大傾角綜采工作面架前頂板切落原因分析及治理

呂兆海，沈銘華，劉 濤，常 峰，何秀池，崔 晨，張振飛

(國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司，寧夏 銀川 750001)

0 引言

煤巖體災(zāi)變過程是復(fù)雜難采煤層工作面朝著不利于采場穩(wěn)定性方向演化的過程，存在斷層活化、煤壁片幫、頂板斷裂和潰水潰沙等災(zāi)變現(xiàn)象[1]。采場穩(wěn)定性是決定大傾角工作面安全開采的關(guān)鍵。某煤礦綜采工作面初采階段面臨大傾角仰采、堅硬頂板、支架架型失穩(wěn)、架前頂板整體切落等開采難題，是寧東礦區(qū)復(fù)雜難采煤層的典型代表。文志杰等[2]運用“傳遞巖梁”理論研究了大采高工作面上部覆巖結(jié)構(gòu)的破斷類型及其平衡條件。章之燕[3]分析了工作面開采過程中液壓支架受力狀態(tài)與圍巖的作用關(guān)系，并對液壓支架的穩(wěn)定性參數(shù)進行了動態(tài)監(jiān)測。王國法[4]基于"砌體梁"理論，對支架承受的頂板載荷進行了分類，提出了支架體系與圍巖結(jié)構(gòu)之間存在剛度、強度及穩(wěn)定性耦合的三種關(guān)系。鞠金峰等[5]針對大柳塔煤礦7m大采高工作面存在的端面漏冒等災(zāi)害進行實測，揭示了端面漏冒的機理，提出鉆孔注漿加固破碎煤體是防治措施。馮志強，阮文軍等[6-7]基于煤巖體破壞機制將化學(xué)漿液的作用機理歸納為網(wǎng)絡(luò)骨架充填、粘結(jié)補強、充填壓密和轉(zhuǎn)變破壞機制4種類型。杜志龍等[8]采用化學(xué)材料注漿工藝加固斷層破碎區(qū)域巷道圍巖。大傾角煤層工作面冒落空間處理風(fēng)險較大，結(jié)合現(xiàn)場條件，對快速治理大傾角煤層工作面冒頂進行方案論證和工程實踐，采用高分子材料注漿加固及充填技術(shù)，大大減少了工人勞動強度、出矸量、材料消耗、設(shè)備損害等，為盡快恢復(fù)工作面生產(chǎn)提供技術(shù)保障[9-11]。

1 概況

某煤礦位于某礦區(qū)南部，井田南北長約9.0 km，東西寬約3.0 km，井田面積26.89 km2；礦井地質(zhì)儲量6.36億噸，可采儲量3.36億噸，設(shè)計生產(chǎn)能力400萬噸/年，礦井服務(wù)年限60.1年。采用斜井和立井組合開拓，井田北部布置主斜井、副斜井、回風(fēng)斜井3條斜井，井田中部布置副立井和回風(fēng)立井；礦井主采煤層有四層，分別是2#、3#、4#、18#煤層。綜采工作面是某煤礦11采區(qū)第二個工作面，東邊與逆斷層相鄰，南邊依次為回風(fēng)斜井、主斜井、副斜井，西部與工作面運輸巷相距28 m，北與采區(qū)邊界相鄰。工作面斜長279 m，傾角31°～43°，平均36°，仰采角度平均為7°30′，煤厚3.8～4.0 m，工作面布置如圖1所示；所采煤層為三層煤，厚度變化小，結(jié)構(gòu)簡單，屬穩(wěn)定煤層；三層煤老頂為粗粒砂巖，平均厚度29.7 m，以灰白色為主，泥質(zhì)膠結(jié)，巨厚層狀，裂隙孔隙較多，是三層煤頂板主要含水層；直接頂為粉砂巖，以灰白色為主，平均厚度5.58 m，鈣質(zhì)膠結(jié)，較堅硬；偽頂厚度1.6～2.79 m，為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖；三層煤底板為粉砂巖，以灰白色為主，平均厚度13.04 m，較堅硬，煤巖層特征如圖2所示。

圖1 工作面位置平面圖

圖2 煤層綜合柱狀圖

2 鏈式災(zāi)變過程描述

綜采工作面自初采以來(上部累計推進34.5 m，下部累計推進57.4 m)出現(xiàn)支架工作阻力急增，安全閥泄壓，30#～80#支架段煤壁片幫，且片幫范圍逐漸向工作面上、下方向延伸，其中63#～78#支架段片幫最為嚴重，達到3～5 m；38#～80#支架段直接頂從架前垮落，垮落高度達到2.5 m。隨之工作面40#～53#支架段直接頂從架前垮落，垮落高度為5～6 m，垮落區(qū)出現(xiàn)向工作面上口方向延伸的趨勢；52#～66#支架高度由3.6～3.8 m下降至2.7～3 m。后期片幫深度：30#～50#支架段 0～7 m，50#～77#支架段7～15 m，77#～84#支架段15～5 m；冒頂高度：30#～50#支架段10 m，50#～66#支架段5.5 m，66#～84#支架段7 m。從圖3可以看出，冒落區(qū)頂板沿支架頂梁前端整體切落，切口較規(guī)整，這說明老頂來壓在支架前端造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致煤壁片幫進而架前頂板切落—漏冒。

圖3 工作面冒落空間尺度

3 控災(zāi)方案

針對大塊垮落巖體竄入架前，刮板輸送機壓死，30#～84#支架段冒落空間尺度大，人工絞頂安全風(fēng)險極大的特殊情況，為確保工作面順利推進，制定以下4套治理方案。

方案一：采用化學(xué)漿充填冒腔，直接回采通過

采用注化學(xué)漿固結(jié)冒落的煤巖塊和打設(shè)單體液壓支護、背木板、鋪金屬網(wǎng)、掛風(fēng)筒布等施工止?jié){墻。采用羅克休化學(xué)漿液自下而上充填冒腔，用量約700噸，沿風(fēng)巷和工作面設(shè)置兩趟管路，分別將A、B材料通過管路遠距離送至注漿點處，按比例混合注漿，直至充填飽滿。采用自上而下分段(10架/段)劈幫，寬度3 m，采用走向穿半圓木配合傾向π梁抬棚支護，采煤機截割的方式向前逐步推進，直至支架前梁接觸到實體煤壁，進入正?；夭?。優(yōu)點：工期短，注漿工作耗時約35 d，其中：施工止?jié){墻12 d，注羅克休20 d，施工上、下鎖口3 d；資源損失量小，冒腔充填完畢后直接通過，煤炭資源得到有效回收；工藝簡單，向冒腔充填化學(xué)漿屬成熟工藝。缺點：費用高，使用注漿材料費用約1218萬元，包括充填加固材料35萬元，充填材料1183萬；風(fēng)險高，充填材料抗壓強度低，承壓能力差，直接回采通過期間存在倒架風(fēng)險。

方案二：采用井下運送混凝土充填冒腔，直接回采通過

止?jié){墻施工同方案一。采用混凝土充填冒腔，用量約6000 m3，強度≥C20，使用無極繩絞車牽引礦車運輸混合料至工作面上部，通過機械攪拌、泵送的方式充填冒腔，混凝土充填不實區(qū)域采用注羅克休化學(xué)漿液充填密實。優(yōu)點：費用低，預(yù)計增加費用約534萬元。包括充填混凝土330萬元，固結(jié)煤巖塊施工止?jié){墻35萬元，二次補注化學(xué)漿169萬元，如需購置大功率運送混凝土的設(shè)備，將增加設(shè)備購置費約，預(yù)計在200萬元以內(nèi)；資源損失量小，冒腔充填完畢后直接回采通過，煤炭資源得到有效回收；工藝簡單，冒腔充填混凝土屬成熟工藝；混凝土與冒腔煤巖壁有較好的粘結(jié)效果，且具備一定的強度，直接回采通過，冒腔頂板可得到有效管控。缺點：①受軌道運輸能力制約，混凝土運送時間長，每趟運料12 m3，用時近3.5 h，預(yù)計共需83 d，其中：施工止?jié){墻12 d，注混凝土83 d，施工上、下鎖口3 d，嚴重制約著施工進度。②由于作業(yè)現(xiàn)場受限，輸送管出料口高度不易控制，冒腔充填混凝土高度難以保證，有可能因混凝土頂板偏薄，在升架時對混凝土頂板造成破壞，導(dǎo)致支架接頂不實有可能引發(fā)倒架；③對冒腔上部混凝土填充不實，存在空洞現(xiàn)象，需采用化學(xué)漿補注密實；④充填冒腔時間長，采空區(qū)存在自燃發(fā)火的風(fēng)險。

方案三：采用輸料孔運送混凝土充填冒腔，直接回采通過

止?jié){墻的施工同方案一。采用混凝土充填冒腔，用量約8000 m3，強度大于C20，在地面開口垂直施工兩個Φ244.5 mm輸料孔，共計815 m(396 m、419 m)，從地面直接將成品料通過輸料管送至片幫、冒頂區(qū)域充填冒腔，混凝土充填不實區(qū)域采用注羅克休化學(xué)漿補充充填密實。優(yōu)點：費用較低，預(yù)計增加費用約642萬元，包括臨時征地及措施費50萬元，輸料孔施工費188萬元，充填混凝土369萬元，固結(jié)煤巖塊施工止?jié){墻35萬元；充填速度快、效果明顯。地面輸送可實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，用時約68 d，其中：施工止?jié){墻12 d，施工鉆孔30 d，注混凝土23 d，施工上、下鎖口3 d；混凝土垂直澆筑流動充填預(yù)期效果好；資源損失量小，冒腔充填完畢后直接回采通過，煤炭資源得到有效回收；冒腔充填混凝土、輸料孔施工均屬成熟工藝；混凝土與冒腔煤巖壁有較好的粘結(jié)效果，且具備一定的強度，可直接回采通過。缺點：①地面開口施工輸料孔需做項目立項、土地征用等手續(xù)，單孔施工15 d；②輸料孔施工穿過含水層導(dǎo)水、破碎區(qū)卡鉆，接近冒落區(qū)巖層脫層可能出現(xiàn)漏漿等不利因素，造成難以成孔；③鉆孔導(dǎo)水對澆筑的混凝土有沖蝕跑漿現(xiàn)象，水泥漿流經(jīng)刮板輸送機入水倉，將影響刮板機、排水系統(tǒng)正常運行，輸料孔有可能出現(xiàn)堵孔；④冒腔上部混凝土填充不實，存在空洞現(xiàn)象；⑤采空區(qū)存在自燃發(fā)火的風(fēng)險。⑥輸送混凝土期間容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。

方案四：向前施工新切眼，繞行通過方案

擬定自工作面向前90 m從運輸巷開口向上施工新切眼，包括新切眼導(dǎo)硐275 m、新切眼擴幫275 m、絞車安裝硐室20 m、回撤通道126 m、3#聯(lián)絡(luò)巷61 m、鋪道275 m，合計掘進工程量757 m，新開切眼工程量見圖4；移設(shè)原工作面電氣平臺、皮帶機尾、轉(zhuǎn)載機、破碎機、1#～2#支架，回收刮板機機頭及機尾、11#～30#及91#～162#框架、91#～162#支架、采煤機；新切眼安裝支架158臺、刮板機一部、采煤機一臺。優(yōu)點：避開危險區(qū)，避免了直接通過片幫、冒頂區(qū)，發(fā)生頂板事故的可能性。缺點：①準備工期長，累計需247 d，包括礦建工程施工157 d，設(shè)備安裝63 d，設(shè)備回收27d；②大傾角(31°～43°)工作面開切眼掘進、設(shè)備回撤和安裝存在重大風(fēng)險，安全管控難度大；③部分設(shè)備無法回收、煤炭資源遺失，造成損失巨大，共計約8267萬元，包括設(shè)備損失5220萬元，資源損失1700萬元；新切眼礦建工程施工費947萬元，設(shè)備安裝費300萬元，設(shè)備后期回收費100萬元。④新工作面進行初采初放期間仍然存在大傾角、大仰角工作面頂板管控和設(shè)備管理的困難；⑤采空區(qū)存在自燃發(fā)火的風(fēng)險。

圖4 新開切眼示意圖

4 方案比對

對比四套方案優(yōu)缺點，如表1所示，決定采用方案一。針對支架前端大尺度冒落區(qū)，制定“兩端頭加固、注漿充填冒腔、人工清理機道堆渣、恢復(fù)刮板機運行、小循環(huán)剝幫、回采通過片幫冒頂區(qū)域”的綜合管控方案，即“端頭加固-注漿充填-清渣-剝幫-造頂-推進”施工措施。

表1 方案指標對比表

5 控災(zāi)措施

方案一細化分解：①工作面16#～29#、85#～120#支架段煤壁注漿加固、錨網(wǎng)索加固、頂板錨索桁架加固，防止災(zāi)變范圍擴大。②30#～84#支架段自下而上對煤幫側(cè)渣堆進行注馬麗散加固，空腔區(qū)域自下而上充填羅克休，注漿范圍如圖5所示。③打設(shè)單體液壓支柱、背木板、鋪金屬網(wǎng)等方式施工擋桿墻，限制松散矸石滑移。④采用巖石混凝土松動劑對大塊巖石進行破碎，使用搪瓷溜槽配合人工出渣的方式清理刮板機內(nèi)渣堆。⑤沿煤層走向采用爆破法小循環(huán)剝幫配合采煤機截割的方式向前逐步推進，直至支架前梁接觸到實體煤壁，進入正常回采。施工環(huán)節(jié)如圖6所示。

圖5 30#～84#支架段漏冒區(qū)平面

圖6 工作面架前漏冒及控災(zāi)措施

5.1 切斷致災(zāi)鏈—兩側(cè)加固

為防止冒頂區(qū)域向上下兩段延展，16#～29#、85#～130#支架段采用“雙排錨桿配合菱形金屬網(wǎng)”進行煤壁加強支護；采用“桁架錨索(Φ21.8×6300 mm鋼絞線)配合金屬網(wǎng)”對支架頂梁與煤幫間頂板進行加強支護；對架前頂板脫層區(qū)域采用架設(shè)“井”字架木垛絞頂，并注羅克休進行充填；在20#、24#、28#、88#、92#、96#、102#、108#支架位置煤壁打孔注馬麗散化學(xué)漿進行加固。

5.2 控制災(zāi)變區(qū)域—充填加固

采用注馬麗散化學(xué)漿固結(jié)架前冒落的煤巖塊，打設(shè)單體液壓支護、背木板、鋪金屬網(wǎng)、注漿等方式施工止?jié){墻，止?jié){墻自下而上施工；堆渣高度超過液壓支架頂梁時，采用多打眼、安裝注漿管、注漿眼間距1 m分兩層加注，注漿固結(jié)煤巖塊。采用羅克休化學(xué)漿自下而上、由低向高充填空腔，考慮片幫深、冒頂高、空腔大的實際，采用兩臺注漿泵配合加長注漿管，注10倍發(fā)泡系數(shù)的羅克休化學(xué)漿(樹脂、催化劑體積比4∶1)，低發(fā)泡版羅克休泡沫10%壓應(yīng)變時，作用在支架單個立柱上的壓強為1697.35 kPa。馬麗散加固材料(A、B組份)各組份分布均勻，各液態(tài)組分的閃點≥100℃。化學(xué)漿液材料性能見表2、表3。

表2 羅克休材料基本性能

表3 馬麗散KS材料基本性能

5.3 通過災(zāi)變區(qū)域—剝幫推進

(1) 刮板運輸機恢復(fù)

由于架前堆渣多，造成刮板運輸機無法啟動，回采前采用鋪設(shè)搪瓷溜槽配合人工清渣；具備條件時開啟刮板機，將機道及架前煤巖塊和煤矸石清理干凈。

(2) 通過災(zāi)變區(qū)域

由上向下對30#～84#支架段分段小循環(huán)開挖，每段剝幫循環(huán)進度1 m，剝幫寬度3 m，剝幫步距2 m。因巖石堅硬，采用輔助爆破的方法，炮眼間排距為300 mm×300 mm，正向裝藥，每眼裝藥量為200～400 g。剝幫過程中，發(fā)現(xiàn)煤幫側(cè)有松動跡象時，打眼注馬麗散進行加固；工作面3#～35#、85#～162#支架段有頂板破碎跡象，采用“錨索桁架和金屬網(wǎng)”的支護方式由上向下維護。剝幫期間，工作面每推進2個歩距，對片幫段煤幫側(cè)積渣進行注漿加固，眼距為1.75 m，眼深5 m，每眼注漿量小于等于1000 kg。剝幫四個歩距后，在72#～85#支架段頂梁前方逐架打眼檢查頂板充填料充填效果，未充填充實的，再次打眼充填化學(xué)漿液。

6 結(jié)論

(1) 某煤礦綜采工作面初采階段面臨大傾角仰采、堅硬頂板、支架架型失穩(wěn)、架前頂板整體切落等開采難題，針對架前頂板整體切落(最大冒頂高度10 m、寬度15 m)、工作面推進困難的鏈式災(zāi)變過程進行了詳細描述，提出了4套控災(zāi)方案，綜合對比其施工工期、工藝、費用、安全等因素，為大傾角工作面冒頂災(zāi)變的治理提供了廣泛的思路。

(2) 大傾角工作面冒頂災(zāi)變引發(fā)工作面支架失穩(wěn)等一系列問題，基于“切斷致災(zāi)鏈—控制災(zāi)變區(qū)—通過災(zāi)變區(qū)域”的控災(zāi)思路，采用“兩端頭加固、注漿充填冒腔、人工清理機道堆渣、恢復(fù)刮板機運行、小循環(huán)剝幫、回采通過冒頂區(qū)域”的實施方案并取得了良好的效果，該技術(shù)對大傾角復(fù)雜難采煤層工作面具有借鑒意義。

(3) 大傾角工作面冒頂災(zāi)變區(qū)域采用注漿加固、充填空腔的方法處理，替代了傳統(tǒng)人工絞頂?shù)氖┕わL(fēng)險，提出了架前頂板冒落快速治理方案和成套技術(shù)。大傾角工作面冒落區(qū)治理期間，必須加快施工進度，防治災(zāi)變范圍因支架反復(fù)升降等動態(tài)影響而擴大；架前頂板大范圍冒落后，不要急于出渣，積極采取注漿、掛網(wǎng)、施工錨桿(索)等限變約束，確保災(zāi)變范圍不再延展。