淺埋深薄基巖煤層連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采頂板管理技術(shù)研究

杜 濤

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西省太原市，030006)

隨著連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采技術(shù)在晉陜蒙礦區(qū)特別是神府煤田的廣泛應(yīng)用，其在礦井邊角煤開(kāi)采、殘留煤柱開(kāi)采等方面顯現(xiàn)了極大的優(yōu)勢(shì)，有效地提高了礦井回采率。淺埋深薄基巖是該地區(qū)煤層賦存的普遍特征，作為工作面安全高效生產(chǎn)工作的重中之重，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該地區(qū)礦井開(kāi)采工作面的頂板管理做了大量研究。吳寶楊[1]通過(guò)總結(jié)分析，認(rèn)為淺埋薄基巖煤層回采過(guò)程中煤層上覆頂板運(yùn)移規(guī)律主要表現(xiàn)在頂板破斷具有突然性和貫通性；趙帥等[2]以烏蘭木倫煤礦塊段式短壁工作面為研究背景,對(duì)神東礦區(qū)連續(xù)采煤機(jī)塊段式開(kāi)采工藝中保護(hù)煤柱尺寸及破壞規(guī)律進(jìn)行研究,得出了不同種類煤柱的合理尺寸；王世棟[3]針對(duì)榆家梁煤礦薄基巖厚表土層的賦存特點(diǎn)，提出工藝極限回采面積與應(yīng)力極限回采面積的概念，對(duì)頂板采用全垮落控制模式以實(shí)現(xiàn)頂板安全管理。目前相關(guān)研究多局限于單一工作面條件下的頂板管理技術(shù)應(yīng)用，筆者通過(guò)對(duì)不同頂板管理技術(shù)的系統(tǒng)分析，探討了相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，并以張家峁煤礦5-2號(hào)煤層工作面為例進(jìn)行應(yīng)用探討，以期為煤礦現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)安全提供一些借鑒。

1 煤柱支護(hù)

連續(xù)采煤機(jī)在淺埋深薄基巖煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，通過(guò)留設(shè)不同功能的煤柱，對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，通過(guò)采硐間、支巷間、支巷口及塊段保護(hù)煤柱自身的穩(wěn)定屈服,從而緩解或消除淺埋煤層薄基巖頂板破斷時(shí)大面積來(lái)壓所產(chǎn)生的動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題以控制頂板，確保連采工作面的安全，同時(shí)最大程度提高煤炭回收率。

對(duì)于淺埋深煤層薄基巖煤層來(lái)講，頂板管理重點(diǎn)在于作為關(guān)鍵層的薄基巖頂板的穩(wěn)定。在保證“薄基巖-煤柱屈服”系統(tǒng)[4]的安全性基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析支巷布置方式、回采順序、支巷寬度，以增加塊段開(kāi)采面積和煤炭回收率為目標(biāo)，確定煤柱留設(shè)的種類、數(shù)量及煤柱寬度等參數(shù)。常見(jiàn)的煤柱留設(shè)方式如圖1所示，在每個(gè)采硐間留設(shè)一定寬度的小煤柱，對(duì)連續(xù)采煤機(jī)采硐回采時(shí)頂板起到一定支撐作用或頂板來(lái)壓預(yù)警作用；支巷回采完畢后在支巷口留設(shè)煤柱以避免支巷回采區(qū)域頂板突然垮落造成的危害；塊段內(nèi)支巷回采完成后留設(shè)塊段保護(hù)煤柱以控制塊段懸頂面積避免大面積垮塌對(duì)鄰近工作面形成的沖擊，同時(shí)有利于煤層自然發(fā)火的控制。

圖1 煤柱支護(hù)示意

2 人工強(qiáng)制放頂

淺埋深薄基巖煤層頂板大多整體性較好，節(jié)理裂隙不太發(fā)育。連續(xù)采煤機(jī)回采過(guò)程中，頂板很難做到隨采隨冒，容易形成大面積懸頂。當(dāng)懸頂達(dá)到一定面積后，工作面頂板形成強(qiáng)礦壓區(qū)，極易突然垮落而形成颶風(fēng)沖擊，給生產(chǎn)和人員安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。通過(guò)強(qiáng)制放頂減弱頂板應(yīng)力集中程度，增加頂板巖層內(nèi)的裂隙數(shù)量、長(zhǎng)度和深度，實(shí)現(xiàn)頂板小步距自然垮落，以保證工作面的安全。

2.1 加強(qiáng)支護(hù)切頂

通過(guò)采用履帶行走式液壓支架，對(duì)回采采硐口進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)[5]，采用2臺(tái)行走支架作為一組，實(shí)現(xiàn)帶壓邁步式擦頂移架控制頂板，從而實(shí)現(xiàn)工作面頂板隨采隨冒，避免形成大面積懸頂，如圖2所示。在頂板比較堅(jiān)硬不能及時(shí)垮落的情況下，可以采用頂板預(yù)裂等方式對(duì)頂板進(jìn)行處理，以保證懸頂及時(shí)垮落。

2.2 爆破卸壓

該方法通過(guò)爆破對(duì)已形成強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)的頂板進(jìn)行人工干預(yù)，從而減緩其應(yīng)力集中程度的一種解危措施。通過(guò)爆破使得頂板的彈性模量減小，強(qiáng)度降低，力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化[6]，以增加頂板內(nèi)裂隙的長(zhǎng)度和密度，使頂板能夠局部小面積垮落，防止強(qiáng)礦壓的發(fā)生。爆破卸壓后頂板垮落如圖3所示。

爆破卸壓的應(yīng)用重點(diǎn)在于確定頂板的極限垮落面積，在懸頂面積達(dá)到極限垮落面積之前施行爆破，不僅能有效避免頂板大面積垮落，也能夠最大程度減少爆破次數(shù)，提高爆破有效率。

圖2 履帶式行走支架支護(hù)切頂

2.3 水力預(yù)裂

在堅(jiān)硬頂板內(nèi)鉆孔進(jìn)行(定向)水力致裂，產(chǎn)生水壓主裂縫和翼型分支裂紋，利用其對(duì)頂板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，形成有利于頂板斷裂垮落的弱面；同時(shí)，頂板巖層吸水濕潤(rùn)軟化[7-8]。基于頂板的結(jié)構(gòu)改造和濕潤(rùn)軟化，在礦山壓力作用下，頂板及時(shí)充分冒落。

水力預(yù)裂實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常采用高壓泵站連接封孔器對(duì)預(yù)裂孔進(jìn)行注水，并保持一定壓力和時(shí)間來(lái)完成。通過(guò)持續(xù)高壓注水，促進(jìn)水力致裂裂縫擴(kuò)展至巖體表面，從而形成預(yù)裂裂縫、裂隙，并進(jìn)一步誘使頂板及時(shí)垮落,如圖4所示。

圖3 爆破卸壓后頂板垮落

圖4 注水后頂板裂隙導(dǎo)通產(chǎn)生新的裂隙

3 連續(xù)采煤機(jī)充填開(kāi)采

充填開(kāi)采技術(shù)是目前煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)的重要組成部分，其對(duì)巖層擾動(dòng)小，具有控制巖層移動(dòng)和地表沉陷的作用，是解決煤礦開(kāi)采環(huán)境問(wèn)題和“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)壓煤?jiǎn)栴}的有效途徑[9-10]。我國(guó)目前煤礦充填技術(shù)按照充填介質(zhì)主要分為干式充填、膏體充填和超高水材料充填等。

連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采技術(shù)具有掘進(jìn)速度快、設(shè)備移動(dòng)靈活、占用空間小的特點(diǎn)。該技術(shù)在工藝和設(shè)備運(yùn)行空間方面都可滿足充填開(kāi)采的技術(shù)要求，與充填技術(shù)相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)采充平行作業(yè)，充填和回采相互間不受影響，可最大限度地發(fā)揮出連采技術(shù)與充填技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在提高開(kāi)采效率、保證充填效果的同時(shí)，有效控制地表下沉和巖層移動(dòng)。

根據(jù)連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采的技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)礦井地表建筑物保護(hù)要求和礦井開(kāi)采實(shí)際，充填開(kāi)采方案主要考慮有2種采充方案。

(1)方案Ⅰ： 先采后充，邊采邊充，部分充填，如圖5所示。

(2)方案Ⅱ： 先采后充，邊采邊充，全部充填，如圖6所示。

圖5 部分充填開(kāi)采工藝

圖6 全部充填開(kāi)采工藝

4 工程應(yīng)用

4.1 工程背景

張家峁煤礦地處陜北神府礦區(qū)，為有效回收開(kāi)采殘留區(qū)域的邊角煤塊段，設(shè)計(jì)采用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行回采。5-2煤層殘采區(qū)段位于5203綜采面與采區(qū)大巷之間，該塊段煤層賦存穩(wěn)定，煤層埋深57.4～156.5 m，煤層傾角較小1°～2°，為近水平煤層，煤層厚度5.2～6.0 m，平均厚度5.5 m，變化幅度較小，煤層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，僅局部煤層底部含1層夾矸，厚度0.1～0.3 m，巖性為粉砂巖。煤層老頂為淺灰色粉砂巖，厚度20.27 m；直接頂為泥巖，厚度13.08 m，團(tuán)塊狀，上部淺灰色、底部深灰色、中夾薄層粉砂巖；直接底板為灰黑色、團(tuán)塊狀的粉砂巖，含植物化石碎片，厚度0.4 m。底板巖石抗壓強(qiáng)度平均26.37 MPa，屬不穩(wěn)定～較穩(wěn)定型(Ⅰ～Ⅱ)。5-2煤層自然發(fā)火期35 d，屬自燃煤層。煤塵爆炸性指數(shù)為33.35%，具有一定的爆炸危險(xiǎn)性。本殘采區(qū)段內(nèi)涌水量較小，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，基本對(duì)生產(chǎn)沒(méi)有影響。

4.2 開(kāi)采工藝

在殘采區(qū)段中部布置主運(yùn)巷和輔運(yùn)巷，將區(qū)段劃分為2個(gè)采區(qū)。第一采區(qū)在輔運(yùn)巷法線方向布置支巷進(jìn)行回采，第二采區(qū)先在區(qū)段中部布置塊段主輔運(yùn)巷道，然后在主輔運(yùn)巷道兩側(cè)再布置支巷進(jìn)行回采。支巷長(zhǎng)度以不超過(guò)80 m為準(zhǔn)，采區(qū)邊界布置回風(fēng)通道與各支巷相貫通并與主輔運(yùn)巷道相接，確保在回采過(guò)程中能夠形成全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)。支巷掘進(jìn)時(shí)采用局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行壓入式供風(fēng)。工作面布置如圖7所示。工作面配套設(shè)備為連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行割煤、防爆鏟運(yùn)機(jī)裝煤、帶式輸送機(jī)運(yùn)煤。工作面回采時(shí)先完成支巷掘進(jìn)及回風(fēng)通道布置，按照第一采區(qū)、第二采區(qū)、第二采區(qū)左右兩側(cè)交叉回采的順序以后退式開(kāi)采方式進(jìn)行開(kāi)采。

圖7 工作面巷道布置

4.3 頂板管理技術(shù)

根據(jù)前述分析，結(jié)合該區(qū)段頂板完整性較好、回采過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨采隨冒、容易形成大面積懸頂?shù)牡刭|(zhì)特征，采用留設(shè)功能性煤柱與階段性強(qiáng)制放頂結(jié)合的方法管理頂板。

4.3.1 功能性煤柱的留設(shè)

(1)采硐間煤柱。在采硐之間留設(shè)0.5～1.0 m寬的小煤柱，一方面對(duì)連續(xù)采煤機(jī)采硐回采時(shí)頂板起到一定支撐作用或頂板來(lái)壓預(yù)警作用；另一方面有利于連續(xù)采煤機(jī)鏟板機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝煤，提高回采率，減少采空區(qū)遺煤。

(2)支巷口煤柱。支巷回采完畢后在支巷口留設(shè)煤柱，煤柱寬度5.0 m，以避免支巷回采區(qū)域頂板突然垮落造成危害。另外，為提高回收率，采區(qū)支巷回采完畢后，在強(qiáng)制放頂前對(duì)支巷口煤柱布置采硐回采，回采時(shí)為保證安全，采硐間煤柱寬度不小于1.0 m。

4.3.2 階段性強(qiáng)制放頂

根據(jù)前期本煤層綜采工作面回采期間頂板來(lái)壓規(guī)律及巷道頂板離層儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，工作面回采極限垮落面積約為8000 m2。考慮到本殘采區(qū)段每條支巷的長(zhǎng)度約為80 m，為確保安全回采，每回采4條支巷(采空區(qū)面積約7500 m2)后如若頂板未垮落即進(jìn)行強(qiáng)制放頂，采用水力預(yù)裂的方式對(duì)頂板進(jìn)行處理，從而誘導(dǎo)頂板垮落。

(1)水力預(yù)裂方案。支巷回采完畢后在支巷口和對(duì)應(yīng)聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)沿巷道中心線布置預(yù)裂孔，布置方式為平行布孔7個(gè)，扇形布孔5個(gè)，如圖8所示。其中平行布孔傾角30°，扇形排布的孔傾角為45°，鉆孔深度20 m，孔徑32 mm。采用單孔多次壓裂法按序?qū)︺@孔進(jìn)行壓裂。

圖8 水力預(yù)裂鉆孔布置

(2)方案實(shí)施。采用3ZSB-158/20型加壓泵站配套60 MPa耐高壓膠管和封孔器進(jìn)行注水，壓裂次數(shù)根據(jù)頂板變化情況確定，單孔壓裂次數(shù)為5次，封孔壓力約20 MPa，壓裂過(guò)程中隨時(shí)觀察頂板變化及周邊鉆孔和錨桿孔出水情況，當(dāng)鄰近鉆孔和錨桿孔出水較大時(shí)停止壓裂，實(shí)施下一個(gè)孔的壓裂。壓裂過(guò)程中要及時(shí)根據(jù)壓裂壓力曲線的變化調(diào)整壓裂時(shí)間。

4.4 應(yīng)用效果

(1)通過(guò)留設(shè)功能性小煤柱，使采硐內(nèi)基本沒(méi)有撒煤，回采期間主輔運(yùn)巷道完整，未出現(xiàn)因支巷回采而垮塌，保證了連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采的順利進(jìn)行。

(2)由于水力壓裂弱化作用，頂板中形成大量裂縫，在單條支巷預(yù)裂過(guò)程中部分頂板即出現(xiàn)垮落，在鄰近支巷的預(yù)裂時(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)了裂縫的導(dǎo)通，基本上3條相鄰支巷連續(xù)進(jìn)行預(yù)裂時(shí)就會(huì)出現(xiàn)明顯的垮落，表明了水力預(yù)裂的有效性。通過(guò)實(shí)施水力預(yù)裂，實(shí)現(xiàn)了頂板的有序垮落。

5 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)采煤機(jī)在淺埋深薄基巖煤層條件下開(kāi)采時(shí)，應(yīng)通過(guò)對(duì)煤層地質(zhì)條件的詳細(xì)分析并結(jié)合開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)，選擇合適有效的頂板管理方式，方能確保安全高效開(kāi)采。

(1)留設(shè)合理的煤柱能夠有效管理頂板，避免頂板冒落，不會(huì)形成地表沉陷，但工作面回采率較低。

(2)水力預(yù)裂技術(shù)能夠有效促使頂板裂隙發(fā)育，從而誘使頂板及時(shí)充分垮落。爆破卸壓能夠及時(shí)有效減緩頂板應(yīng)力集中程度，防止強(qiáng)礦壓發(fā)生，是一種有效的解危手段。兩者相比，水力預(yù)裂重點(diǎn)在于預(yù)防，且能夠減少火工品的使用，有利于礦井安全管理。

(3)連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采與充填開(kāi)采相結(jié)合能有效防止頂板垮落，發(fā)揮2種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高工作面回采率，同時(shí)減小甚至避免地表沉陷。

(4)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)具體地質(zhì)條件采用不同方式頂板管理方式的組合，或者在不同的開(kāi)采階段采用不同的頂板管理方式，更能夠?qū)崿F(xiàn)頂板的安全有效管理。