堅硬頂板大傾角軟煤綜采安全技術(shù)探析

時昌鵬

（山西蘭花同寶煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

大傾角煤層在西南、兩淮地區(qū)以及山西、陜西等煤炭主產(chǎn)區(qū)均有分布。相對于近水平煤層而言，大傾角煤層開采時存在的致災因素多，開采難度大［1-2］。為了實現(xiàn)大傾角煤層的安全開采，眾多學者從采場空間結(jié)構(gòu)、圍巖應力演化、覆巖破斷等方面展開研究［3-4］。同寶煤業(yè)15105 綜采工作面開采的15 號煤為大傾角松軟煤層。該煤層頂板為堅硬的灰?guī)r，回采期間面臨的主要問題是煤壁片幫、頂板冒落以及支架失穩(wěn)等問題，采取針對性措施確保工作面安全高效回采是面臨的現(xiàn)實問題。

1 工作面概況

同寶煤業(yè)15105 綜采工作面開采15 號煤層，受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，煤層傾角介于20°～36°之間，平均為30°。煤層硬度普遍在0.5 以內(nèi)，為典型的大傾角松軟煤層。15 號煤層厚度為2.51 m，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層結(jié)構(gòu)簡單～較簡單，含0～3 層泥巖夾矸，煤層直接頂為厚度5.6 m的泥巖，抗壓強度26 MPa；基本頂為厚度14.4 m的K2灰?guī)r，抗壓強度86 MPa；底板為砂質(zhì)泥巖、鋁土巖、粘土巖。15105 綜采工作面設(shè)計走向長度為580 m，傾斜寬度為115 m，采用綜合機械化一次采全高工藝，采煤機型號為MG500/1180WD型，液壓支架型號為ZY9200/20/40D型，采用全部垮落法管理頂板。

15105 綜采工作面回采期間液壓支架間出現(xiàn)不同程度漏矸、煤壁片幫、支架傾斜問題，甚至局部位置出現(xiàn)大范圍冒頂現(xiàn)象，見圖1?，F(xiàn)場采用提高液壓支架工作阻力方式治理頂板冒落、煤壁片幫以及支架失穩(wěn)現(xiàn)象，但是效果不明顯。

圖1 頂板冒頂現(xiàn)場

2 工作面回采期間風險分析

15105 綜采工作面回采期間制約工作面安全的主要因素為頂板冒落（架間漏矸）、煤壁片幫以及液壓支架穩(wěn)定性較差。結(jié)合相關(guān)研究成果［5-6］，分析認為15 號煤層頂板堅硬、煤體硬度較低以及煤層傾角大等因素是導致冒頂、片幫發(fā)生的主要原因。具體災變過程為：工作面回采過程中煤層上覆K2灰?guī)r不能及時垮落，超前應力集中更為明顯，在應力集中作用下煤體以及直接頂（泥巖）裂隙進一步擴展、完整性有所降低，從而增加煤壁片幫以及漏頂發(fā)生概率；工作面煤壁出現(xiàn)片幫后，直接頂沿著片幫處冒落，造成支架局部空頂，嚴重時造成支架失穩(wěn)；支架失穩(wěn)后頂板巖層失去控制，在頂板覆巖壓力作用下支架存在大范圍傾倒或者壓垮風險。

歸結(jié)起來，堅硬頂板大傾角軟煤在回采過程中災害模式有兩種：①煤壁片幫、頂板冒落導致液壓支架、圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；②煤層上覆基本頂突然破斷導致工作面支護體系受到較大沖擊，嚴重時出現(xiàn)災害。根據(jù)15105 工作面具體條件，提出使用深孔預裂爆破弱化頂板巖層，降低頂板來壓強度；注漿提高煤體承載能力及穩(wěn)定性，同時支架頂梁鋪設(shè)金屬網(wǎng)及工字鋼梁支護破碎頂板防止煤壁片幫及冒頂現(xiàn)象；采取嚴格控制采高等措施提高支架穩(wěn)定性。

3 工作面回采安全技術(shù)措施

3.1 堅硬頂板弱化技術(shù)

通過深孔預裂爆破超前弱化頂板灰?guī)r，實現(xiàn)煤層基本頂及時垮落，改善工作面前方煤體受力環(huán)境。在超前工作面30～35 m位置施工頂板預裂爆破鉆孔，鉆孔布置見圖2。在回風巷、進風巷沿走向各布置3 個預裂爆破鉆孔，終孔位置位于基本頂上邊界附近，即終孔位置位于15#煤層上覆約20 m處；鉆孔間距根據(jù)經(jīng)驗確定，設(shè)計為2.5 m，施工參數(shù)見表1。選用煤礦許用三級乳化炸藥，采用連續(xù)耦合裝藥方式，雙雷管引爆，采用水泥、水炮泥以及黃泥封孔。

圖2 預裂爆破鉆孔布置

表1 預裂爆破鉆孔施工參數(shù)

3.2 煤壁片幫防治技術(shù)

在15105 綜采工作面中部以及回風巷向破碎煤體區(qū)施工注漿鉆孔，注入化學漿液（材料為聚氨酯），化學漿液在破碎煤體中擴展、膠結(jié)后可有效提高煤巖體強度以及穩(wěn)定性。破碎煤體區(qū)主要分布在DF21斷層附近，DF21斷層與回風巷間距介于25～33 m間。因此，回風巷內(nèi)施工的注漿孔深均為35 m、間距為3.0 m，注漿壓力5 MPa以上，注漿孔沿著煤層施工，通過注漿提高斷層影響區(qū)附近煤體穩(wěn)定性；回采過程中發(fā)現(xiàn)破碎煤體時，則在工作面煤壁施工注漿孔，孔深一般控制在6.0 m，間距為2.0 m，注漿壓力3～5 MPa。

工作面液壓支架與煤壁共同起著支撐頂板的作用。由于15 號煤層直接頂為泥巖，雖然本身裂隙不發(fā)育，但是由于其自身承載能力較差，在采動壓力以及液壓支架反復支撐作用下產(chǎn)生大量的裂隙，在采煤機割煤、液壓支架移架期間容易出現(xiàn)頂板冒落問題。為此，在現(xiàn)場通過鋪設(shè)金屬網(wǎng)+工字鋼梁對破碎頂板進行控制；在工作面推溜、移架時應做到少降快拉及時支護破碎頂板、煤壁。

3.3 液壓支架穩(wěn)定性控制措施

確保液壓支架穩(wěn)定對工作面回采安全具有重要意義。針對15105 綜采工作面具體條件，提出采取下述支架穩(wěn)定性控制措施：

（1）工作面回采時嚴格控制采高，當回采遇到地質(zhì)構(gòu)造帶時可適當降低采高，確保支架穩(wěn)定；

（2）為實現(xiàn)液壓支架姿態(tài)的實時調(diào)節(jié)，避免出現(xiàn)傾倒問題，在支架頂梁位置安裝側(cè)推彈簧以及防倒千斤頂，在兩側(cè)護板位置安裝側(cè)推千斤頂。

（3）為提高液壓支架整體完整性并防止支架出現(xiàn)滑移，通過斜拉千斤頂與工作面刮板輸送機連接，在支架底座前后位置均安裝調(diào)斜千斤頂。

3.4 效果分析

為了掌握安全技術(shù)措施應用效果，對工作面回采期間液壓支架工作阻力以及煤壁片幫情況進行監(jiān)測分析。經(jīng)觀測工作面周期來壓步距約23 m。在頂板來壓期間僅個別支架安全閥開啟，液壓支架工作阻力介于7 456.3～8 017.6 kN之間，為額定工作阻力的81.0%～87.2%；在非來壓期間液壓支架工作阻力介于5 526.9～6 354.7 kN之間，為額定工作阻力的60.1%～69.1%。在正?；夭善陂g以及頂板來壓期間支架工作阻力均較小，保留有較大的富裕系數(shù)。表明采用深孔預裂爆破對煤層上覆堅硬的K2灰?guī)r弱化后可有效降低頂板來壓強度。

在工作面煤體破碎區(qū)采取化學注漿、支架頂板鋪設(shè)雙層金屬網(wǎng)及工字鋼梁措施后，煤壁片幫以及頂板冒落問題基本得以解決。工作面正常回采期間煤壁及頂板完整性較好，僅來壓期間煤壁出現(xiàn)小范圍片幫，片幫深度在0.3 m以內(nèi)；液壓支架傾斜角介于6°～8°間，未發(fā)生傾倒或滑移現(xiàn)象，表明采取的煤壁片幫、支架穩(wěn)定性措施等取得較好效果。

4 結(jié)語

15105 綜采工作面煤層為堅硬頂板大傾角軟煤，在回采過程中面臨的主要安全風險為煤壁片幫、頂板冒落以及支架失穩(wěn)。采用頂板深孔預裂爆破、煤體破碎區(qū)注漿、鋪設(shè)金屬網(wǎng)及工字鋼梁、支架防倒防滑等措施，頂板來壓強度有所降低，煤壁片幫及冒頂問題基本得以解決，支架穩(wěn)定，保證了工作面安全回采。