綜采工作面過冒頂區(qū)支護技術(shù)研究與應(yīng)用

于樹奎

(華電煤業(yè)集團有限公司，北京 100035)

近年，隨著煤礦開采深度的增加，開采規(guī)模的不斷增大，煤礦安全生產(chǎn)形勢愈發(fā)嚴峻。安全事故的發(fā)生不僅對于煤礦的生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響，同時造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。其中頂板事故是煤礦安全事故中發(fā)生次數(shù)最頻繁的事故，據(jù)不完全統(tǒng)計，2018年煤礦事故51起，死亡63人，頂板事故14次，巷道事故33起，占64.7%[1-4]。鄂爾多斯、榆林是我國煤炭主要產(chǎn)地，兩地區(qū)的煤炭產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的25%左右，是我國煤炭生產(chǎn)的核心區(qū)域。兩地區(qū)的煤層開采條件優(yōu)越，煤層賦存穩(wěn)定，頂板巖性多為泥巖、粉砂巖，穩(wěn)定性差，受到采動影響或地質(zhì)構(gòu)造影響，極易發(fā)生冒頂事故，但是通常的架棚、打木垛、注漿、充填等處理冒頂技術(shù)，工人勞動強度大、效率低，制約礦井的生產(chǎn)。結(jié)合小紀汗煤礦11217綜采工作面局部冒頂實際情況，針對冒頂?shù)闹饕蛩剡M行了深入分析，提出了冒頂區(qū)煤壁前方開巷道進行頂板加固、馬麗散化學注漿劑加固技術(shù)、羅克休泡沫充填技術(shù)方案等三個方面的對策[5-9]，有效控制了工作面的漏頂，減少了作業(yè)風險，加快了工作面推進速度，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

1 工程概況

小紀汗煤礦隸位于陜西省榆林市小紀汗鄉(xiāng)，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力1000萬t/a，煤層賦存穩(wěn)定，水文地質(zhì)條件為復(fù)雜型，煤層為礦井的主充水含水層，礦井用水量為26400m3/d，現(xiàn)開采2#煤層，布置2個綜采工作面，3個連掘工作面和1個綜掘工作面。11217綜采工作面設(shè)計傾向長度325.4m，走向長度5046.7m，工作面剩余長度180m，煤層平均厚度為4.92m，煤層厚度3.52～6.32m，煤層為緩傾斜煤層，傾角為1°～3°。11217綜采工作面平均采深為384m，頂?shù)装鍘r性為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，煤層底板巖性特征見表1。

表1 煤層底板巖性特征

工作面回采至4866.7m，回采過程中，因周期來壓造成工作面局部頂板壓力突然增大，70#—90#支架前方冒頂，煤壁片幫，支架不接頂，支架傾斜，導(dǎo)致工作面難以正常推進，給礦井安全生產(chǎn)帶來重大安全隱患。

2 過冒頂區(qū)支護技術(shù)

2.1 處理局部冒頂?shù)姆椒?/h3>

常規(guī)處理局部冒頂?shù)姆椒ú捎茫禾土焊C挑鋼梁、支懸臂梁、頂板填充等方法[11]，但這3種方法操作起來比較危險，容易造成人身傷亡事故，給礦井造成不可挽回的經(jīng)濟損失。11217工作面在冊人員73人，管理人員10人，兩個生產(chǎn)班每班17人，檢修班29人，全隊平均年齡28歲，處理冒頂?shù)慕?jīng)驗較少，人員的安全難以保證，存在較大的安全隱患。通過小紀汗煤礦處理11217工作面冒頂?shù)膶嵺`，并結(jié)合工作面具體條件，創(chuàng)新研究了處理綜采工作面局部冒頂?shù)姆椒?，采用了在冒頂區(qū)煤壁前方開巷道進行頂板加固的技術(shù)方案。

2.2 支護布置及工藝

2.2.1 巷道布置

從工作面57#、87#支架中心對應(yīng)煤壁處開口，采用炮掘，沿工作面頂板掘進巷道，靠近機頭側(cè)巷道長度為5800mm，煤柱長4000mm，寬度為1800mm，高度為2000mm；靠近機尾側(cè)巷道長度為7800mm，煤柱長6000mm，寬度為1800mm，高度為2000mm；平行工作面的巷道長度55000mm，寬度為1800mm，高度為2000mm，為避免回采過巷應(yīng)力集中造成漏頂，平行工作面的巷道適當偽斜。11217綜采工作面措施巷施工如圖1所示。

圖1 11217綜采工作面措施巷施工(mm)

2.2.2 巷道支護工藝

頂板采用“錨網(wǎng)索+BHW鋼帶”聯(lián)合支護，錨索長度為7000mm，采用直徑?21.6mm鋼絞線，間排距均為600mm×1500mm，每排布置3根錨索，錨索托盤采用鋼板制作的300mm×300mm×14mm拱形錨索托盤。錨索錨固力不小于180kN，預(yù)緊力不小于120kN，錨索支護緊跟掘進工作面。頂網(wǎng)采用8#菱形鉛絲網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為5000mm×1200mm，搭接長度為200mm，使用14#鐵絲雙股綁扎，綁扎間距不大于300mm。鋼帶采用BHW280-3.00型，頂部錨索應(yīng)當向煤壁方向適當傾斜。巷幫采用全螺紋玻璃鋼錨桿，規(guī)格為MGSL18/1800F，錨桿使用MSK23/60型樹脂藥卷，每根錨桿1根藥卷，錨桿錨固力不小于50kN，錨桿扭矩不低于50N·m，間排距為500mm×500mm；幫網(wǎng)采用塑料網(wǎng)片，網(wǎng)格40mm×40mm，網(wǎng)片搭接長度200mm，使用14#鐵絲雙股綁扎，綁扎間距不大于300mm。11217綜采工作面措施巷支護斷面如圖2所示。

圖2 11217綜采工作面措施巷支護斷面示意圖(mm)

2.2.3 施工方案及工藝

施工順序：措施巷施工和工作面頂板注羅克休，待措施巷施工完成后施工煤壁側(cè)注馬麗散。

1)注漿工藝：①先對57#—87#支架頂梁前部頂板冒空區(qū)實施鋼筋網(wǎng)加風筒布填充，防止羅克休時漏出；②再對57#—87#支架前部頂板冒空區(qū)實施羅克休材料的充填；③在措施巷里向煤柱側(cè)打注漿眼，鉆孔直徑為42mm，間排距1000mm，三花布置，孔深設(shè)計3000mm，注漿孔角度垂直煤壁施工；④施工注馬麗散，注漿順序為由兩邊向中間施工。

2)巷道施工工藝：掘進工藝為炮掘，采用4臺QYT—28型鑿巖機打眼，一次成巷，短掘短支，掘支段長為1800mm。掘進出煤使用人工小車運輸，運輸?shù)焦ぷ髅婀伟遢斔蜋C內(nèi)。炮眼布置示意圖如3所示。

圖3 炮眼布置示意圖(mm)

3)巷道施工方法：①施工順序：安全檢查→打眼→裝藥→連線→放炮→敲幫問頂→支護頂網(wǎng)→出渣→支護幫網(wǎng)→文明衛(wèi)生；②爆破主要技術(shù)參數(shù)：鉆眼掏槽采用水平楔形掏槽，采用不燃性的粘土炮泥封實，封泥長度不得小于500mm，爆破原始條件及爆破參數(shù)見表2、表3。

表2 爆破原始條件

表3 爆破參數(shù)表

2.2.4 工作面頂板壓力分析

工作面冒頂處理前后頂板壓力變化曲線分別如圖4、圖5所示，通過圖4、圖5對比分析可知，11217綜采工作面冒頂處理前頂板壓力較大，液壓支架壓力平均在45MPa以上，最大壓力達到49MPa；11217綜采工作面冒頂處理后，在工作推進過程中，頂板壓力逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)，液壓支架壓力在40MPa以下。

圖4 工作面冒頂處理前頂板壓力變化曲線

圖5 工作面冒頂處理后頂板壓力變化曲線

3 處理冒頂創(chuàng)新方法與傳統(tǒng)方法對比分析

3.1 安全風險

在處理冒頂時，采用傳統(tǒng)方法掏窩挑鋼梁，然后頂上架設(shè)木垛或者在棚梁上空充填高分子膨脹材料，其目的都是保證現(xiàn)有支護措施能和冒頂后新形成的頂板接頂嚴實，防止空的時間過長，應(yīng)力集中，破壞新頂板的完整性，導(dǎo)致急性冒落。

兩種方法都需要在冒落區(qū)域下口從外向里逐步架設(shè)棚梁，先把下口棚住，然后進行后續(xù)作業(yè)。如果在空頂區(qū)域內(nèi)架設(shè)木垛的話，因液壓支架前方或頂梁上架設(shè)木垛空間小，必須降架處理，并且需要作業(yè)人員進入空頂區(qū)域作業(yè)，沒有任何防護，但卸壓降架會帶來冒頂范圍擴大，作業(yè)人員很容易受到二次冒頂傷害；兩種方法都不能一次性徹底解決工作面的冒頂，在工作面繼續(xù)向前推進過程中頂板還會冒落，處理工作往復(fù)進行，存在較大的安全風險，嚴重影響工作面的推進速度。

采用創(chuàng)新方法是使用羅克休泡沫充填冒頂區(qū)，同時在工作面冒頂區(qū)煤壁前方開巷道提前對頂板加固，然后使用巴馬麗散化學注漿劑超前加固煤壁和頂板，其目的是提前對工作面前方的煤層頂板進行加固，改善了該區(qū)域內(nèi)煤層的頂板條件，為工作面安全順利通過該區(qū)域創(chuàng)造條件。

創(chuàng)新方法處理冒頂人員不用進入冒頂?shù)目枕攨^(qū)域作業(yè)，保證了人員的安全；該方法超前加固工作面的頂板，提前改善煤層、圍巖的物理性質(zhì)，有效控制了頂板冒落，確保工作面安全快速回采。

3.2 經(jīng)濟效益

將采用創(chuàng)新方法處理冒頂與傳統(tǒng)方法處理冒頂進行經(jīng)濟效益對比分析[10]，結(jié)果見表4。通過表4對比分析可知，創(chuàng)新方法比傳統(tǒng)方法的施工工期節(jié)省16d，處理冒頂發(fā)生費用節(jié)省38萬元。粗略計算，小紀汗煤礦11217綜采工作面日產(chǎn)原煤1.5萬t，噸煤利潤為100元，創(chuàng)新方法比傳統(tǒng)方法增加礦井經(jīng)濟效益2400萬元。綜上所述，采用創(chuàng)新方法處理冒頂，經(jīng)濟效益十分明顯。

表4 經(jīng)濟效益對比分析

4 結(jié) 論

1)采用創(chuàng)新的方法處理冒頂后，11217綜采工作面頂板壓力始終保持在40MPa以下，頂板得到了很好的控制，冒頂區(qū)圍巖穩(wěn)定性增加，給后續(xù)的回采創(chuàng)造了良好的條件。

2)采用創(chuàng)新的技術(shù)方案處理工作面冒頂，工作面前方煤層、頂板圍巖改善較為明顯，提高了圍巖的整體性、穩(wěn)定性和自承力。在割煤過程中，該區(qū)域頂板完整性較好，未發(fā)生冒頂事故。

3)相比傳統(tǒng)方法，該創(chuàng)新方法大大地提高了處理冒頂?shù)陌踩禂?shù)，經(jīng)濟效益顯著，為工作面處理冒頂提供了新的手段，該技術(shù)方案對類似工作面的冒頂處理具有很好的參考價值和指導(dǎo)意義。