回采工作面過陷落柱區(qū)域頂板綜合控制技術(shù)應用實踐

張國新

（長治紅興煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

1 工程概況

紅興煤礦150102 工作面位于礦井一采區(qū)南部，運輸順槽掘進至距離工作面開切眼619～632 m 處揭露DX1 陷落柱，該陷落柱長17 m、寬8 m，影響范圍為賦存區(qū)域前后70 m 左右。掘進期間，受陷落柱影響，頂板破碎，巷道支護困難，回采期間，迎頭煤壁片幫，部分區(qū)域頂板破碎，給工作面安全快速回采造成一定影響。

2 陷落柱影響分析

2.1 陷落柱影響預計

由于陷落柱影響，煤層及煤層上覆巖層完整性遭到破壞，巷道開挖，原巖應力狀態(tài)改變，陷落柱構(gòu)造應力釋放。工作面回采至陷落柱影響區(qū)域時，超前支承壓力與陷落柱構(gòu)造應力疊加，工作面礦壓顯現(xiàn)明顯，如不采取有效措施，會出現(xiàn)大面積冒頂，對工作面安全回采造成極大影響。

2.2 陷落柱影響區(qū)域分析

（1）陷落柱構(gòu)造造成運輸順槽應力集中，精準確定構(gòu)造影響區(qū)域，是采取預防性治理措施的關(guān)鍵。在工作面運輸順槽CT 反演，通過捕捉高波速梯度特征，對巷道周圍煤巖體所受應力狀態(tài)進行精準探測，作為制定針對性治理措施的依據(jù)。150102工作面CT 探測區(qū)域為構(gòu)造影響區(qū)域前后150 m 范圍，施工爆破孔60 個，共接收震波數(shù)據(jù)986 道。試驗過程中，設(shè)定采樣頻率為2000 Hz，檢波器工作頻段5～10 000 Hz，增益40 dB，采樣長度0.5 s，激發(fā)孔內(nèi)每孔200 g 炸藥，短斷觸發(fā)，每炮激發(fā)，21 道接收。通過CT 探測確定構(gòu)造導致的應力集中區(qū)域為構(gòu)造前后約70 m 范圍，以此作為重點治理區(qū)域。如圖1。

圖1 運輸順槽側(cè)切面波速異常系數(shù)分布云圖

（2）礦壓數(shù)據(jù)驗證。150102 工作面正常回采期間回風順槽端頭周期來壓步距14.2～27 m，平均20.6 m；工作面中部周期來壓步距12.3～27 m，平均19.7 m；運輸順槽端頭周期來壓步距11.9～27.8 m，平均19.9 m。鄰近陷落柱影響區(qū)域，工作面中部及運輸順槽側(cè)端頭周期來壓步距基本無變化，運輸順槽端頭側(cè)周期來壓步距為12.6～18.8 m，平均15.7 m，步距明顯減小，說明受陷落柱構(gòu)造切割，煤層及其上覆巖層完整性受到破壞[1]。如何最大程度保證工作面直接頂?shù)耐暾裕乐孤╉?、冒頂，是安全快速通過該區(qū)域的關(guān)鍵。

（3）陷落柱影響強度分析。根據(jù)150102 工作面順槽支架工作阻力統(tǒng)計，當工作面回采至陷落柱影響范圍內(nèi)，運輸順槽側(cè)端頭支架工作阻力出現(xiàn)小幅增加，支架阻力平均值由25 MPa 升高至34 MPa，整體呈現(xiàn)先波動上升，再平緩波動，隨后呈現(xiàn)出波動下降的趨勢，最后趨于平緩。工作面正常回采期間運輸順槽端頭支架動壓系數(shù)1.03～1.33，平均1.18；工作面中部液壓支架動壓系數(shù)1.03～1.22，平均1.13；回風順槽端頭支架動壓系數(shù)1.07～1.31，平均1.19。鄰近陷落柱影響區(qū)域，工作面中部及回風順槽側(cè)端頭液壓支架動載系數(shù)基本無變化，運輸順槽側(cè)端頭支架動壓系數(shù)1.21～1.31，平均1.22，略高于未受陷落柱構(gòu)造影響區(qū)域。說明陷落柱構(gòu)造破壞了原來的應力平衡狀態(tài)，引起煤巖體內(nèi)部的應力重新分布，受工作面回采擾動，陷落柱構(gòu)造應力得到進一步釋放，與工作面采動應力疊加出現(xiàn)了應力集中[2]，導致受影響區(qū)域頂板及煤壁原生裂隙發(fā)育，完整性差，但由于采取了綜合措施，陷落柱構(gòu)造對工作面來壓強度影響較小。如圖2。

圖2 運輸順槽超前支架平均工作阻力變化曲線

3 綜合治理

3.1 強化陷落柱影響區(qū)域主動支護

鑒于運輸順槽施工至陷落柱構(gòu)造影響區(qū)域時，礦壓顯現(xiàn)明顯、出現(xiàn)冒頂、支護困難的情況，為實現(xiàn)該區(qū)域頂板及煤壁有效控制，防止工作面回采擾動導致塑性破壞區(qū)域增大，通過縮小主動支護間排距、施工幫部錨索、增大頂板錨索長度等方式增大支護強度，擴大有效支護半徑。該區(qū)域頂板及幫部均采用錨桿+錨索+W 型鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護方式。錨桿選用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格Φ22 mm×2500 mm，選用拱形鋼托盤，托盤長×寬×厚=150 mm×150 mm×10 mm；錨索規(guī)格Φ22 mm×7300 mm（幫部錨索長度5500 mm），間排距1600 mm×1600 mm，每排2 根錨索。相較于正常區(qū)域，錨桿支護間排距由900 mm×900 mm 縮小至800 mm×800 mm，增大支護密度；用W 型鋼帶代替鋼筋梯，增大護表面積和強度；頂板錨索長度由5500 mm 改為7300 mm，可采側(cè)煤幫部增加5500 mm 錨索，增大有效支護半徑。

3.2 加固陷落柱影響區(qū)域煤體

基于掘進期間礦壓顯現(xiàn)情況，為防止煤壁受工作面超前支承壓力及陷落柱構(gòu)造應力疊加影響，導致煤壁塑性破壞[3]，工作面回采至距離陷落柱影響區(qū)域300 m 前，對陷落柱影響區(qū)域運輸順槽側(cè)煤壁加注馬麗散進行加固。根據(jù)陷落柱實際賦存情況，確定加注馬麗散施工參數(shù)，加固范圍為陷落柱前后40 m范圍。注射孔沿巷道腰線布置，注射孔間距5 m，平行于煤層底板布置，孔深6 m。馬麗散通過頂板圍巖裂隙滲透，在錨桿、錨索孔進行擴散，達到其全場錨固的效果，在提高煤壁完整性的同時，增大煤壁抗壓強度，確保對頂板的有效支撐[4]。如圖3。

圖3 加注馬麗散系統(tǒng)設(shè)備及工藝圖

3.3 強制放頂

工作面回采后，頂板會隨工作面的回采垮落，基本頂及基本頂以上巖層垮落不及時形成的巖梁，將產(chǎn)生超前支承壓力，會對回采工作面頂板維護造成影響[5]。工作面鄰近陷落柱構(gòu)造前，對回風順槽側(cè)端頭處進行強制放頂，在工作面端頭支架頂梁前方向煤壁側(cè)沿工作面走向施工爆破孔，爆破孔直徑為85 mm，6 m 一組，每組兩個孔，孔間距5 m，孔深32 m，終孔位置巖性為細砂巖，裝藥長度17 m，封孔長度15 m，裝藥量42.5 kg，正向連續(xù)裝藥，導爆索串聯(lián)，毫秒延期電雷管起爆。通過對運輸順槽側(cè)的強制斷頂，切斷端頭懸頂造成的超前支承壓力傳遞，最大程度降低超前支承壓力與陷落柱構(gòu)造應力疊加對端頭頂板管理的影響。強制放頂爆破參數(shù)見表1。

表1 強制放頂爆破參數(shù)表

3.4 優(yōu)化回采工藝

減小最大空頂面積是解決采煤機截割期間漏頂、冒頂?shù)挠行Т胧?。鑒于150102 工作面液壓支架端面距為340 mm，采煤機正規(guī)截深為800 mm，同時兼顧考慮支架頂梁仰俯對采煤機截深影響，確定在工作面通過陷落柱構(gòu)造影響區(qū)域時，將采煤機截深減小200 mm，控制在600 mm。在此期間，為防止支架傾角變化導致煤機割支架前梁，需確保支架頂梁與頂板平行，最大仰附角不得大于5°，采用緊跟采煤機前滾筒移架的方式，最大程度減小最大空頂面積，縮短空頂時間。

為盡快通過陷落柱影響區(qū)域，在保證工作面刮板輸送機不上竄下滑的前提下，按照4:1 進行調(diào)采，即一個采煤循環(huán)截割三個溜尾、一個溜頭。調(diào)采三個采煤循環(huán)后，為防止刮板輸送機上竄下滑，進行一個正規(guī)循環(huán)，按照1:1 進行截割，即一個采煤循環(huán)截割一個溜頭一個溜尾。實施過程中如出現(xiàn)刮板輸送機上竄下滑，調(diào)整采煤循環(huán)參數(shù)。

4 實踐成果

強化主動支護、加固煤體的措施，保證構(gòu)造應力影響區(qū)域煤體對頂板進行有效支撐；強制放頂，解決超前支承壓力與構(gòu)造應力疊加問題；減小采煤機截深，改變正規(guī)采煤循環(huán)，最大程度減小空頂面積，縮短空頂時間，以最快的速度通過構(gòu)造影響區(qū)域。通過以上綜合措施的有效實施，150102 工作面通過陷落柱構(gòu)造影響區(qū)域時，除個別支架出現(xiàn)頂板破碎外，未出現(xiàn)大面積冒頂、漏頂現(xiàn)象，最終安全、快速通過構(gòu)造影響區(qū)域。