工作面過(guò)陷落柱回采工藝優(yōu)化及支護(hù)技術(shù)

郝大偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山白洞井，山西 大同 037031）

1 概述

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山白洞井8119 工作面位于C5#煤層301 盤區(qū)南部右翼，工作面南部為實(shí)煤區(qū)，東部為本盤區(qū)回風(fēng)、材料、皮帶巷，西部靠近礦界煤柱與塔山井田相鄰。2119 巷南部為實(shí)煤區(qū)，5119巷北部與301 盤區(qū)西部8105、8107 面采空區(qū)相鄰，煤柱寬度為8 m。

8119 工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1724 m，傾向長(zhǎng)度221 m。工作面回采煤層為石炭系5#煤層，平均厚度7.95 m，平均傾角3°，煤層普遍有3～8 層夾石，夾石厚一般為0.10～0.30 m，局部達(dá)到0.70 m，夾石斷斷續(xù)續(xù)，不穩(wěn)定。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 8119 工作面石炭系5#煤層頂?shù)装鍘r性匯總表

8119 工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜采低位放頂煤采煤法，采空區(qū)頂板采用全部垮落法管理。采煤機(jī)從端部斜切進(jìn)刀→割通三角煤→采煤機(jī)正常割煤→滯后采煤機(jī)前滾筒3～5 架及時(shí)支護(hù)→距采煤機(jī)后滾筒10 架開始順序推移前部刮板運(yùn)輸機(jī)→放頂煤→拉后部刮板運(yùn)輸機(jī)→端部斜切進(jìn)刀→如此循環(huán)往復(fù)。截至2021 年7 月12 日工作面已回采680 m。

2 工作面地質(zhì)現(xiàn)狀及回采難題

2.1 工作面地質(zhì)現(xiàn)狀

前期鉆探資料以及巷道掘進(jìn)資料顯示，工作面回采687 m 處位于回風(fēng)順槽側(cè)揭露X5 陷落柱，陷落柱成不規(guī)則凸圓狀，如圖1 所示。陷落柱長(zhǎng)軸沿順槽走向，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度64 m，短軸長(zhǎng)度43 m，陷落柱腔體內(nèi)以炭質(zhì)泥巖以及粗砂巖為主，粗砂巖位于陷落柱底部，厚度為2.8 m，陷落柱上部為雜亂無(wú)章的炭質(zhì)泥巖，厚度為4.7 m。根據(jù)回風(fēng)順槽過(guò)X5期間掘進(jìn)現(xiàn)狀來(lái)看，巷道在過(guò)陷落柱期間圍巖穩(wěn)定性差，頂板冒漏嚴(yán)重，支護(hù)難度大，所以X5 陷落柱對(duì)工作面回采影響大。

圖1 8119 工作面X5 陷落柱平面布置示意圖（m）

2.2 回采技術(shù)難題

2.1.1 回采效率低

8119 工作面采用低位放頂煤回采工藝，采煤高度為3.5 m，放煤高度為4.45 m。工作面采用MG400/930-WD 雙滾筒采煤機(jī)割煤，采煤機(jī)允許最大破巖強(qiáng)度為50 MPa。根據(jù)回風(fēng)順槽揭露的陷落柱巖體來(lái)看，陷落柱底部巖體為粗砂巖，巖體厚2.8 m，巖體硬度為55 MPa。巖體硬度大，若采用采煤機(jī)強(qiáng)行破巖，采煤機(jī)截齒磨損嚴(yán)重，截割部負(fù)荷大，采煤機(jī)故障率可能增加，而且采煤機(jī)強(qiáng)行破巖過(guò)陷落柱時(shí)回采難度大、回采效率低。

2.1.2 圍巖控制難度大

8119 工作面回采時(shí)采用ZF12000/23/35 型液壓支架進(jìn)行頂板支護(hù)。當(dāng)工作面回采揭露陷落柱后，由于陷落柱腔體內(nèi)上部巖體主要為炭質(zhì)泥巖，巖體無(wú)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，整體呈破碎狀，工作面回采時(shí)受回采超前應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等集中應(yīng)力影響，陷落區(qū)圍巖穩(wěn)定性差，特別是頂板承載能力低，過(guò)陷落區(qū)時(shí)頂板出現(xiàn)破碎、垮落現(xiàn)象，支架過(guò)陷落區(qū)不僅工作阻力不達(dá)標(biāo)，很容易出現(xiàn)倒架、陷架事故，而且嚴(yán)重威脅著工作面回采安全。

3 回采工藝優(yōu)化及支護(hù)技術(shù)

3.1 回采工藝優(yōu)化

為了減少采煤機(jī)破巖量，降低采煤機(jī)回采期間故障率，決定對(duì)陷落柱區(qū)采取深孔預(yù)裂爆破施工[1-5]。

3.1.1 爆破參數(shù)確定

為了提高預(yù)裂爆破效果，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)不同直徑礦用乳化炸藥爆破后對(duì)圍巖產(chǎn)生裂隙情況進(jìn)行分析。X5 陷落柱巖性參數(shù)見表2。

表2 X5 陷落柱巖性參數(shù)匯總表

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破預(yù)裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鉆孔內(nèi)炸藥爆破后產(chǎn)生的瞬間沖擊波逐漸向應(yīng)力波轉(zhuǎn)化，且隨著距離擴(kuò)展以及爆破能量消耗，應(yīng)力波呈逐漸衰弱趨勢(shì)。對(duì)爆破后圍巖裂隙長(zhǎng)度測(cè)算發(fā)現(xiàn)，炮孔爆破后圍巖產(chǎn)生的裂隙區(qū)半徑約為藥卷直徑的30～35 倍 ，如表3 所示；而X5 陷落區(qū)粗砂巖厚度為2.8 m，由表3可得采用直徑為45 mm 的爆破藥卷爆破后產(chǎn)生的圍巖裂隙能夠完全擴(kuò)展至整個(gè)巖面。

表3 不同直徑藥卷爆破后圍巖裂隙擴(kuò)展半徑

3.1.2 爆破施工工藝

（1）爆破預(yù)裂孔施工在回風(fēng)側(cè)煤壁上，鉆孔開孔位置距底板距離為1.4 m，鉆孔垂直煤壁布置，鉆孔直徑為55 mm，鉆孔深度為25 m，布置間距為3.0 m，第一個(gè)鉆孔布置在距陷落柱上邊緣3.0 m 處，共計(jì)施工22 個(gè)鉆孔，施工長(zhǎng)度為66 m。

（2）爆破預(yù)裂鉆孔施工完后，對(duì)鉆孔內(nèi)填裝5支礦用乳化炸藥。每支乳化炸藥長(zhǎng)度為0.35 m，直徑為45 mm，單孔裝藥量為1.8 kg，采用正向分段式裝藥方式。每裝完一支藥卷后采用黃土與細(xì)沙配比為3:1 混合粘性材料進(jìn)行封孔，封孔深度為1.0 m。每次爆破孔數(shù)不超過(guò)3 個(gè)。

3.2 支護(hù)技術(shù)

為了防止工作面過(guò)陷落柱期間發(fā)生頂板垮落事故，決定對(duì)陷落柱區(qū)頂板采取注漿加固，并施工超前管棚支護(hù)。

3.2.1 注漿加固

（1）陷落柱區(qū)域爆破預(yù)裂后回采前，在工作面煤壁上施工一排注漿鉆孔，鉆孔開口位置距頂板間距為1.2 m，鉆孔深度為5.0 m，直徑為40 mm，鉆孔布置間距為3.0 m，鉆孔布置仰角為50°，如圖2 所示，每排布置10 個(gè)注漿鉆孔。

圖2 8119工作面過(guò)X5陷落柱聯(lián)合支護(hù)平面示意圖（mm）

（2）注漿鉆孔施工完后，對(duì)鉆孔內(nèi)安裝注漿軟管，注漿軟管外露端連接閥門、壓力表以及混合器、注漿泵，并對(duì)注漿鉆孔孔口處采用膨脹水泥進(jìn)行封孔處理。

（3）為了降低注漿材料發(fā)熱現(xiàn)象，縮短注漿液凝固時(shí)間，決定采用聚氨酯化學(xué)材料作為注漿液，相比馬麗散漿液聚氨酯具有反應(yīng)放熱小、凝固速度快、粘接效果好以及凝固體強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。單孔注漿量為60 kg，注漿壓力為3.5 MPa。

3.2.2 超前管棚支護(hù)

工作面注漿完成后，在回采期間為了防止支架支護(hù)不及時(shí)出現(xiàn)端面破碎、冒漏現(xiàn)象，決定對(duì)陷落柱區(qū)施工一排超前管棚支護(hù)。

（1）超前管棚支護(hù)體采用長(zhǎng)度為4.0 m（兩節(jié)中空鋼管對(duì)接）、直徑為30 mm 中空鋼管，鋼管端部設(shè)置為削尖狀，方便插入鉆孔內(nèi)，削尖狀長(zhǎng)度為0.5 m。管棚支護(hù)體布置在工作面設(shè)計(jì)頂板位置，與工作面煤壁垂直布置，每個(gè)支架前方布置三根，布置間距為0.8 m。

（2）工作面回采至685 m 處（距先陷落柱邊緣2.0 m）時(shí)開始對(duì)工作面頂板施工超前管棚支護(hù)，支護(hù)施工前先將工作面浮煤清理干凈，保證煤壁平直且支架支護(hù)到位。支護(hù)鉆孔布置在107#～127#支架前方。

（3）采用手持式鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔施工完后依次對(duì)鉆孔內(nèi)安裝超前管棚支護(hù)體，超前支護(hù)安裝后工作面在后期移架時(shí)支架頂梁緊貼超前支護(hù)體。當(dāng)工作面回采3.0 m 后施工第二排超前支護(hù)體。

4 應(yīng)用效果

2021 年7 月25 日早班8119 工作面已回采至752 m，已過(guò)X5 陷落柱區(qū)。通過(guò)對(duì)陷落區(qū)采取爆破預(yù)裂施工以及注漿、超前管棚等聯(lián)合支護(hù)后，效果良好。

（1）對(duì)8119 工作面陷落柱采取深孔預(yù)裂爆破后，陷落柱腔體內(nèi)堅(jiān)硬巖體提前預(yù)裂，形成高度發(fā)育的裂隙帶，降低了后期采煤機(jī)破巖難度，提高了采煤機(jī)回采速度，采煤機(jī)破巖期間設(shè)備故障率由原來(lái)的14%降低為5%，設(shè)備維修費(fèi)用減少了40 余萬(wàn)元，工作面回采速度提高至6.2 m/d。

（2）對(duì)陷落柱采取注漿加固后，提高了陷落區(qū)破碎圍巖膠結(jié)穩(wěn)定性以及單軸抗壓強(qiáng)度。對(duì)陷落區(qū)頂板施工超前管棚支護(hù)，防止了回采期間因支架前移不及時(shí)發(fā)生頂板冒漏事故，保證了支架初撐力及工作阻力，實(shí)測(cè)支架在過(guò)陷落柱區(qū)域時(shí)初撐力及工作阻力達(dá)95%以上。