近距離煤層破碎頂板下綜采技術(shù)研究

周擁軍

[摘 要]針對許疃煤礦7225工作面回采過程中受上部近距離71煤回采后造成的頂板破碎的技術(shù)難題，通過分析采用綜采的可行性及影響工作面安全高效開采的主要技術(shù)因素，選用了合適的液壓支架，提出了相應的破碎頂板加固方案及注漿參數(shù)，保障了7225工作面的順利回采。

[關(guān)鍵詞]近距離；頂板破碎；液壓支架；頂板加固

中圖分類號：TD823.81 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）07-0253-02

1、前言

對于層間距較小的煤層群（組）開采，上分層的煤層回采后，將破壞圍巖原巖應力分布狀態(tài)，引起圍巖應力重新分布，不僅對煤層群（組）上覆巖層產(chǎn)生破壞，而且應力影響范圍還將向底板深部傳遞，引起下部煤層頂板破碎，造成采煤工作面煤壁片幫、局部冒頂，液壓支架移架困難甚至被壓架等事故。

許疃煤礦中煤組主采71、72、82三層煤，71、72煤層間距平均為13m，72、82煤層間距平均為19m，特別是71、72煤層，呈分叉合并關(guān)系，總體上是淺部分叉，深部合并，兩層煤的層間距變化較大，從幾米很快就變?yōu)榱泓c幾米，且分叉合并線非常不規(guī)則，有時一個工作面會出現(xiàn)兩頭分叉、中間合并的情況，煤層的厚度差異很大，給回采工藝的選擇造成很大的困難。71煤平均厚度1.8m，72煤平均厚度2.6m，中間夾矸從0到2.5m不等。對71、72煤層合并區(qū)，即夾矸厚度在1m以下的，現(xiàn)采用一次采全高工藝，而對夾矸較厚區(qū)域，一次采全高支架不能適應，必需分層的情況下如何確保72煤的安全高效開采是礦井面臨的難題。

2、工作面概況

7225工作面位于82采區(qū)南翼三階段，東鄰7127工作面（已回采），南到7218工作面（尚未準備），西到81采區(qū)南大巷保安煤柱，北到82采區(qū)大巷保護煤柱。工作面里段400m上部為7118采空區(qū)。

該工作面72煤層屬二迭系下統(tǒng)下石盒子組，厚度1.70～2.50m，平均2.40m，賦存穩(wěn)定；與上部71煤層層間距在0.8～9.3m之間，平均5.0m，與下部82煤層層間距在14.35～16.20m之間，平均15.15m。煤層內(nèi)生裂隙較發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)復雜。煤層傾角8°～16°，平均10°，煤層埋深-452.9m～-485.6m。工作面頂?shù)装迩闆r見表1。

3、工作面回采技術(shù)分析

（1）采煤方法分析

①、煤層賦存條件

7225工作面的72煤平均2.4m，工作面走向長474m，工作面長121m，工作面煤層傾角8°～16°，平均10°，煤層埋深-452.9m～-485.6m。煤層賦存具備綜采條件。

②、煤層頂?shù)装鍡l件

根據(jù)72煤生產(chǎn)實踐，許疃礦7225工作面最主要的問題是頂板比較破碎，煤質(zhì)比較松軟，頂板不容易管理，容易出現(xiàn)漏冒頂事故，但有針對性地選用合適的支架架型和采用有效的頂板管理技術(shù)，完全可以充分發(fā)揮綜合機械化的優(yōu)勢，實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

（2）工作面安全高效開采因素分析

①、根據(jù)機風巷掘進過程中實際揭露情況來看，工作面內(nèi)斷層構(gòu)造較復雜，小斷層較多，由于煤層厚度變化較大，受斷層影響，影響工作面正常推進。且由于斷層附近壓力增大，巖石破碎，煤層厚度和傾角會發(fā)生變化，頂板更加破碎，支護困難。

②、工作面上部7118工作面回采時，破底較多，人為將工作面層間距變薄，受采動及水的影響，72煤頂板巖體強度和承載力降低， 導致在工作面回采過程中工作面頂板破碎、整體性差。

③、針對近距離煤層破碎頂板特點，合理選用綜采液壓支架，是防治工作面煤壁片幫、漏頂?shù)囊豁椉夹g(shù)難題。

4、工作面液壓支架選型

液壓支架的選型及結(jié)構(gòu)的確定既要考慮工作面頂?shù)装鍘r性.又要考慮煤巖的賦存條件。如煤層傾角、煤層厚度及變化、煤層普氏系數(shù)、頂板的跨落步距等。同時考慮回采時易發(fā)生片幫、冒頂和支架下陷現(xiàn)象。

7225工作面處在71煤和72煤的分岔區(qū)，由于71煤的開采對底板破壞的影響，使得開采72煤時頂板及其破碎，并且斷層構(gòu)造比較發(fā)育，嚴重影響了72煤層的回采，直接頂?shù)装鍨槟鄮r，煤體也松散，屬于典型的頂板破碎的“三軟”工作面。

在“三軟”煤層綜采工作面，通過及時支護，帶壓移架， 依靠支架提供足夠的工作阻力和初撐力，保持架上直接頂?shù)耐暾惶崆笆Х€(wěn)，且盡可能早地主動承擔礦山壓力，從而減輕煤壁承受的礦壓，以保持煤體和煤壁的穩(wěn)定，避免片幫冒頂。要實現(xiàn)直接頂完整，頂梁的調(diào)平是前提。

三軟煤層頂板壓力反映強烈，液壓支架要有足夠的工作阻力。但初撐力不宜過大，因為支架反復支撐煤頂，煤頂易破碎，造成冒頂。

7225工作面直接頂強度較低，隨采隨落。要防止放煤過程中出現(xiàn)大量矸石現(xiàn)象；底板巖性強度較低，底板浮煤較多，液壓支架容易出現(xiàn)插底現(xiàn)象，在底座前端設置抬底裝置，當出現(xiàn)插底時利用抬底座千斤頂，使支架拉移后被抬起。

通過對比，宜選用四柱支撐掩護式支架。它將有利于破碎及松軟頂板情況下的頂梁調(diào)平，維護頂板、防止架前片冒。

通過計算及校驗，7225綜采工作面選用ZZ7600/20/40掩護式液壓支架，額定初撐力6970kN，額定工作阻力7600kN，額定支護強度0.97～1.03Mpa，支架支撐高度2.0～4.0m，支護寬度1.43m～1.6m，底座前端比壓1.8Mpa～3.2Mpa。

5、近距離煤層破碎頂板注漿加固

破碎頂板允許暴露的時間較短，暴露面積小，如得不到及時支護易發(fā)生漏頂事故，如得不到及時有效地控制，漏頂范圍越來越大，造成較大的冒頂事故，為了防止破碎頂板發(fā)生漏跨型災害，必須在局部發(fā)生以前就要妥善地控制住頂板，使其不形成薄弱環(huán)節(jié)或者在發(fā)生局部漏頂以后及時加以封堵，加強支護、限制局部漏頂?shù)拿娣e進一步擴大。

超前預注漿固化是一種改善圍巖結(jié)構(gòu)，提高圍巖整體性和自承能力、降低支護成本、提高支護效果的有效方法，利用漿液把圍巖的各種弱面充實、重新膠結(jié)起來，改善圍巖的物理力學性能，從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性。

7225綜采工作面頂板注漿方案：

（1）鉆孔布置

在7225風巷，沿工作面傾向在距離7225切眼100m和120m處布置兩個鉆場。

1#鉆場布置在100m處，打9個鉆孔， 1#～5#鉆孔距頂板0.5m，孔深80m，每個鉆孔之間間隔1.0m，6#～9#鉆孔距頂板0.8m，孔深40m，每個孔之間間隔2.0m。

2#鉆場布置在120m處，打8個鉆孔， 1#～5#鉆孔距頂板0.5m，孔深80m，每個鉆孔之間間隔1.0m，6#～8#鉆孔距頂板0.8m，孔深40m，每個孔之間間隔2.0m。

1#鉆孔方位垂直機、風巷；1#～5#鉆孔相鄰間的夾角均為14°，終孔間距20m；各鉆孔參數(shù)可根據(jù)煤層傾角變化適當調(diào)整角度；鉆孔打到72煤層時，必須停止該鉆孔施工。

（2）注漿參數(shù)

注漿材料選用水泥、水玻璃混合漿液。

①、水灰比

綜合考慮井下施工條件和材料消耗等因素水灰比（0.75～1：1）及水泥、水玻璃比（20～1），確保注漿質(zhì)量。

②、滲透半徑

滲透半徑是確定加固區(qū)內(nèi)注漿孔間距及數(shù)量的依據(jù)。滲透半徑可根據(jù)現(xiàn)場試驗確定，也可由下式估算。

式中 R —漿液擴散半徑，cm；

Pc —注漿孔內(nèi)壓力，Pa；

P0 —受注裂縫內(nèi)地下水壓力，Pa；

T —注漿時間，s；

b —裂縫寬度（開度），單位；

rc —注漿孔半徑，cm；

μ —漿液粘度，MPa·s

③、注漿壓力

一般加固煤體和破碎頂板時的注漿壓力為1～3Mpa。本工作面施工時嚴格控制注漿壓力，開泵進行控制注漿，開始控制在0.8～1Mpa，注漿最大壓力為2Mpa。

④、注漿量。

漿液的注入量受到很多因素的影響， 如注漿壓力、時間、煤巖體裂隙的發(fā)育程度及破碎狀況、滲透性等， 還有注漿過程中注液的跑漏情況。原則上注漿量的多少總體上應保證加固區(qū)域圍巖的良好注固效果，每個注漿孔的注漿量可用下式進行估算。

Q=ALπRηβ

式中 Q —每個孔的漿液注入量，l；

A —漿液消耗系數(shù)（取1.2～1.5）；

L —鉆孔長度方向加固區(qū)長度，m；

η —巖石的裂隙率（1～10% ）

⑤、封孔長度

封孔的長度，不僅要能承受注漿孔內(nèi)漿液的外沖壓力，而且還要盡可能防止孔內(nèi)漿液沿封孔段圍巖外滲流失。因此確定封孔長度除了要考慮阻止孔內(nèi)漿液的壓力外， 還要考慮煤巖松塌區(qū)的大小。一般封孔長度不小于孔長的1/3。

6、效果及結(jié)論

（1）針對7225工作面地質(zhì)條件，分析了采用綜合機械化采煤的可行性，并且分析了影響工作面安全高效開采的主要技術(shù)因素；

（2）針對7225工作面地質(zhì)條件，選用了合適的液壓支架，經(jīng)回采實踐表明，該支架適應工作面煤層及煤層頂?shù)装鍡l件；

（3）針對7225工作面地質(zhì)條件，提出了相應的破碎頂板加固方案，設計了注漿參數(shù)。注漿工藝簡單，成本低，為破碎頂板工作面安全高效開采提供了保障；

（4）7225工作面自回采以來，生產(chǎn)過程中未出現(xiàn)嚴重的煤壁片幫和漏矸現(xiàn)象，并且工作面月進最高150m，月產(chǎn)量最高將近10萬t。現(xiàn)場實踐表明，7225工作面采煤方法選擇正確、液壓支架選型合理，破碎頂板加固方案可行，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。