特厚煤層大采高綜放末采貫通頂板冒頂區(qū)加固實踐

任國軍

（鄂爾多斯市國源礦業(yè)開發(fā)有限責任公司內蒙古鄂爾多斯017100）

采掘工作面揭露破碎區(qū)、高應力區(qū)和構造區(qū)時，易發(fā)生局部頂板不規(guī)則垮落，產生數(shù)米乃至十數(shù)米的空頂冒頂區(qū)[1-2]。冒頂區(qū)巖石松散破碎、空頂區(qū)域易積聚甲烷等有害氣體，冒頂區(qū)的處置難度大、危險性高，一直是工作面安全回采的重大威脅。冒頂區(qū)廣泛存在，國內外專家學者進行了大量研究，分析了冒頂區(qū)形成、處置、采掘工作面揭露冒頂區(qū)頂板破斷及礦壓規(guī)律[3-4]，但對特厚煤層末采階段大范圍冒頂研究較少。

為提高特厚煤層開采冒頂區(qū)處置的安全性、經濟性和快捷性，本論文采用理論分析和數(shù)值模擬方法，進行特厚煤層綜放末采階段大面積冒頂區(qū)處置研究，摸索冒頂區(qū)處置原則、技術工藝等技術難題，提高煤炭資源安全高效回收。

1 生產地質條件

龍王溝煤礦主采6 號煤，煤層傾角0°～6.2°，平均傾角2°，平均厚度24.67 m，f=0～1.0，最大埋深436 m，夾矸平均厚度2.78 m，主要有炭質泥巖、泥巖和高嶺土。直接頂為泥巖，老頂為粗砂巖。61605 工作面傾斜長度255 m、走向長度1 215 m，采用大采高綜采放頂煤工藝開采，采高5.1 m、放煤高度19.57 m，放煤步距1.0 m、一采一放，布置119架ZFY18000/28/53D型放頂煤液壓支架。

61605 工作面為“兩巷一線”布置方式，即主運順槽、輔運順槽及開切眼，在停采線位置布置有回撤通道，采用錨網索配合頂板鋼帶聯(lián)合支護：矩形斷面，凈寬6 300 mm、凈高4 300 mm，凈斷面積28.35 m2。

2 冒頂區(qū)加固充填

工作面現(xiàn)回采到距離回撤通道7 m 左右，工作面10#—39#液壓支架間出現(xiàn)冒頂，冒落高度約20 m，工作面無法繼續(xù)推移，且安全風險較大。為防止頂板繼續(xù)垮落，保證工作面的安全有序推進，此次采用山西凝固力新型材料股份有限公司生產的加固材料和充填材料對井下冒落區(qū)進行加固、充填處理。

2.1 冒頂區(qū)加固充填作用分析

預注漿充填加固修復技術的作用機理是：修復頂板損傷，充填空區(qū)，加固破碎冒落頂板，提高其承載能力和對基本頂?shù)目刂谱饔?；加固煤柱，提高煤柱的承載能力，防止長懸梁結構的出現(xiàn)，以緩和礦壓顯現(xiàn)。

對20 m冒頂區(qū)賦存特征分析可知，冒頂區(qū)中上部為空區(qū)，需要采用充填加固控制。通過向冒頂區(qū)注入FCC 填充材料，該材料在冒頂區(qū)頂板空區(qū)內反應迅速即時發(fā)泡、膨脹倍數(shù)高，液體能夠充填到所有縫隙，可以密實充滿空頂空間，改變巖壁受力狀態(tài)，防止繼續(xù)塑性破碎后冒頂區(qū)范圍的擴大。

對于冒頂區(qū)下部區(qū)域，采用注漿加固處置。FSS加固材料滲透性、流動性好，遇水不發(fā)泡，能很好的滲入煤巖層細小的裂隙中。加固材料與冒頂區(qū)下部垮落碎塊粘合，增大其抗壓強度、抗剪強度[5]，可以使冒頂區(qū)下部巖體有較好承載性，使冒頂區(qū)注漿加固更穩(wěn)定。

2.2 冒頂區(qū)加固充填工藝及參數(shù)

（1）對冒落區(qū)頂板部分進行充填加固，加固范圍為10#—39#架，布孔方式如下：采用“單排眼”布孔方式，布置一排鉆孔，鉆孔深度均為5.0 m，對煤壁及頂板區(qū)域進行加固（圖1），開孔位置位于頂板下方2 m 處，角度為斜向頂板約60°，孔間距2.05 m，封孔器放在開孔1.5 m處，單孔注漿量不少于40桶。

FCC填充材料由AB兩組分材料混合使用，發(fā)泡時間8 s～10 s，凝固時間30 s～50 s，膨脹倍數(shù)15～30倍，抗壓強度最高達到76 MPa。

圖1 冒頂區(qū)充填加固示意圖

（2）對冒頂區(qū)下部垮落巖石注漿加固，支架平頂梁到工作面煤壁，擬采用從兩側向中間逐步充填的方法。

FSS加固材料是由A、B兩種組分的復合產品，A、B兩組分混合后能迅速反應，生產高強度的聚合體。使用時，將A、B 組分材料按照1：1 的體積比混合均勻后注入煤巖體中。初凝時間15 s～30 s，固結體抗壓強度達到45 MPa。

圖2 冒頂區(qū)注漿加固示意圖

注漿工具：采用2ZBQ-8/10 立體型氣動高壓雙液注漿泵設備完成注漿加固作業(yè)，額定流量8 L/min，額定壓力10 MPa，進氣壓力0.2 MPa～0.8 MPa，進風管路φ19/25 mm，選用4″鋼管做注漿管，選用人字型三通混合器，出漿管選用直徑13 mm 雙層鋼絲編制的高壓膠管,允許壓力5 MPa。

注漿工藝流程：注漿泵－輸送管－控制閥－孔口管－密閉墻。

3 現(xiàn)場應用

61605工作面1月14日開始對冒頂區(qū)進行注漿充填加固，1 月16 日完成對長65 m、最大高度20 m 的高冒區(qū)處置（注漿充填效果見圖3），共注入65 t 充填漿（13 個孔）、40 t 加固漿（7 個孔）；到1 月18 日工作面推至停采線位置，順利完成冒頂區(qū)連續(xù)推進，對工作面支架運行情況監(jiān)測，如圖4所示。

圖3 冒頂區(qū)充填加固效果圖

圖4 工作面過冒頂區(qū)支架壓力實測

對61605 工作面實測礦壓數(shù)據(jù)分析：根據(jù)支架工作阻力變化，見圖4，將回采過程分為：阻力升高階段及阻力降低階段，范圍分別為：冒頂區(qū)前方0 m～7 m和冒頂區(qū)內。支架工作阻力主要分布區(qū)間是14 000 kN/架～16 000 kN/架，占65.72%。支架工作阻力小于18 000 kN/架，大于16 000 kN/架的占34.28%，支架最大工作阻力為16 901 kN，為支架額定工作阻力18 000 kN 的93.89%。冒頂區(qū)預注漿加固后支架工作阻力比正?；夭勺枇χ等陨云螅驗槌涮铙w實際強度受到現(xiàn)場材料配比不穩(wěn)定、泵壓壓力不足等操作影響，密實接頂程度差并發(fā)生較大壓縮變形的緣故。

考慮工作面頂煤厚度及承載力變化幅度大、頂板完整性差，回采中可能會發(fā)生不規(guī)則斷裂、垮落沖擊，因此，ZFY18000/28/53D 型放頂煤液壓支架配套大采高放頂煤工作面過20 m 的冒頂區(qū)在支護強度上滿足要求。整個回采過程沒有出現(xiàn)架前漏冒、支架嚴重偏載和壓架事故，支架-圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性好，說明預注漿充填固結冒頂區(qū)圍巖起到了良好效果。

4 結論

（1）特厚煤層大采高綜放工作面采出空間大、礦壓顯現(xiàn)劇烈，針對產生的體積大、冒落高冒頂區(qū)，提出注漿充填加固處置。

（2）注漿充填加固修復技術的作用機理是：修復頂板損傷，充填空區(qū)，加固破碎冒落頂板，提高其承載能力和對基本頂?shù)目刂谱饔茫患庸堂褐?，提高煤柱的承載能力，防止長懸梁結構的出現(xiàn)，以緩和礦壓顯現(xiàn)。

（3）提出的注漿充填工藝參數(shù)，現(xiàn)場試驗順利實現(xiàn)了61605工作面通過20 m冒頂區(qū)，取得顯著經濟效益。