馬脊梁礦綜放工作面壓架漏頂原因分析及治理方法

臧功卿

(大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 大同 037003)

大同礦區(qū)石炭系C3-5號(hào)層特厚煤層埋深在200～500 m，煤層厚度大(10～30 m)、夾矸層數(shù)較多(2～13層)，普遍受火成巖不規(guī)則侵入，因而煤體整體結(jié)構(gòu)完整性較差，硬度呈現(xiàn)下大上小的變化；同時(shí)煤層上覆有多層堅(jiān)硬頂板，巖性以砂巖和礫巖為主；因而受C3-5號(hào)煤層原生環(huán)境的影響，再疊加其他地質(zhì)構(gòu)造的影響，在開(kāi)采過(guò)程中，往往會(huì)遇到工作面漏頂和壓架的情況，本文以礦區(qū)內(nèi)馬脊梁礦綜放工作面為例，對(duì)其發(fā)生壓架和漏頂?shù)脑蜻M(jìn)行分析并提出對(duì)策。

1 工作面概況

馬脊梁礦C3-5號(hào)層8103綜放工作面設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度400 m，傾向長(zhǎng)度200 m，煤層平均厚12.75 m，共使用118架ZF13000/25/38型支架，工作面采高為3.5 m，放高9.25 m，采放比為1∶2.64，放煤方法為多輪分組間隔放煤法，采空區(qū)頂板采用自然垮落法處理。工作面直接頂為泥巖，老頂以砂巖和礫巖為主，底板為泥巖和砂巖，煤層傾角平均9°(6°～12°)，煤厚(含矸)10.45～15.5 m，其中純煤厚7.6 m，正常煤層中含夾矸2～6層，夾矸巖性為碳質(zhì)泥巖，煤層上部有天然焦，天然焦含3～4層火層巖侵入體，導(dǎo)致頂煤疏松破碎，煤層整體f值由下向上變小，變化區(qū)間為2～0.5。工作面為三巷布置，分別為：2103膠帶巷、5103回風(fēng)巷和8103頂抽巷，通風(fēng)方式為“U+I”型。

2 壓架漏頂現(xiàn)象

8103工作面在回采期間周期來(lái)壓頻繁，來(lái)壓步距為10～15 m，來(lái)壓期間壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，造成頂板管理困難，嚴(yán)重影響工作面正?；夭?。其中第8次周期來(lái)壓最為明顯，來(lái)壓位置為140 m，來(lái)壓步距為17 m，工作面20～100號(hào)支架壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，整體頂煤破碎嚴(yán)重，80%的支架安全閥開(kāi)啟；23～45號(hào)架前探梁垂頭，無(wú)法通過(guò)采煤機(jī)；采煤機(jī)在54號(hào)架處被支架壓住無(wú)法行走；62～66號(hào)架壓死，前立柱無(wú)行程；66號(hào)架前立柱雙柱底座箱打通；67號(hào)架前立柱雙柱柱窩損壞，支架主梁上方蓋板與柱窩結(jié)構(gòu)件開(kāi)焊裂縫；30～80號(hào)架支架前探梁背大矸，其中68～73號(hào)架對(duì)應(yīng)煤壁超前1～1.5 m片幫，支架前探梁垂頭，頂煤破碎嚴(yán)重；前部刮板輸送機(jī)壓死，工作面不能正常推進(jìn)，見(jiàn)圖1。

圖1 工作面來(lái)壓現(xiàn)狀

3 壓架漏頂原因分析

3.1 工作面切頂線前移

工作面為仰斜開(kāi)采，仰斜角度最大超過(guò)10°，支架上方頂煤容易滑落，初撐力管理困難。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤壁片幫1～1.5 m，可判斷基本頂斷裂線在煤壁前方1～1.5 m外破斷，破斷形成的結(jié)構(gòu)塊作用在煤壁或支架前端，從而引起支架前端受力栽頭，導(dǎo)致支架失效，并加速頂煤和頂板的不穩(wěn)定，以及頂煤上部大塊巖石沿支架端垮落下來(lái)。具體為周期來(lái)壓前，基本頂為懸臂結(jié)構(gòu)，周期來(lái)壓后，懸臂結(jié)構(gòu)斷裂形成結(jié)構(gòu)塊體，該塊體長(zhǎng)度一般為基本頂來(lái)壓步距，上方不穩(wěn)定巖層的載荷同時(shí)作用在該結(jié)構(gòu)塊體上方，該結(jié)構(gòu)塊的前端作用在煤壁和支架前部，導(dǎo)致煤壁片幫和支架前端過(guò)載而后端空載，從而導(dǎo)致支架栽頭，使支架上方失穩(wěn)的大塊巖石通過(guò)支架前端向機(jī)道漏冒，從而造成生產(chǎn)的被動(dòng)局面。

3.2 工作面開(kāi)采達(dá)到充分采動(dòng)條件

8103工作面平均埋深超過(guò)520 m，埋深較大，且為單翼連續(xù)開(kāi)采的第三個(gè)工作面，達(dá)到了該條件下的充分采動(dòng)條件，采場(chǎng)壓力最大。具體為：工作面南部分別為8101采空區(qū)和8101-1采空區(qū)，開(kāi)采順序?yàn)?101工作面—8101-1工作面—8103工作面，3個(gè)工作面斜長(zhǎng)總和為623 m。8101工作面和8101-1工作面開(kāi)采后地表巖層未達(dá)到充分采動(dòng)，8103開(kāi)采后，工作面斜長(zhǎng)達(dá)到623 m，為埋深的1.2倍，地表巖層達(dá)到充分采動(dòng)，充分采動(dòng)條件為：開(kāi)采范圍/埋深等于1.2～1.5。

3.3 工作面受上覆高位關(guān)鍵層影響

煤層上方50 m范圍內(nèi)賦存有3層厚度超過(guò)11 m的砂巖和砂礫巖，為堅(jiān)固完整的巖層，不容易破斷，在采場(chǎng)空間易形成較長(zhǎng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)，屬于高位關(guān)鍵層，見(jiàn)圖2。

圖2 地質(zhì)鉆孔柱狀圖

4 壓架及漏頂綜合治理方法

4.1 臨時(shí)處理方法

在液壓支架前端，采用單體液壓柱臺(tái)棚輔助支撐方法，對(duì)支架進(jìn)行逐架修復(fù)至正常狀態(tài)；支架狀態(tài)以頂梁向上10～15°為宜，此時(shí)支架受力最為有利，當(dāng)支架恢復(fù)到正常狀態(tài)后，單體支柱即可拆除；在恢復(fù)支架的過(guò)程中要確保運(yùn)輸機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠隨時(shí)處理片幫以及垮落的大塊煤矸；要嚴(yán)格支架管理，確保采高不超3.3 m(最小過(guò)機(jī)高度)；嚴(yán)格控制最小控頂距，必要時(shí)要在極破碎區(qū)域固結(jié)煤壁。

4.2 長(zhǎng)期治理方法

為了從根本上解決礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題，提出弱化關(guān)鍵層頂板的治理思路，目前煤礦常用的頂板弱化方法有：地面鉆孔水力壓裂頂板、同層水平鉆孔水力壓裂頂板、巷道步距預(yù)裂爆破頂板和施工工藝巷預(yù)裂爆破頂板。由于工作面一側(cè)為采空區(qū)，另一側(cè)工作面已回采140 m，巖體結(jié)構(gòu)完整性破壞，水壓致裂容易發(fā)生高壓水泄露，達(dá)不到壓裂效果，宜采用頂板預(yù)裂爆破方式弱化頂板的方案。

5 頂板預(yù)裂爆破方案及比較

5.1 兩巷打孔預(yù)裂爆破方案

在兩巷進(jìn)行打孔預(yù)裂爆破頂板，鉆孔長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且需穿過(guò)煤層，根據(jù)以往長(zhǎng)鉆孔預(yù)裂爆破施工經(jīng)驗(yàn)，鉆孔深度超過(guò)60 m后受鉆孔偏鉆、炸藥重量增加、鉆孔變形等影響，裝藥施工困難，因此鉆孔深度不宜超過(guò)60 m。

鉆孔工程量：按照鉆孔垂距或終孔間距不超過(guò)12 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，每組需要8個(gè)爆破鉆孔，爆破鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1，每組鉆孔進(jìn)尺為375.2 m，末采30 m不放煤，兩巷207 m范圍內(nèi)需要施工爆破鉆孔，需施工30組鉆孔，合計(jì)鉆孔進(jìn)尺11 256 m。兩巷預(yù)裂爆破鉆孔布置見(jiàn)圖3。

圖3 兩巷預(yù)裂爆破鉆孔布置示意

表1 爆破鉆孔參數(shù)

5.2 施工工藝巷打孔預(yù)裂爆破頂板方案

工藝巷工程量：沿煤層頂板在工作面65號(hào)支架上方施工一條工藝巷，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面4 m×3 m，巷道自5103巷通尺101 m開(kāi)口，與5103巷夾角45°水平施工33 m至8103頂抽巷下部，然后按6°仰角施工80 m揭露煤層頂板，最后沿5103巷平行施工285 m，共計(jì)需要483 m煤巷。

鉆孔工程量：按照鉆孔垂距或終孔間距12 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，每組需要8個(gè)爆破鉆孔，爆破鉆孔參數(shù)見(jiàn)表2，每組鉆孔進(jìn)尺為357.3 m，末采30 m不放煤，共計(jì)有207 m工藝巷需要施工爆破鉆孔，需施工30組鉆孔，合計(jì)鉆孔進(jìn)尺10 719 m，工藝巷預(yù)裂爆破鉆孔布置見(jiàn)圖4。

表2 爆破鉆孔參數(shù)

5.3 方案對(duì)比分析及建議

通過(guò)表3方案比較可知，采用工藝巷預(yù)裂爆破弱化頂板效果較好，每組鉆孔進(jìn)尺357.3 m，鉆孔總進(jìn)尺10 719 m，煤巷總進(jìn)尺483 m，該方案鉆孔淺，裝藥容易，不易出現(xiàn)炸藥無(wú)法送入孔底的情況。在工藝巷內(nèi)施工，不受其他設(shè)備管路影響，并且能夠有效弱化最易出現(xiàn)漏頂壓架的中部支架頂板，但施工483 m工藝巷，預(yù)計(jì)需要約20 d時(shí)間；而在兩巷預(yù)裂爆破無(wú)法有效對(duì)中部頂板進(jìn)行弱化，煤柱鉆孔進(jìn)尺375.2 m，鉆孔總進(jìn)尺11 256 m，雖然不用掘進(jìn)煤巷，但煤層中的鉆孔容易出現(xiàn)變形影響裝藥，且施工受膠帶、單體柱等設(shè)備管路影響嚴(yán)重。

表3 工藝巷打孔預(yù)裂爆破與兩巷打孔預(yù)裂爆破方案對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 工作面發(fā)生壓架及漏頂?shù)脑蛑饕怯捎谑苊簩由细哺呶魂P(guān)鍵層斷裂、開(kāi)采達(dá)到充分采動(dòng)條件、仰斜開(kāi)采切頂線前移及煤層本身結(jié)構(gòu)整體完整性較差綜合影響造成的。

2) 為治理壓架及漏頂，應(yīng)首先在液壓支架前端采用單體液壓柱臺(tái)棚輔助支撐方法逐架將受壓支架修復(fù)至正常狀態(tài)，但為了從根本上解決礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題宜采用弱化關(guān)鍵層頂板的治理方法。

3) 建議采用施工工藝巷的方式對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破，能夠有弱化工作面中部頂板巖層，減小周期來(lái)壓步距，降低周期來(lái)壓強(qiáng)度，解決采場(chǎng)中部壓架漏頂問(wèn)題，且施工便利、安全性高、預(yù)期效果好。