“刀把式”綜放面支架快速拆除技術

白 剛，王治文，李瑞林，白 俊

(1.山西鋪龍灣煤業有限公司， 山西 大同 037000；2.山西煤炭進出口集團 左云韓家洼煤業有限公司， 山西 大同 037000；3.遼寧工程技術大學， 遼寧 阜新 123000)

近年來，隨著煤炭需求總量的不斷增加，地質賦存條件好的優質煤炭越來越少，煤炭開采逐漸進入攻堅階段，“刀把式”采場順勢而生。相較于傾向長度保持不變的正規采場，“刀把式”采場在變面處具有應力分布過度集中的特點，嚴重威脅著礦井的安全生產。因此，加強對“刀把式”采場變面處應力分布狀態的研究，具有非常重要的意義[1].

1 礦井概況

韓家洼礦22401綜放工作面為西盤區首采面，煤層總厚9.2～14.8 m，平均厚度11.6 m. 煤層傾角4°～11°，平均傾角6°，為近水平煤層。工作面地面標高1 550～1 580 m，井下標高1 263～1 290 m，煤層埋深約200 m. 工作面走向長度833 m，回采至中部時，工作面傾向長度由170 m突然縮至120 m，其中傾向長度為170 m的大面長528 m，傾向長度為120 m的小面長305 m.工作面采用單一走向長臂后退式低位放頂煤采煤法，其中采煤高度3 m，放煤高度8.6 m，采放比為1∶2.87，推進方向由西向東沿煤層底板，全部垮落法管理采空區。工作面布置示意圖見圖1.

圖1 工作面布置示意圖

2 數值模擬

2.1 模型建立

運用FLAC3D數值模擬軟件，結合22401綜放工作面頂底板巖層柱狀圖及相對應的煤巖體物理力學參數建立模型，模型巖層分布直觀圖見圖2，模型尺寸設計為800 m×400 m×100 m，共劃分297 882個單元，303 211節點，模型的網格與節點劃分非常多，故能非常準確地反映出工作面的應力分布情況[2]. 模型四周設置為位移約束邊界，在水平與豎直方向上均固定其位移；模型的頂部和底部定義為自由邊界，其水平與豎直方向的位移均不進行約束，模型頂部施加5 MPa的均布荷載來代替模型以上的巖層重量[3].

圖2 模型巖層分布直觀圖

2.2 參數設計及破壞準則

該次模擬運用Null模型模擬巷道及工作面的回采活動，選擇FLAC3D自帶的Mohr-Coulomb本構模型模擬煤巖體變形破壞情況，其力學表達式為：

式中，σ3為最小主應力，MPa；σ1為最大主應力，MPa；c為黏聚力，MPa；φ為內摩擦角，(°). 煤巖體物理力學參數見表1.

2.3 模擬結果分析

隨著工作面的回采，煤巖體的初始應力狀態遭到破壞，次生應力不斷調整并重新分布，進而形成次生應力場[4-5]. 工作面回采至“刀把”前后10 m處的支承壓力與水平應力分布情況見圖3. 在“刀把”割通前10 m處，最大支承壓力為13.4 MPa，主要分布在回采巷道兩側，其中回風順槽上部巖體中的支承壓力略大于運輸順槽上部巖體中的支承壓力；最大水平應力為13.6 MPa，主要分布在直接頂中，沿頂板方向垂直向上應力逐漸減小。在“刀把”割通后10 m處，最大支承壓力為14 MPa，回風順槽比運輸順槽應力分布更加集中；最大水平應力為16.4 MPa，應力分布不對稱，回風順槽側頂板的應力比運輸順槽側頂板應力分布更加集中。

表1 煤巖體物理力學參數表

圖3 “刀把”割通前后10 m處頂板應力分布云圖

綜上分析，在“刀把”處割通前后，支承壓力和水平應力分布過度集中，回采過程中要密切監測頂板活動情況，采取必要的措施加強對頂板的支護，從而保證工作面的安全貫通和支架等設備的安全回撤。

3 支架回撤現場工藝流程

22401縮面回撤設備為34架ZF7500/18/35液壓支架，1架ZQL2*4000/23/50超前支架，50 m SGZ764/630前刮板送輸機1部，50 mSGZ830/800后刮板運輸機1部。

設備回撤順序為：回風順槽超前支護液壓支架→前刮板輸送機→后刮板輸送機→80#—113#中間架。提前將超前支架ZQL2*4000/23/50拆解并由WC30E型鏟板車運輸到盤區運輸巷尾部存放，待設備回撤完畢后安裝。使用JH-30型回柱絞車將前后刮板輸送機溜槽拉到指定位置后，由WC30E型鏟板車運輸到22#層井底車場，換裝到平板車，再由副井主絞車(JK-3.5/2.5)提升到地面后碼放到指定地點。前后刮板輸送機機尾及電機減速機等待中間槽回撤后，再安裝，保證前后刮板機正常使用。使用JH-30型回柱絞車將80#—83#架依次拆出，再將機尾114#—117#過渡架安裝到原80#—83#架的位置。112#、113#架作為回撤支架期間的掩護架最后撤出?；爻分Ъ苁褂肑H-30型回柱絞車拉出到回撤通道后，再使用WC40Y(B)型支架搬運車運輸到22#層井底車場，換裝到平板車后，再由副井主絞車(JK-3.5/2.5)提升到地面碼放到指定地點。工作面需要回撤的設備全部回撤完畢后，安裝回風順槽超前支架，調試前后刮板輸送機，正常運行后開始回采。

4 回撤期間頂板管理

依據頂板應力在“刀把”貫通前后的應力分布狀態，確定了錨網索聯合的頂板支護方案。具體措施為：距離“刀把”處12 m時停止放煤；10 m開始鋪網，打固定錨桿；7 m時，開始掛第一道鋼絲繩。末采共計使用d25 mm鋼絲繩3根，掛頂網10 m，其中單層網為2 m，雙層網8 m. 為了保證工作面81#—84#支架處回撤支架期間頂板不冒落，在巷道原支護的情況下，使用長4.5 m的11#礦用工字鋼在鋪網3 m后增加3排錨索梁，錨索距梁端0.75 m，錨索間距1.5 m，排距1 m，錨索為d17.8 mm×11 800 mm的鋼絞線。錨索預緊力不小于150 kN、錨固力不小于200 kN，錨索間排距誤差不超過±100 mm.調整工作面80#架至機尾50 m推進速度，保證工作面要撤架的50 m推進度一致。工作面80#機尾50 m與刀把處割通后，頂網必須與刀把處回風順槽頂網連接牢固，刀把處回風順槽作為回撤通道回撤設備。

5 結 論

1) 工作面貫通前后應力分布過度集中，當工作面割通前10 m處，最大支承壓力為14.4 MPa，最大水平應力為13.6 MPa；當工作面割通后10 m處，最大支承壓力為14 MPa，最大水平應力為16.4 MPa，工作面貫通前后應力分布過度集中。

2) 根據數值模擬得到的回撤期間頂板應力狀態，確定了回撤期間采用錨網索聯合的頂板支護方式?；爻菲陂g共計使用d25 mm鋼絲繩3根，掛頂網10 m，其中單層網為2 m，雙層網8 m.使用長4.5 m的11#礦用工字鋼在鋪網3 m后增加3排錨索梁，錨索距梁端0.75 m，錨索間距1.5 m，排距1 m，錨索為d17.8 mm×11 800 mm的鋼絞線。

3) 從末采到回撤結束，共計用時16天，回撤設備用時8天，縮短了回撤工期。