大采高工作面撤架通道施工工艺及顶板稳定性分析.pdf

充煤黑豹杯参评论文33煤矿支护2023年第3期大采高工作面撤架通道施工工艺及顶板稳定性分护朱德智（晋能控股集团成庄煤矿，山西晋城0 4 8 0 2 1）摘要要成庄煤矿目前主采3号煤层，煤层平均厚度6.2 4 m，回采工艺为大采高，一次采全高为主，放顶煤工艺为辅，截止2 0 2 2 年已完成10 余个大采高工作面的末采和回撤工作，大采高工作面撤架通道在施工过程中，普遍存在顶板破碎的现象，严重制约了通道掘进速度和撤架工作，为了实现源头管控，以4 32 1大采高工作面为例对末采及撤架通道施工工艺进行综合分析，分析探究这一现象产生的主要原因，提出了针对性的改进建议，为撤架通道快速掘进积累了经验，为工作面高效回撤奠定了基础。关键词大采高；末采；撤架通道；顶板管控1概况1.1三号煤层4 32 1工作面开采技术条件3号煤层埋藏稳定，煤层厚度2.9 2 m7.68m，平均6.2 4 m，一般在6 m以上。井田中东部3号煤层厚度较大，北部较薄。一般含13层夹研，岩性为泥岩或炭质泥岩，煤层结构较简单，属全区可采的稳定煤层。煤层顶板多为泥岩，少数为粉砂岩，局部为细、中粒砂岩。4 32 1工作面位于矿井四盘区南翼，煤层最小厚度6.15 m，平均厚度6.3m。老顶：细粒砂岩，平均厚度5 m，灰色，成份以石英为主，长石次之。抗压强度32.64 1.2 MP a，平均38 MPa，属半坚硬岩石，中等稳定性顶板。直接顶：砂质泥岩，平均厚度3.4 2 m，灰黑色，砂泥质结构。抗压强度15.5 50.0MPa，平均抗压强度为32.2 5 MPa，为软弱半坚硬岩石，属不稳定一中等稳定程度顶板。1.2大采高工作面末采及撤架通道施工工艺4321大采高工作面回采至距停采线35m左右时，开始调整采高和直线度，末采期间在支架上方铺设柔性网、联钢丝绳，以便于顶板管理，为撤架作业提供安全空间；停架后，安排综掘队组在支架前方沿支架顶梁掘进撤架通道上半部，随后使用采煤机按照撤架要求完成撤架通道的扫底作业，撤架通道二次成巷达到撤架所需的高度 1-31.2.14321工作面末采作业方法及工艺流程1.2.1.14321工作面末采施工工艺4321工作面末采作业方法及工艺流程 4-5 如下：在工作面距停采线35 m时，开始以留顶煤降采高的方式逐渐降低整个工作面的采高，以保证距停采线2 0 m时，整个采高降低至4.2 4.5 m左右，方便末采上网作业。工作面距停采线2 0 m左右时（距挂网前最后一刀煤），采用“漂刀”留台阶，台阶略低于支架挡煤板，以提高封帮工效。342023年第3期煤矿支护当工作面推进至距停采线2 0 m左右时施工锚杆支护顶帮（顶锚杆用于挂网），采用工溜将柔性网由机尾顺槽运至工作面，从中部往两边开始挂网，要求柔性网覆盖工作面全长并且网片搭接处和机头机尾各富余35m。网片边缘挂至顶板并固定后，操作手动绞盘通过钢丝绳兜起网卷开始割煤，工作面继续推进。割煤时将工作面支架护帮板收回，使用固定于支架立柱上的手动绞盘将柔性网逐架吊起进行割煤、落网、拉架、推溜等工序。工作面推进16 个循环后，联钢丝绳以增加顶网的刚度，停架前在机头、机尾上工字钢以便支架的回撤。在两个支架之间顶板的合适位置，尽量靠近撤架通道顶板、距离煤帮不超过500mm处施工锁口锚索，防止撤架通道掘进过程中顶板漏（煤）。末采完成后工作面采高控制在4.2 4.5m，架后柔性网落地不得小于1m，在支架前（支架底座上）打单体柱防止顶梁自落。1.2.1.24321工作面撤架通道施工参数如图1所示，4 32 1大采高工作面撤架通道采用二次成巷方式，末采结束后综掘队组负责施工撤架通道上半部分，掘进断面为53.2m。撤架通道的宽度自支架顶梁前端算起，宽度为5 m，高度根据定架后综采工作面的高度确定，通道顶板与定架后的采面顶板平齐，先掘进3.2 m高的通道 6 ，再由综采队组扫底作业直至撤架所需的高度，扫底作业结束，完成通道下部封帮工作。顶板完整的情况下，撤架通道顶板采用锚网索联合支护方式，锚杆为5 0 0#高强度左旋无纵肋螺纹钢锚杆，直径2 2 mm，长度2400mm，间排距为10 5 0 X1000mm，预紧力矩不小于4 0 0 Nm；补强锚索为SKP22一1/17 2 0 8 4 0 0 mm高强度低松弛预应力钢绞线，预紧力不小于2 5 0 KN，锚索布置方式为 2-3-2。撒架通道综掘机摄支架进顶梁前端采煤机扫底5000图1大采高工作面撤架通道示意图在顶板破碎、留顶煤等复杂区段，巷道顶板采用全锚索支护方式，长短结合，短锚索型号与补强锚索相同，长度为5.4 m，间排距为10 5 0 mmX1000mm，补强锚索长度为8.4 m，也采用2 一3一2 布置方式。复杂区段顶板支护方式示意图如图2 所示。口钢带2000BHW-280-4-4500-5口锚索17501750SKP22-1/1720X8400口000Y口锚索口SKP22-1/1720X53000001口金属网中中中中5500X120040010501050元10501050400图2大采高工作面撤架通道顶板支护示意图2影响大采高工作面撤架通道顶板状况的因素分析4321工作面撤架通道掘进过程中，多次出现顶板离层、锚索锚固剂塞不到孔底的现象，为探究导致顶板异常的主要原因，采用钻孔窥视仪观察顶板结构变化情况，分析对比了撤架通道掘进前后工作面的采高情况。2.1顶板钻孔窥视结果4321撤架通道从工作面机尾向机头方向掘进，机尾7 0 m段巷道沿顶板掘进，采用锚杆支护；7 0 m以后开始留顶煤，顶煤厚度1.2 m左右，改用全锚索支护；留顶煤35煤矿支护2023年第3期区段煤体破碎造成通道顶板与支架顶梁间形成7 0 0 mm左右的落差（通道顶板高于支架顶梁）；局部区域架前顶煤破碎，通道超宽现象严重，14 5 m16 5 m 附近巷宽达到 7.4 m。通道施工过程中，通道内4 9 m处的2#离层仪和14 5 m处的4#离层仪顶板离层值超过5 0 mm，达到警戒状态。为观察顶板结构，在4 32 1撤架通道内每隔5 0 m进行了钻孔窥视，孔深11m，分析顶板窥视结果，得到以下信息：撤架通道2#离层仪浅部基点警戒，离层位置为2.4 m处。撤架通道4#离层仪深部基点警戒，离层位置为5.7 5.9 m处。离层仪当前显示正常的3#和5#离层仪处，顶板也发育较多的裂隙和破碎带，说明在通道掘进之前顶板已经被破坏；。随着巷道掘进，顶板破碎带厚度增加，支护条件有变差的趋势。靠近机头侧的顶板3.6 5.6 m范围内钻孔孔壁普遍松散破碎，影响短锚索的锚固效果。2.2停架期间采高对比收集了4 32 1工作面停架时的采高和撤架通道施工后的采高，采高对比情况如表1所示：表14321工作面顶板下沉量明细表(单位:m)架号5101520253035404550556065707580停架采高3.9 4.14.2 3.93.9 4.34.54.13.9 4.14.13.844.24.14.54.3成巷采高3.74.14.23.93.9 4.34.443.6 3.8 3.83.8443.743.7下沉量0.2000000.10.10.3 0.3 0.3000.20.40.50.6架号859095100105 110115120125130135140 145 150155160165停架采高43.983.8 3.83.844.14.34.54.54.54.54.64.74.34.44.7成巷采高3.73.63.5 3.53.743.84.34.14.34.3 4.2 4.24.34.24.24.5下沉量0.30.380.30.30.100.300.40.2 0.20.3 0.40.40.10.20.2统计分析顶板下沉量，得到以下信息：撤架通道施工期间工作面顶板普遍出现了下沉，下沉明显的支架数量占比为7 2.7%。支架下沉量最大达到了6 0 0 mm。通道开口至7 0#支架段通道沿煤层顶板掘进，与留顶煤区域相比，顶板下沉程度与数量明显较小。撤架通道内的顶板离层仪监测结果与支架顶梁下沉量之间有明显的对应关系，说明支架下沉越明显，通道顶板离层的概率越大。3施工过程存在问题及影响顶板的主要因素分析分析4 32 1大采高工作面末采和撤架通道施工工艺 7 ，总结此次末采存在的问题，根据支架受力和采高变化情况，判断影响工效、造成撤架通道普遍出现顶板破碎的原因有以下几点：（1）大跨度悬臂梁结构容易引起岩层断裂、顶板离层如图1所示，为满足支架搬运车工作需要，采面支架控顶距与通道形成了一个大跨度空间，理论跨度接近10 m（实际跨度更大），10 余米宽的顶板一端靠通道煤壁支撑，另一端作用在支架上方，因支架存在卸载、回缩现象，由此形成了大采高工作面撤架通道大跨度的悬臂梁结构，在矿山压力作用下，顶板岩层原生裂隙扩张并产生新的裂隙，因此造成了撤架通道普遍产生顶板离层。（2）大采高工作面支承压力影响随着大采高工作面推进，采面前方煤壁和顶板逐渐受到超前支承压力的影响，根据以往的矿压观测经验，成庄煤矿大采高工作面支承压力峰值区域为采面煤壁前方确保各工序快速推进责任到人，分工协作，单，列出工艺工序，职责清架通道工程施工前形成材料清单、(5)强化管理、充足准备，末采以及撤362023年第3期煤矿支护5m处。另一方面，因工作面倾向长度较长，回采工作面周期来压步距不一致，造成了采面中总有一部分区域处于来压阶段。因此，撤架通道处于应力增高区且受不均衡的动压影响也是顶板破碎的重要原因。（3）沿底板末采的工艺，造就了大网兜和复合顶板结构为了减少通道底板硬化工作量，目前的末采均采用留顶煤降采高工艺，这种复合顶板容易在煤研交界处产生滑移错动，通道顶板约2 m厚的煤层基本失去自承能力，通道层位的选择对支护条件不利。（4）末采阶段支架故障率高，顶板持续下不管是采面末采还是通道掘进期间，都要求支架不漏液、不窜液、不自动卸载、回缩，然而采高前后对比结果表明，末采结束后采面顶板下沉量最大达到了6 0 0 mm，明显下沉比例达到了7 2.7%，末采停架后采面支架初撑力达标率低，支架作用没有充分发挥造成通道掘进期间顶板持续下沉、长期处于不稳定状态。（5）撤架通道超宽，进一步增加了顶板管控难度撤架通道掘进期间巷宽控制以支架顶梁前端为参照，虽然末采过程中有意调整工作面直线度，但受局部区域拉超前架、插板伸缩量不一致影响，整体平行度仍较差，这就造成通道宽度难以准确控制。另一方面，在顶板破碎区域，掘进机司机在割煤时有意向煤壁侧倾斜，造成通道普遍超宽，最宽处甚至达到了7.4 m，给顶板管控进一步增加了难度。（6）支护强度与顶板控制需求不一致顶板钻孔窥视结果表明，受以上几个原因影响，通道顶板在35 m处普遍出现破碎，即使是开口沿顶板掘进区域，离层深度也达到了2.4 m，超过了锚杆的锚固端，锚索需要承受更多载荷，支护系统风险较大。（7）注浆质量达不到预期效果注浆量未完全达到饱和状态即开机生产，胶结效果差，不能有效控制顶板和煤壁。煤壁片帮区域支架前方顶板支护不及时，长时间空顶，导致破碎顶煤垮落高度进一步增大。4建议采取的改进措施通过对4 32 1大采高工作面撤架通道施工工艺进行系统分析8-9 ，找出了通道普遍出现顶板破碎的主要原因，提出以下针对性的改进建议：（1）强化末采期间支架检修质量，真正做到不漏液、不窜液、不自动卸载支架停架后持续受到上覆岩层的下沉、回转影响，采场周围处于应力增高区，因此越是到末采阶段，越应该提高支架的检修质量，支架的支护质量对通道掘进和撤架工效起着决定性的作用。（2）沿顶板末采，改变通道层位沿顶板末采不仅可以改善通道的支护条件，减轻支护材料的负担，还有利于改善支架的受力状态，减小过渡段顶煤破碎带来的影响。（3）全锚索支护顶板，长短结合通过锚索的高预紧力控制顶板原生裂隙扩张，增加组合梁的厚度，调动深部的岩层共同发挥自承能力。（4）通道掘进期间备用部分单体柱和钢梁等辅助支护材料，应对局部极端情况必要时采用单体柱架棚对通道顶板进行补强，一梁两柱，靠支架侧梁头打锚索固定，通道扫底时回柱后采用支架护帮板挑住梁头保证基本安全，通道扫底结束及时恢复支架侧单体柱。（6）走超前补强末采前对顺槽停采线位置、交叉点及构（收稿日期：2 0 2 3年0 7 月0 4 日；责任编辑：杨向民）37煤矿支护2023年第3期造前后等异常区域采取补强支护措施，减少动压影响程度。（7）实施煤壁深孔注浆末采上网前集中力量对工作面顶板进行注浆加固，为采面快速推进，通道快速掘进创造条件。（8）加强工程质量管理末采期间要避免出现采高低、支架高射炮的情况，保证工作面停架前支架直线度，避免将插板打出，影响后期撤架通道施工。（9）及时施工锚索末采停架后，及时安排综掘队组进场施工锁口锚索，无法施工锁口锚索的及时打柱支护，并做好记录，方便后期撤架通道施工至此处提前维护顶板。(10）加强支架状况监测末采停架后，每天监测支架活柱行程情况，保证支架初撑力达标，定期安排支架检修工处理支架漏窜液的情况，让支架保持良好的工作状态，避免出现顶板下沉，活柱不足的情况，发现活柱变化及时打柱加强支护。5结论4321大采高工作面留顶煤降采高，停架后机掘施工撤架通道的末采及撤架通道施工工艺，简化了工作流程，但受超前支承压力影响，大跨度复合顶板形成的悬臂梁结构容易引起岩层断裂、顶板离层。末采期间应采取以下措施促进撤架通道快速掘进，工作面高效回撤：强化支架检修质量，将悬臂梁结构转化为简支梁结构，从根本上改善大跨度顶板的受力状态。通过撤架通道层位的合理选择和支护强度的提高，减小顶板原生裂隙的扩张，防止产生新的裂隙。采取超前注浆改性、施工锁口锚索、加强工序及工程质量管理等措施，缩短各工序时间，缓解支承压力对撤架通道围岩结构的破坏。参考文献：1李泽晨综采放顶煤工作面快速撤架工艺在成庄矿的应用机械管理开发，2 0 2 0（0 9），2孙守孝大采高综采工作面几种施工撤架通道的方法J江西煤炭科技，2 0 2 0（0 4）.3祁海青综掘机施工大采高撤架通道工艺研究J能源与节能，2 0 16.4 王东东：综采工作面支架回撤工艺技术优化与分析J：山东煤炭科技，2 0 16.5李晓刚，张占胜。复杂地质条件下综采工作面回撤工艺探索J煤炭技术，2 0 19.6彭博，范映冲，杨凯等唐家河矿区综采工作面回撤巷道支护参数优化设计 J：煤炭技术，2 0 17.7王凯：解读综采工作面安装与回撤工作J矿业装备，2 0 2 1（0 6）：8兰永平干河煤矿大采高综采工作面回撤支架三角区顶板控制J煤矿现代化，2 0 2 1.9王自卫，刘阳；刘建平。智能化快速撤架配套技术的研究与应用中国煤炭，2 0 2 2（0 4）：作者简介朱德智(1986一），男，工程师，毕业于河南理工大学采矿工程专业，现在成庄煤矿生产技术部从事煤矿采掘设计工作。