 支护材料及支护特点，采用合理的顶板控制方式，对浅部、中部、深部顶板进行针对性控制，形成多层次耦合控制方法，有效控制围岩变形，保障工作面设备的顺利回撤。

（1） 浅部层位顶板控制。

控制浅部层位顶板主要是控制浅部顶板块状危岩坠落以及变形破碎后的漏顶，采用高密度普通长度锚杆支护方式，普通锚杆长度应大于坠落岩块的高度，锚杆支护力应大于可能坠落岩块的重量。同时加以辅助材料支护防止表层顶板碎岩掉落伤人。

（2） 中部层位顶板的控制。

回撤空间顶板矿压显现剧烈、顶板自稳能力差，中部层位顶板的控制是核心，应充分发挥锚杆与围岩共同形成的＂锚固体岩梁＂的作用，尽可能利用顶板围岩这种天然的承载体，由于回撤空间顶板一般在成巷后不久，浅部围岩即发生破坏，普通长度锚杆难以发挥作用，需采用中长锚索为主的支护形式。中长锚索的控制作用是使中部层位顶板得到强化，增加锚固体岩梁极限跨距，保证锚固体岩梁稳定性。将回撤空间中层位顶板简化为固支梁力学模型，最大弯矩发生在梁两端，最大拉应力：

最大剪应力发生在梁的两端，最大剪应力为：

式中：L为锚固体岩梁跨度。

依据顶板锚固体岩梁破坏时满足库仑－莫尔强度准则，可得：

式中：σc为锚固体岩梁单轴抗压强度，MPa；σt为锚固体岩梁正拉应力，MPa；τt为锚固体岩梁拉剪应力，MPa；ck为顶板锚固体岩梁等效内聚力，MPa；φk为顶板锚固体岩梁等效内摩擦角。

锚固体岩梁得以稳定，则不能发生中间拉应力破坏和两端剪应力破坏，即[11]：

联立式（1） ~式（5） 可得，锚固体岩梁得以稳定，接长锚杆强化中部层位顶板的等效内聚力、等效内摩擦角等强化参数应满足：

（3） 深部层位顶板的控制。

防止深部层位顶板大范围垮塌，需要足够的支护力和锚固范围，主要采用大直径长锚索进行控制，足够的锚索长度也相应保证了锚索具有较大的延伸长度，足够的支护力也可对锚固体岩梁进行二次强化，根据悬吊理论，要防止深部层位顶板大范围垮塌，需满足以下条件：

综合上述分析，形成了以中长锚索为主导的回撤空间顶板层次控制方法：辅助支护材料防止表层顶板碎岩掉落；高密度普通长度锚杆控制浅部顶板危岩坠落与局部漏顶；中长锚索强化中部层位顶板围岩，保证锚固体岩梁的稳定性并防止顶板大块度冒顶；长锚索控制深部层位顶板大范围失稳垮塌，同时二次强化锚固体岩梁；围岩劣化地段支设单体液压支柱等被动支护形成回撤空间顶板安全的再次保障。

4 现场应用与监测

根据B1003W03 工作面现场实际情况，采用回撤空间顶板多层次耦合控制机理对回撤通道进行支护参数设计。

顶锚杆均采用φ22 mm×2 500 mm 螺纹钢锚杆；回撤通道宽度为5.5 m，高度为3.7 m，内摩擦角θf和岩石坚固性系数f根据顶板泥岩实测值分别取15.6°和1.9，安全系数k 取2.0，根据式（7）~式（8） 可得到长锚索有效长度l≥5.85 m，结合现场情况长锚索设计为8 300 mm，上下两端头、抹角区域等跨度较大区域，适当采用规格为φ21.8 mm×9 300 mm 的长锚索；由式（6） 可知，锚固岩梁的稳定性主要由锚索支护保障，所以增设φ21.8 mm×5 300 mm 顶锚索规格。锚固剂均采用K2860 树脂锚固剂锚固，锚索预紧力不得小于150 kN，抗拔力不得小于200 kN，锚索外露不得大于250 mm，每根锚索装2 个K2860 树脂锚固剂锚固。

考虑到施工方便和锚杆锚索的影响范围，进行了回撤空间具体支护参数设计，第1 排和第7 排布置中长锚索，规格皆为φ21.8 mm×5 300 mm，间排距为800 mm×800 mm；第2、4、6 排全部使用锚杆，规格为φ22 mm×2 500 mm，间排距为800 mm×800 mm；第3、5 排使用长锚索锚索，规格为φ21.8 mm×8 300 mm，间排距为800 mm×800 mm。沙吉海煤矿综放工作面回撤空间支护设计如图6 所示。

图6 回撤空间支护设计图Fig.6 Support design of retracement space

为验证多层次耦合控制方法的围岩控制效果，在回撤通道内设置表面位移测点，进行巷道断面顶底板表面位移观测，选取有代表性的1 号、2 号、3 号、4 号测站进行分析，监测数据如图7 所示。

图7 回撤通道顶底板移近量Fig.7 The displacement of the roof and floor of the retracement roadway

根据监测结果可知，顶底板移近量呈现增大的趋势，回撤通道顶底板移近量最大仅为210 mm，说明多层次耦合控制技术有效控制了围岩变形，支护参数设计合理。

5 结 论

（1） 根据回撤通道围岩结构探测结果可知，顶板岩层复合特征明显，钻孔浅部多出现煤夹层现象，钻孔中深部岩层完整性和致密性较好。

（2） 基于巷道顶板围岩高密度深部位移监测结果，提出了以中长锚索为主导的回撤空间顶板耦合控制方法。现场监测表明回撤通道围岩得到有效控制，保障了工作面快速回撤。