綜采工作面過冒頂區(qū)頂板加固技術(shù)研究

楊朝興

(山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 交城 030500)

隨煤炭采深增加，煤炭賦存地質(zhì)條件更趨復(fù)雜，礦井生產(chǎn)過程中受到影響更為明顯[1-2]。當(dāng)采面生產(chǎn)遇到破碎煤巖體時如何確定頂板巖層穩(wěn)定是煤炭開采時需要解決的現(xiàn)實問題[3-5]。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計結(jié)果[6-7]，頂板事故占據(jù)礦井事故總數(shù)達(dá)到65%以上，文中就以山西某礦20205綜采工作面為工程背景，對采面過頂板冒落區(qū)時圍巖加固技術(shù)后，有效確保了采面生產(chǎn)安全。

1 工程概況

山西某礦設(shè)計生產(chǎn)能力為600萬t/a，開采的2#煤層賦存穩(wěn)定，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，現(xiàn)階段礦井開采井下布置有2個綜采工作面。其中20205綜采工作面設(shè)計走向、傾向長分別為2680 m、320 m，煤層厚度平均為7.93 m，煤層傾角1°～3°。20205采面埋深為385 m，頂?shù)装鍘r性以泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，具體頂?shù)装鍘r性參數(shù)，如表1所示。

表1 頂?shù)装鍘r性參數(shù)

20205綜采工作面推進(jìn)至1 305 m時，受到頂板來壓影響加之圍巖破碎，導(dǎo)致60#～85#支架間頂板冒落、煤壁片幫，給采面正常生產(chǎn)帶來不利影響。

2 頂板冒落區(qū)加固技術(shù)

2.1 冒落區(qū)頂板處理方法

常規(guī)的采面頂板冒落區(qū)處理方法有：頂板充填、支懸頂梁以及掏梁窩挑鋼梁等，但是上述技術(shù)方法存在一定會安全風(fēng)險，在冒落區(qū)處理過程中容易出現(xiàn)人員傷亡，給礦井生產(chǎn)安全帶來不利影響。在采面頂板冒頂區(qū)處理時，最為常用技術(shù)方法為掏窩挑鋼梁，隨著在鋼梁上布置木垛、架棚等，并充填高分子材料，確保采面支護(hù)措施可與冒落后新形成的頂板密切接觸，避免長時間空頂造成頂板巖層再次失穩(wěn)。在冒落區(qū)處理時需要人員在未有必要安全防護(hù)措施時金額到空頂區(qū)，作業(yè)人員容易受到冒頂傷害。

為了提升冒落區(qū)處理安全性，避免人員進(jìn)入到冒落區(qū)，提出采用在冒落區(qū)注入羅克休泡沫對冒落區(qū)頂板巖層進(jìn)行加固。在冒落區(qū)前方掘進(jìn)效斷面措施巷采用馬麗散提前加固容易冒落位置頂板以及煤體，從而改善采面內(nèi)煤體及頂板巖性，為采面安全生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件。采用提出的技術(shù)方法人員不需要進(jìn)入到冒落區(qū)內(nèi)，從而提升冒落區(qū)處理安全系數(shù)。

2.2 措施巷支護(hù)及施工工藝

2.2.1 措施巷布置

在采面57#、87#支架位置采用炮掘方式沿2#煤層頂板掘進(jìn)措施巷。在靠近機頭位置煤柱長4 000 mm，巷道長、寬、高分別為5 800 mm、1 800 mm、2 000 mm；在靠近機尾側(cè)煤柱長6 000 mm，巷道長、寬、高分別為6 000 mm、1 800 mm、2 000 mm。平行采面的措施巷長總計55 m，寬、高分別為1 800 mm、2 000 mm。為避免采面掘進(jìn)過措施巷期間巷道應(yīng)力集中造成漏頂問題，平行于采面的措施巷應(yīng)成偽斜布置。具體頂板冒落區(qū)措施巷布置位置，如圖1所示。

圖1 冒落區(qū)措施巷布置位置示意圖

2.2.2 措施巷支護(hù)工藝

措施巷頂板巖層支護(hù)采用“錨網(wǎng)索+鋼帶”形式，錨索為鋼絞線(規(guī)格為21.6 mm×7 000 mm)，每排布置3根，間排距分別為600 mm、1 500 mm，錨索施加的預(yù)緊力在120 kN以上，錨索支護(hù)緊跟措施巷掘進(jìn)布置。頂板采用菱形金屬網(wǎng)(8#鉛絲編制)支護(hù)，金屬網(wǎng)規(guī)格為5 500 mm×1 200 mm，網(wǎng)片間搭接距離在200 mm以上并采用14#鐵絲綁扎。鋼帶型號BHW280-3.00型。

巷幫采用“玻璃鋼錨桿+塑料網(wǎng)片”進(jìn)行控制，采用的玻璃鋼錨桿(型號MGSL18/1800F)扭矩在50 N·m以上，間排距均為500 mm；采用的塑料網(wǎng)網(wǎng)孔規(guī)格為40 mm×40 mm，網(wǎng)片間搭接距離在200 mm以上，采用14#鐵絲綁扎連接。具體注漿措施巷支護(hù)斷面，如圖2所示。

圖2 措施巷支護(hù)示意圖

2.2.3 措施巷掘進(jìn)

措施巷掘進(jìn)采用炮掘方式，掘進(jìn)時采用4臺鑿巖機(型號QYT-28)施工炮眼，一次成巷，掘支段長度控制在1 800 mm，短掘短支方式。掘進(jìn)出煤采用小車人工運輸。

2.3 措施巷注漿工藝

帶措施巷施工完畢后，對煤壁注入馬麗散。具體注漿工藝為：

1)對采面57#～87#支架頂梁位置前部采用鋼筋網(wǎng)+風(fēng)筒布充填，避免注入羅克休時漿液滲漏；

2)通過注漿管路向采面頂板冒落區(qū)(57#～87#支架)注入羅克休采面進(jìn)行充填；

3)在措施巷內(nèi)向煤柱布置孔徑42 mm鉆孔，鉆孔呈三花眼布置形式，間距為1 000 mm，孔深3 000 mm，垂直煤壁布置；

4)向鉆孔內(nèi)主加入馬麗散，注入順序從兩側(cè)向中間進(jìn)行。

2.4 采面頂板壓力分析

在對采面冒頂區(qū)加固之前，綜采液壓支架工作阻力平均在45 MPa以上，其中52#液壓支架工作阻力最大可達(dá)49 MPa，對冒頂區(qū)處理后采面推進(jìn)過程中液壓支架工作阻力一般均在40 MPa以下，具體監(jiān)測結(jié)果，如圖3所示。從監(jiān)測結(jié)果得知，通過對冒頂區(qū)進(jìn)行處理，有效降低頂板應(yīng)力集中程度，實現(xiàn)了采面正常回采。

圖3 冒落區(qū)處理后液壓支架工作阻力監(jiān)測結(jié)果

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

在采面冒頂區(qū)創(chuàng)新性采用羅克休充填，并施工措施巷對煤壁、頂板進(jìn)行注漿加固，可顯著提升采面頂板巖層以及煤壁穩(wěn)定性，具體傳統(tǒng)冒落技術(shù)與文中頂板處理技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，如表2所示。

表2 冒落區(qū)不同處理方式效果比對結(jié)果

文中所提頂板處理技術(shù)冒落區(qū)處理實踐耗時為12 d，較傳統(tǒng)的頂板處理方法節(jié)省實踐約17 d，同時頂板處理費用僅為58萬元，較傳統(tǒng)的頂板處理費用降低約43萬元。綜上分析可知，文中提出的冒頂冒落區(qū)處理技術(shù)經(jīng)濟(jì)、安全效益顯著。

4 結(jié)語

1)在20205綜采工作面冒頂區(qū)采用羅克休充填、施工小斷面措施巷注入馬麗散對頂板、煤壁進(jìn)行加固處理后，采面液壓支架工作阻力均在40 MPa以內(nèi)，頂板及煤壁穩(wěn)定性得以顯著改善，可為采面后續(xù)生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件。在采面機后續(xù)割煤過程中頂板未再發(fā)生冒落。

2)相對于傳統(tǒng)的頂板冒落區(qū)處理技術(shù)方法，文中提出的處理技術(shù)在安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。該技術(shù)方法可為其他礦井頂板冒落區(qū)處理提供一定借鑒。