軟煤層綜采工作面冒頂事故的防治

李建平

(山西焦煤集團 介休正益煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032099)

根據(jù)煤礦綜采面的相關(guān)數(shù)據(jù)，隨著煤礦向下開采深度的增加，地質(zhì)條件變得越來越復(fù)雜，復(fù)合頂板、軟煤層、斷層等情況層出不窮。大型煤礦開采區(qū)常常會遇到軟煤層，其塑性變形、流變性、膨脹性等特征增加了支護的難度。支護系統(tǒng)剛性的逐漸下降和復(fù)合頂板的支護設(shè)計容易在綜采工作面形成大范圍冒頂事故。相關(guān)學(xué)者針對綜采工作面冒頂事故從巖體受力角度進行了分析，得出煤壁內(nèi)部受壓會不斷增加的結(jié)論[1]；從拉移支架的角度入手，形成了比較成熟的處理小范圍冒頂事故的探板處理法；從增強巖體硬度的角度，提出了化學(xué)注漿加固法[2]. 在此基礎(chǔ)上，本研究以龐龐塔礦為例，針對5-108軟煤層綜采工作面大范圍冒頂事故問題，提出了采用新型馬麗散、羅克休化學(xué)法提升煤柱穩(wěn)定性的方案。

1 工作面概況

龐龐塔礦的5#煤層為主采煤層，厚度6.19 m，煤層頂?shù)装鍘r石賦存情況見表1. 5-108綜放工作面走向長1 300 m，采高為2.7 m，放頂煤高度為3.4 m，采放比1∶1.21，傾角平均15°，傾斜長236.5 m. 工作面地質(zhì)條件比較復(fù)雜，工作面掘進過程中遇到多個斷層，落差平均為2.4 m，直接頂是泥質(zhì)砂巖，堅硬程度差；偽頂為細砂巖，流變性強，變形大。工作面采用走向長壁采煤法，使用液壓支架159架，MGTY250/600采煤機1套，并配帶有乳化液泵、破碎機和輸送機，按照“切眼進刀—割煤—移架—推移輸送機”的工藝推進。5#煤層頂?shù)装鍘r石賦存情況見表1.

表1 龐龐塔礦5#煤層頂?shù)装鍘r石賦存情況表

2 工作面冒頂事故成因分析

受地質(zhì)條件和回采的影響，當從切眼向內(nèi)推進時，一旦出現(xiàn)基本頂斷裂現(xiàn)象，就會引發(fā)周期性折斷，裸露在梁端距前的頂板也會因為支護不足而漏頂。當工作面出現(xiàn)淋水時，煤巖抗壓強度降低，頂板離層，移架困難，造成片幫、冒頂。當移架工作跟不上采煤機速度時，便會增大頂板空頂面積，改變工作面原有受力結(jié)構(gòu)，打破頂板壓力的平衡狀態(tài)。這些因素是軟煤層綜采工作面出現(xiàn)冒頂事故的主要原因。在5-108工作面推進100 m后，由于周期性來壓及頂板煤質(zhì)較差等因素，30#—50#支架，80#—90#支架附近頂板接連出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。

3 冒頂事故的防治方案

針對5-108工作面頂板軟煤層冒頂現(xiàn)象，提出了綜采工作面冒頂事故的防治方案。按照冒頂防治的位置不同，可以將防治方案大致分為3種：

1) 采用傳統(tǒng)拉移支架的方法處理頂板冒頂[3]. 當工作面出現(xiàn)頂板冒落時，第一時間對頂板進行控制，使用探板從兩端向中間進行處理。a) 將液壓支架向前推進，根據(jù)冒頂?shù)姆秶托螤畲_定具體的處理步驟。b) 借助單體柱將1.5 m背板向冒頂方向推進，將頂背實。c) 將支架的前梁降低，使用板梁穿過支架前梁將頂背實，并將前梁升至初始位置，拉移支架法的處理效果見圖1. 這種方法優(yōu)點是速度快、過程簡單，但不能夠改變巖體的受力，無法保持長時間的穩(wěn)定，會影響回采工作的順利進行。

圖1 拉移支架法處理效果圖

2) 采用打撞楔法防治煤壁片幫冒落[4]. 在綜采工作面向前推進中，煤壁出現(xiàn)冒落，煤矸石沿著煤壁向下流出，形成冒頂。面對此類冒頂，先將長為2.0 m、d20 mm的圓鋼撞楔打入煤壁，采用板皮進行護頂，而后平行于煤壁方向做出“一梁三柱托棚”支架，用撞楔法進行支棚，將巖石托住，避免發(fā)生冒落。當冒落面積較大并出現(xiàn)空頂時，在高于液壓支架頂梁的位置進行板皮支護，支架上至少搭起兩根梁，梁間距在0.50 m之內(nèi)，其支護效果圖見圖2. 這種支護的缺點為其穩(wěn)定性會隨著時間的推移而降低。

圖2 片幫冒頂且空頂?shù)姆乐涡Ч麍D

3) 采用化學(xué)注漿法加固煤巖體[5]. 新型馬麗散、羅克休化學(xué)漿增強了自身的發(fā)泡膨脹效果，能夠沿著巖體的細裂縫深入巖體10 m以上。這種化學(xué)漿能夠?qū)⑺缮ⅰ⑵扑榈膸r體膠結(jié)在一起，改變巖體的原有結(jié)構(gòu)，使其相互作用，形成一個穩(wěn)定體。加固巖體對頂板、煤壁片幫的冒落都有極大的作用，還能夠較好地控制巖體的變形。雖然這種方法成本比較高，但能夠較好的處理軟煤層冒頂問題。因此，針對大型煤礦的綜采工作面冒頂事故應(yīng)采用化學(xué)注漿加固法，以增強工作面的安全性。

4 化學(xué)注漿加固工藝及實施方案

鑒于軟煤層巖體的復(fù)雜性，采用化學(xué)注漿加固實施方案，一次性處理好冒落事故，避免影響回采工作。5-108綜采工作面采用馬麗散材料并融合3種聚亞膠脂成分，加快其黏合速度，增強了滲入細小裂縫的能力，試驗結(jié)果表現(xiàn)出堅固、抗壓、抗彎特性，足以承受軟煤層的礦壓。

1) 采用煤幫和頂板聯(lián)合鉆孔的方式，為注漿提供全面滲透巖體的注眼分布結(jié)構(gòu)。煤幫眼的深度在6 m以上，煤層頂板的鉆孔深度在4.5 m，注漿眼的鉆孔時間按照施工進度交錯進行，鉆孔之間的距離保持在3～4 m. 鉆孔的位置、時間以及布置結(jié)構(gòu)將影響化學(xué)漿液在軟巖體的滲透情況，眼間距不可過大，鉆孔的深度不可低于4 m，否則將會降低巖體穩(wěn)定性。5-108綜采工作面注漿孔布置見圖3.

圖3 5-108綜采工作面注漿孔布置圖

2) 選擇注漿管。比較粗放的填充方式是將羅克休進行大塊填充，填充至幾乎充滿整個冒落范圍，而后將馬麗散沿著羅克休邊緣灌注，讓注漿液不斷滲入巖體，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但這種方式無法確定巖體穩(wěn)定體的范圍。采用直徑小于鉆孔直徑的鋼管和袋式封孔方式將化學(xué)漿液壓入巖體細縫，并快速封孔，保證了注漿效果的最優(yōu)化。其注漿管和封孔袋結(jié)構(gòu)見圖4.

圖4 注漿管與袋式封孔結(jié)構(gòu)圖

3) 實施注漿加固巖體工藝。鉆孔、注漿管、漿液都需要進行施工前的質(zhì)檢，通過驗收后再進入施工場地。在施工中，探煤鉆和錨索鉆共同鉆出，孔d5 mm、長度4.5 m以上，角度根據(jù)實際情況進行調(diào)整；液壓控制在5 MPa水平，采用氣動雙液QB-12型注漿泵，為化學(xué)漿液的注入提供足夠的動力；待注漿完成，采用布袋式封孔方式進行封孔。工作面注漿效果圖見圖5，圖中白色為漿液固化后狀態(tài)。通過注漿5-108工作面在推進過程中冒頂、片幫得到了有效控制，為工作面安全生產(chǎn)提供了保障。

圖5 5-108工作面注漿效果圖

5 化學(xué)注漿加固法實施的注意事項

軟煤層綜放工作面采高為2.7 m，屬于大型工作面，對頂板的支撐力要求比較高。因此，在化學(xué)注漿加固的過程中，不僅要注意施工安全，還要確保施工質(zhì)量，將煤壁片幫、頂板冒落的事故可能性降低到最小。

1) 采用液壓支架進行前梁支護，及時為加固巖體提供有效支撐，一方面控制頂板的冒落范圍，另一方面為化學(xué)注漿加固巖體提供安全操作時間。在施工中，確保一人觀頂、一人找頂，避免各種意外事故。

2) 工作人員身著膠手套、眼鏡和工服，在注漿孔3 m范圍內(nèi)進行隔離，不許非工作人員入內(nèi)。在注漿過程中，如發(fā)現(xiàn)支架頂梁、煤壁片幫、注漿壓力值突增等意外情況，所有人員迅速撤離。如不慎將化學(xué)漿液滴落在皮膚、眼睛時，及時用大量清水沖洗，而后送往醫(yī)院進行觀察。

3) 在施工結(jié)束后，還需要通過相關(guān)設(shè)備進行持續(xù)性的數(shù)據(jù)監(jiān)測，并對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)下的巖體進行鉆孔監(jiān)測，觀察注漿體的深度和效果，對冒頂范圍的分離部位進行重點監(jiān)測，觀察是否存在離層現(xiàn)象。

4) 通過冒頂區(qū)域后，在此區(qū)域內(nèi)對頂板、煤壁進行長期、周期性變形監(jiān)測，按照應(yīng)力變化基本原理對變形規(guī)律進行預(yù)測，為回采工作提供真實、有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

6 結(jié) 語

在5-108綜采工作面實施的化學(xué)注漿加固煤巖體防治冒頂事故是有效的。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，冒頂區(qū)的頂板沒有出現(xiàn)明顯變形，巖體加固深度在4.5 m以上，具有良好的穩(wěn)定性。事實證明，化學(xué)注漿加固巖體的防治方法比物理拉移支架方式更有效，尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜，存在軟煤層的情況下。雖然此次注漿巖體耗費了60.32 t化學(xué)注漿液，成本高，但能夠確保在后續(xù)的開采和回采中為施工提供安全環(huán)境，避免出現(xiàn)意外事故。因此，本文所述的新型化學(xué)注漿液加固巖體的防治技術(shù)是值得在特殊地質(zhì)條件下使用和推廣的，對提升工作面的安全有著積極作用，是防治冒頂事故的新方向。

參 考 文 獻

[1] 趙 鵬.松軟破碎煤層大采高綜采工作面片幫冒頂防治[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟,2014(9):201-202.

[2] 劉前進,于海盠,王東攀.大采高大坡度仰采工作面冒頂原因及防治[J].煤炭技術(shù),2015,34(4):51-53.

[3] 許傳峰.大采高綜采工作面采高合理性研究及煤壁片幫防治[J].煤礦安全,2013,44(6):214-216.

[4] 劉振明.大采高仰采工作面冒頂壓架治理技術(shù)[J].煤炭技術(shù),2016,25(11):250-252.

[5] 徐先勝.大采高大角度仰采工作面煤壁片幫防治技術(shù)[J].陜西煤炭,2013,32(1):68-70.