采空區(qū)松散巖石頂板條件下采煤面支護(hù)技術(shù)

唐文迎

（肥城礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 山東 肥城 271608）

0 概述

1）3101 工作面概況

肥礦集團(tuán)陶陽煤礦3101工作面位于中三井田3100回風(fēng)下山東翼，為3100采區(qū)第一個工作面。該工作面傾斜長50m，走向長 153m，煤層厚度 3.12～3.50m，平均 3.43m；直接頂板為粉砂巖，厚4.0m左右，老頂為中砂巖，厚12.0m；直接底板為粉砂巖，厚1.5m。該工作面采用上、下分層開采，全部冒落法管理采空區(qū)頂板。上分層回采時沒有鋪設(shè)鐵絲網(wǎng)等可形成人工假頂?shù)牟牧希参催M(jìn)行人工灑水幫助膠結(jié)，其直接頂板冒落后呈自然松散狀態(tài)，沒有形成人工假頂，給下分層開采造成較大困難。工作面上分層平均采高為1.9m，剩余煤厚為1.5m左右，工作面下分層剩余可采儲量為3.1萬t。

2）開采技術(shù)難點(diǎn)

經(jīng)分析預(yù)測，認(rèn)為3101工作面上分層開采完畢至今,已有20多年的時間跨度，采空區(qū)已非常穩(wěn)定，可排除動壓沖擊隱患。主要難題是如何有效支護(hù)自然松散狀態(tài)下的破碎頂板。在下分層回采巷道進(jìn)入后，果然發(fā)現(xiàn)上分層采空區(qū)冒落巖石基本上沒有膠結(jié)，處于松散自然狀態(tài)，給后繼開采帶來重大安全隱患。

1 頂板支護(hù)技術(shù)

1.1 頂板加固方案

如何加固松散巖石狀態(tài)頂板，是解決3101采煤工作面支護(hù)難題的關(guān)鍵所在。經(jīng)過反復(fù)研究，最終確定采用打鉆注漿加固形成人工假頂?shù)募夹g(shù)方案。

1）鉆孔設(shè)計

（1）在工作面上方送料道內(nèi)，每間隔40～45m施工一鉆機(jī)峒室，共計布置3個鉆機(jī)峒室。（2）為精確設(shè)計注漿擴(kuò)散區(qū)域，沿工作面傾斜方向劃分3個條帶，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ條帶，條帶寬15m。（3）按正常漿液擴(kuò)散半徑15m，均勻布置鉆孔，鉆孔開孔位置一律布置在工作面送料道。（4）鉆孔底部嚴(yán)格進(jìn)入上分層采空區(qū)內(nèi)。（5）在Ⅰ條帶內(nèi)呈扇形布置鉆孔9個，在Ⅱ條帶內(nèi)呈扇形布置鉆孔9個，在Ⅲ條帶內(nèi)呈扇形布置鉆孔6個。根據(jù)鉆孔進(jìn)漿情況于Ⅲ條帶內(nèi)補(bǔ)打3個檢查孔。（6）為確保注漿效果，鉆孔設(shè)計下入二級套管，一級套管Φ73mm，長3m，在煤層內(nèi)；二級套管Φ50mm，根據(jù)鉆孔深度必須下至采空區(qū)內(nèi)2～3m處。

2）注漿技術(shù)

在3101送料道內(nèi)安裝48.6mm供水管路160m，用于鉆進(jìn)及注漿供水。為實現(xiàn)連續(xù)注漿，設(shè)計制作2.0m3水箱1個，用于水泥制漿。選用425#普通硅酸鹽水泥，漿液設(shè)計比重為1.4～1.6t/m3，在采空區(qū)遇塌孔嚴(yán)重時，適當(dāng)減小漿液比重至1.2t/m3。鉆孔注漿期間，加強(qiáng)對工作面運(yùn)輸巷檢查，防止跑漿，在運(yùn)輸巷不跑漿情況下，采取連續(xù)注漿方式；運(yùn)輸巷發(fā)現(xiàn)有跑漿時，采用間歇方式進(jìn)行注漿，運(yùn)輸巷內(nèi)跑漿嚴(yán)重時，在孔口設(shè)置骨料添加器，進(jìn)行骨料（鋸沫）添加。

3）頂板支護(hù)設(shè)計

支護(hù)設(shè)計是實現(xiàn)安全開采的關(guān)鍵。結(jié)合現(xiàn)場實際，遵循減小機(jī)道寬度、縮小無支柱空間、超前控制、提高支強(qiáng)度、增加護(hù)密度的原則，研究設(shè)計了以下技術(shù)方案。

（1）支護(hù)設(shè)備及參數(shù)

根據(jù)工作面上分層開采礦壓觀測數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為其直接頂全部冒落后為松散巖石，老頂為15m厚中砂巖，推斷應(yīng)該形成“砌體巖梁”，具備力的傳遞條件，由此分析，工作面支護(hù)對象是上分層直接頂?shù)娜恳约袄享數(shù)挠邢拮饔?。?jīng)過對“采場頂板控制設(shè)計專家咨詢系統(tǒng)”咨詢，支護(hù)強(qiáng)度為0.38MPa。為盡量減小采煤機(jī)機(jī)道寬度，選用DY-150型采煤面，滾筒截深1.0m，機(jī)道寬度平均1.2m左右。工作面采用DZ16型單體液壓支柱配合HDJA-1000型金屬鉸接頂梁作為基本支護(hù)，確定支柱排距1.0m，柱距0.6m，支護(hù)強(qiáng)度0.42MPa＞0.38MPa。 工作面采用“3～4 排”控頂，最大控頂距4.5m，最小控頂距3.5m,頂梁端面距為0.3m。

（2）特殊支護(hù)

圖1 平面圖

圖2 剖面圖

考慮到注漿效果可能存在差異性，研究確定，已形成穩(wěn)定頂板的區(qū)域，采煤機(jī)割煤后，允許有一定的空頂時間，可以按平常采煤工藝進(jìn)行施工。對注漿未達(dá)到預(yù)期效果，頂板仍處于自然松散狀態(tài)的區(qū)域，則設(shè)計了特殊支護(hù)安全措施，采用插入厚壁鋼管的方法超前控制頂板。具體方法為：采煤機(jī)割煤前，在工作面每兩棵相鄰支柱中間，靠近頂板處垂直煤壁用煤電鉆打眼，眼垂深1.2m，在眼中安設(shè)Φ38mm，長1.3m厚壁鋼管，其后部插入π型鋼梁（前部經(jīng)過機(jī)械加工處理）將其固定，π型鋼梁長3.2m，一梁3柱。具體工序順序為，采煤機(jī)割煤前打眼安入厚壁鋼管，前移π型鋼梁插入鋼管內(nèi)，鋼梁下支設(shè)支柱，柱距1.0m。采煤機(jī)沿頂向上割煤，隨后掛設(shè)聚丙烯編織網(wǎng)，以增加護(hù)頂密度。由于厚壁鋼管超前控制了頂板，采煤機(jī)割煤后仍有0.2m在煤體中,保證了頂板不會發(fā)生冒落。見圖1、圖2。

2 開采效果

采取以上頂板支護(hù)措施后，順利完成了對該工作面的正規(guī)開采。經(jīng)開采發(fā)現(xiàn)注漿效果明顯，90%的頂板顯現(xiàn)出注漿加固后的整體穩(wěn)定性，一般可采取平常采煤工藝及工序，頂板支護(hù)效果較好。但在開采過程中，也發(fā)現(xiàn)局部頂板漿液未能覆蓋，仍處于原始松散狀態(tài)，出現(xiàn)過局部機(jī)道范圍內(nèi)的高冒現(xiàn)象，但其空間一般不超過長×寬×高=0.4×0.3×0.3m3，顯示了頂板支護(hù)設(shè)計方案的安全可靠性。由于采取了具有針對性的注漿加固、特殊支護(hù)等有效手段，確保了開采順利進(jìn)行，該工作面開采歷時49天，安全采出煤炭3.0萬t。

3 結(jié)論

注漿加固技術(shù)對松散型頂板效果顯著，比較適應(yīng)裂隙發(fā)育、嚴(yán)重影響安全開采頂板的超前加固。鉆孔布置及注漿方案是關(guān)鍵技術(shù)，直接影響水泥漿液對頂板的加固效果，需要結(jié)合實際具體分析、科學(xué)計算。特殊頂板條件下開采成功，可作為實踐經(jīng)驗來借鑒，對于類似松散巖石狀態(tài)頂板支護(hù)技術(shù)的發(fā)展具有一定意義。