深部大采高工作面破碎頂板加固實(shí)踐

肖 曲

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

深部礦井開(kāi)采厚煤層時(shí)，由于賦存條件復(fù)雜，圍巖結(jié)構(gòu)迥異且擾動(dòng)范圍大，易造成工作面頂板的超前漏冒、煤壁易片幫。尤其是遇到構(gòu)造、斷層等地質(zhì)變化，導(dǎo)致煤壁變酥、強(qiáng)度降低，在開(kāi)采擾動(dòng)應(yīng)力及上部頂板的雙重作用下，易引發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。工作面及其圍巖加固多用于“三軟”煤層中，通過(guò)介質(zhì)介入增強(qiáng)煤巖強(qiáng)度[1-3]。李鵬等[4]通過(guò)研究工作面注漿加固作用的原理及注漿材料性質(zhì)，對(duì)工作面片幫嚴(yán)重的地方采取超井下上向孔注漿等措施控制煤壁和頂板。針對(duì)軟弱復(fù)合頂板容易發(fā)生冒頂區(qū)域，王全明等[5]采用兩煤巷超前深孔注漿加固，加固工作面頂板。不同專(zhuān)家針對(duì)不同情況采用的注漿加固技術(shù)也取得了豐富的成果。周春山[6]針對(duì)性地提出了采用高分子加固材料進(jìn)行注漿加固的方式。馬賽等[7]針對(duì)工作面末采階段礦壓顯現(xiàn)情況，補(bǔ)注少量有機(jī)注漿材料的聯(lián)合注漿加固技術(shù)，保證順利閉采。孟祥帥等[8]提出了地面注漿加固方案，并從4個(gè)方面評(píng)價(jià)其施工工藝。孫廣京等[9-12]從巷道支護(hù)方面提出了不同注漿加固技術(shù)，對(duì)圍巖進(jìn)行控制。眾多專(zhuān)家對(duì)圍巖加固的研究及實(shí)踐極大拓寬了圍巖控制的思路。

黃陵礦區(qū)二號(hào)煤礦四盤(pán)區(qū)煤層內(nèi)構(gòu)造較多，遇到構(gòu)造、斷層易出現(xiàn)煤墻片幫、頂板冒頂現(xiàn)象，已成為影響礦井安全高效開(kāi)采的重大災(zāi)害因素。因此，以陜西黃陵二號(hào)煤礦為工程背景，開(kāi)展深部大采高工作面破碎頂板加固技術(shù)對(duì)指導(dǎo)安全開(kāi)采至關(guān)重要。

1 工程背景

1.1 工作面概況

陜西黃陵二號(hào)煤礦隸屬于陜煤黃陵礦業(yè)集團(tuán)，核定年生產(chǎn)能力800萬(wàn)t。礦井采用斜井開(kāi)拓方式。目前礦井主采420工作面，采用單一煤層長(zhǎng)壁采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。井田工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度2 626 m、傾向長(zhǎng)度300 m，日推進(jìn)10刀(約9 m)。工作面選用掩護(hù)式支架，型號(hào)ZYT12000/28/63D。

1.2 圍巖特性

礦井初期普查勘探結(jié)果表明，二號(hào)煤礦420工作面，井上下標(biāo)高分別為+1 130～+1 374 m、+713～+732 m，平均埋深580 m，平均煤厚為5.2 m，局部有構(gòu)造；工作面煤層普氏系數(shù)為2～3，為穩(wěn)定-較穩(wěn)定煤層。工作面煤層上覆頂板依次為細(xì)砂巖、粉砂巖，煤層賦存條件如圖1所示。

圖1 煤層柱狀圖Fig.1 Coal seam histogram

工作面地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，煤層近水平發(fā)育，傾角為0°～2°，一般為0.5°。工作面除回風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)揭露2個(gè)小型斷裂構(gòu)造。揭露的斷層均為正斷層，巷道揭露的斷層位于420回風(fēng)巷2 395 m和1 436 m處，斷層落差0.8～1.0 m。斷層構(gòu)造情況見(jiàn)表1。開(kāi)采過(guò)程中形成的擾動(dòng)應(yīng)力不斷釋放和轉(zhuǎn)移，加劇圍巖裂隙發(fā)育；遇到斷層時(shí)，導(dǎo)致煤墻變酥，更易造成工作面漏頂、掉矸、煤壁片幫現(xiàn)象，制約礦井安全生產(chǎn)。

表1 斷層分布概況Table 1 Fault distribution

2 工作面礦壓顯現(xiàn)分析

2.1 工作面冒頂原因

420工作面推采至2 395 m時(shí)遇到一構(gòu)造斷層。工作面煤層上覆粉砂巖達(dá)到斷裂極限時(shí)，沿工作面推進(jìn)方向重復(fù)出現(xiàn)彎曲—起裂—破裂—垮落—平衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程。由于粉砂巖屬于近距離關(guān)鍵層，也是直接頂，易導(dǎo)致頂板的切頂線(xiàn)在工作面前方。在遇到斷層的雙重作用下，造成工作面冒頂、頂板離層，煤壁發(fā)生片幫，如圖2所示。隨著工作面繼續(xù)推采，擴(kuò)大了工作面的冒頂范圍。

圖2 工作面礦壓顯現(xiàn)概況Fig.2 Ground pressure behavior of working face

2.2 工作面礦壓顯現(xiàn)概況

工作面在支架110～145#發(fā)生冒頂，冒頂高度在0.8～1.5 m之間；煤壁主要發(fā)生剪切破壞，工作面105～155#存在片幫的位置距底板2.98～3.57 m，片幫深度約2.85～3.45 m，形成滑坡片幫。工作面片幫位置同時(shí)對(duì)應(yīng)底鼓現(xiàn)象。

3 注漿方案

3.1 注漿材料選取

根據(jù)礦井生產(chǎn)工藝及實(shí)際情況，選用礦用復(fù)合加固材料，是由A、B這2種組分組成的一種無(wú)機(jī)改性有機(jī)高分子樹(shù)脂材料。A、B組分混合后能迅速反應(yīng)，生成高強(qiáng)度的固結(jié)體；與煤巖體粘合后抗壓、抗剪強(qiáng)度高；材料的滲透性、流動(dòng)性好，遇水不發(fā)泡，不含揮發(fā)性溶劑，不產(chǎn)生任何有毒、有害氣體。A、B料按照 1∶1的體積比使用，通過(guò)混合槍進(jìn)行混合壓入注漿地點(diǎn)。A、B料對(duì)應(yīng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 復(fù)合加固材料性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of composite reinforcement materials

3.2 注漿方案

在工作面支架110～145#進(jìn)行注漿，采用氣動(dòng)泵將混合液從煤墻注入。注漿孔分為1號(hào)、2號(hào)注漿孔每隔3架位置施工一個(gè)注漿孔，兩孔垂直間距約2 m，共施工24個(gè)注漿孔，如圖3所示。注漿孔深10 m，孔徑32 mm，每孔預(yù)計(jì)注漿約1.5 t。1號(hào)、2號(hào)注漿孔有效處之加固距離分別為4.57 m、2.5 m，如圖4所示。當(dāng)注漿擴(kuò)散范圍≥2 m時(shí)且注漿過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常，則停止注漿工作。

圖3 注漿孔施工設(shè)計(jì)Fig.3 Design of grouting borehole

圖4 鉆孔施工參數(shù)Fig.4 Construction parameters of borehole

4 注意事項(xiàng)及管理措施

4.1 注意事項(xiàng)

進(jìn)入注漿區(qū)域前進(jìn)行“敲幫問(wèn)頂”作業(yè)，保證無(wú)活矸活煤。同時(shí)對(duì)作業(yè)區(qū)域周?chē)s物進(jìn)行清理，保證后路暢通。確保5臺(tái)支架范圍內(nèi)(約9 m)支架護(hù)幫板伸出。確保三機(jī)閉鎖，并執(zhí)行“誰(shuí)閉鎖，誰(shuí)解鎖”的原則，防止設(shè)備誤動(dòng)作。作業(yè)過(guò)程中如出現(xiàn)頂板掉矸、煤壁片幫等情況，必須停止作業(yè)，固定片幫吊桿位置達(dá)到穩(wěn)定情況，方可作業(yè)。施工前將架縫用鋼筋網(wǎng)片與支架用鐵絲連接牢靠，防止碎矸石掉落。施工注漿鉆孔施工時(shí)，每組3人配合作業(yè)，風(fēng)動(dòng)工具連接處必須使用正規(guī)U型銷(xiāo)。鉆孔人員應(yīng)站正扶穩(wěn)，不準(zhǔn)帶手套、扎緊袖口；操作人員站在上風(fēng)一側(cè)，眼孔下方不得有人。注漿前必須將注漿孔內(nèi)的煤渣吹掃干凈，注漿壓力保持在12.5 MPa左右，隨時(shí)與前方觀察人員聯(lián)系。注漿觀察人員必須在注漿孔口6 m以外安全位置，佩戴好相應(yīng)防護(hù)用品，隨時(shí)與操作人員聯(lián)系。

封孔時(shí)，施工人員嚴(yán)禁正對(duì)孔口方向。換孔時(shí)必須等注漿管內(nèi)壓力釋放后再開(kāi)始拆卸注漿管路。注漿時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)有圍巖松動(dòng)、跑(漏)漿、注漿壓力突然驟降等異常情況，應(yīng)立即停止注漿，查明原因，采取措施后方可恢復(fù)注漿。連接注漿管路時(shí)要保證各部位連接牢固，使用正規(guī)U型銷(xiāo)，防止管路脫落傷人。注漿結(jié)束后，及時(shí)調(diào)整工作面工程質(zhì)量，保證支架的初撐力及工作阻力。調(diào)整采高時(shí)，每刀抬落量不得超過(guò)300 mm，保證調(diào)整一刀平推1刀，防止運(yùn)輸機(jī)上漂或下扎過(guò)量造成支架架型不正支撐效率降低，以及采煤機(jī)前仰后翻導(dǎo)致煤墻不直，端面距增大，不利于頂板控制。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)管理

調(diào)整過(guò)程中逐漸達(dá)到工作面“三直兩平兩暢通”的技術(shù)要求。支架中心距誤差不超過(guò)100 mm，架間間隙不超過(guò)100 mm，相鄰支架頂梁平整無(wú)明顯錯(cuò)茬，支架前梁梁端至煤壁頂板垮落高度控制在300 mm以?xún)?nèi)，支架頂梁與頂板平行，最大仰俯角不大于7°，垂直頂?shù)装逋嵝苯遣淮笥?°。

移架時(shí)嚴(yán)格按支架操作規(guī)定操作，避免倒架、歪架、咬架，液壓支架必須接頂嚴(yán)實(shí)。生產(chǎn)期間若頂板破碎，必須先對(duì)頂板進(jìn)行維護(hù)，否則嚴(yán)禁調(diào)架。移架過(guò)程中保持帶壓擦頂、少降快拉，確保支架工況，防止空頂面積過(guò)大。減小支架端面距，以有效控制頂板，防止端面距過(guò)大，架前切頂。連續(xù)推采調(diào)整量不得超過(guò)1刀，同時(shí)保證運(yùn)輸機(jī)平順，10臺(tái)支架范圍內(nèi)運(yùn)輸機(jī)上下落差不得超過(guò)200 mm，不得有明顯坑包。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)420工作面在2 395 m遇到的斷層產(chǎn)生的片幫漏矸現(xiàn)場(chǎng)，分析420工作面片幫、漏頂原因，根據(jù)礦井生產(chǎn)工藝及實(shí)際情況采用礦用復(fù)合加固材料共計(jì)注漿24個(gè)鉆孔?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中分別提出了注漿注意事項(xiàng)及注漿后的現(xiàn)場(chǎng)管理制度，保障了工作面安全生產(chǎn)。為了防止在420工作面走向1 436 m遇到礦壓顯現(xiàn)情況，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，提前采取同類(lèi)方法進(jìn)行防治。同時(shí)對(duì)生產(chǎn)人員進(jìn)行安全培訓(xùn)，正確面對(duì)冒頂、片幫的礦壓?jiǎn)栴}，做到不害怕、積極應(yīng)對(duì)的職業(yè)素養(yǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)保證整刀的循環(huán)作業(yè)和工序管理，實(shí)現(xiàn)礦井安全高產(chǎn)高效作業(yè)。