急傾斜松軟厚煤層復雜構造段綜采技術

鄧強 周忠國 張孟軍 劉建 丁正付 文志祥

（四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司綠水洞煤礦，四川華鎣 638600）

0.引言

隨著礦井開采水平向深部延深，煤層傾角增大，加之地質條件復雜和煤層賦存條件變差，煤層松軟、厚度頻繁變化、具有突出危險性，對實施綜合機械化開采提出了更加嚴格的要求[1-6]。礦井+150m水平以上剩余煤炭資源主要分布在313、312、322、321、325、327采區(qū)，其中313、312、321、322、325采區(qū)煤層起伏變化都較大，312采區(qū)受陷落柱影響較大、327采區(qū)煤層傾角達到70°以上，且322采區(qū)已開采至邊界，各采區(qū)形成新的回采工作面時均會遇到煤層傾角增大、煤層厚度起伏變化、煤層增厚、工作面收斂變形、瓦斯地質條件變差、煤層自燃等情況，現(xiàn)有回采工藝、設備、治災手段等都將不再有利于回采，若不能正?；夭?，將連續(xù)影響多個采區(qū)、多個工作面的接替，導致礦井年生產(chǎn)能力大幅下降。綠水洞煤礦回采的3251南采煤工作面，從北向南采用俯偽斜綜合機械化開采需通過傾向裂隙1條、垮落區(qū)3個、煤層分岔帶2段、煤層松軟帶3段、機風巷收斂變形走向長度約400m、煤厚超過采高走向長度約300m，面臨液壓支架和刮板輸送機下滑嚴重、機械設備故障率高、采高超高接頂困難、工作面底板推底、采空區(qū)浮煤容易自燃、開采安全威脅程度高、開采成本高等難題。

1.技術方案

針對礦井遇到此類地質條件和煤層賦存情況的采煤工作面，若重新配置1套全新的適應性裝備則需一筆較大投資，面臨采煤工作面出現(xiàn)局部段（沿走向或傾斜方向影響）煤層松軟且厚度增厚，甚至局部地段超過了現(xiàn)有配套液壓支架的最大支撐高度，在利用現(xiàn)有裝備條件下，采取適當留設底煤開采的方式解決。若底煤留不住發(fā)生推底，則采取提溜墊架的方式，在確保液壓支架有效接頂?shù)那疤嵯掠行蚪M織推進，遇斷層等地質構造帶采取提前工程治災、超前治理，確保采煤工作面煤壁側頂板不垮冒，斷層等構造段支護有效、可靠，確保采面后續(xù)安全穩(wěn)步推進。

2.關鍵技術

2.1 預抽與注漿加固松散煤巖體

（1）預抽煤層瓦斯。采取向松軟厚煤層內(nèi)施工密集鉆孔，通過預抽煤層瓦斯，引起煤層收縮變形，增加煤層透氣性和煤的堅固性系數(shù)。

（2）注漿加固。對煤層松軟采用注漿管注漿加固，快速加固松散煤巖體使其形成整體。采用注漿加固技術，可達到改善圍巖力學性質，增強圍巖整體性，控制圍巖變形的效果。采用注漿管注漿，可利用漿液封堵圍巖的裂隙，隔絕空氣，防止圍巖風化，防止圍巖被水浸濕而降低圍巖的本身強度。注漿管注漿后將松散破碎的圍巖膠結成整體，提高了巖體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量，從而提高了巖體強度，實現(xiàn)利用圍巖本身作為支護結構的一部分。注漿漿液在泵壓作用下，不但可以將相互連通的巖體裂隙充滿，同時在壓力的作用下還可將充填不到的封閉裂隙和孔隙壓縮，從而對巖體整體起壓密作用。壓密作用的結果是使巖體的彈性模量提高，強度也相應提高。通過注漿加固使斷層破碎帶中的煤巖層松散層黏結成整體，并形成較高的抗壓強度，回采時不易掉頂和冒頂，給安全回采提供可靠保障。注漿加固方案為采用全液壓坑道式鉆機施工鉆孔后，在孔內(nèi)下注漿管（包括篩管），然后進行封孔，最后通過注漿泵將礦用無機加固雙組份速凝材料通過鉆孔注入。注漿工藝：準備好注漿材料、注漿設備、封孔用棉紗、綁絲等；把泵及附件（包括注漿用高壓膠管、工具、注漿管、U型卡、連接注漿管用的接頭等）、注漿材料等運至施工地點；將泵、攪拌桶與相應動力源連接；檢查泵內(nèi)的液壓油、潤滑油量是否滿足要求，開泵檢查泵能否正常運轉；對注漿孔封孔情況進行檢查；檢查泵及注漿管路的連接等情況—打開輸出閥門—開始注漿—暫停注漿—繼續(xù)注漿—結束注漿—用清水清洗泵和注漿管路；在注漿過程中，必須注意觀察泵及巷道四周狀況，當有返漿（通過多次暫停泵操作仍有漿液流出）出現(xiàn)時候，通過間歇注漿使已經(jīng)注入煤體內(nèi)的漿液上硬，泵及注漿管內(nèi)的漿液不失去流動性，從而封堵漏漿裂隙；對現(xiàn)場進行清理，注意清洗注漿泵、注漿管、料桶、攪拌桶與截止閥等設備。

2.2 斷層等構造地段超前工程治災

（1）將待擴刷點上方液壓支架移至最小控頂距，液壓支架探梁護壁板全部打開，將采煤機右滾筒牽至斷層構造以上頂板完整處停機，將左、右滾筒落地，采煤機、刮板輸送機停電閉鎖。在采煤機左滾筒前方刮板輸送機銷排上插專用大橫銷，防止采煤機跑車。在采煤機上方打設充氣擋欄，充氣擋欄施工好后，在采煤機右滾筒上方用單體液壓支柱配方木打設防飛矸擋矸設施，方木空隙處背嚴實。

（2）從上向下擴刷，擴刷時將采煤機右滾筒牽引至擴刷處落地并停電閉鎖，采用厚度不小于100mm木板鋪設操作平臺（兼做防墜落設施），擴刷段每間隔3架液壓支架撤一扇架前擋矸門及架前擋矸網(wǎng)，確保人員退路暢通。

（3）沿斷層面方向進行擴刷，擴刷后高度不低于2.3m，擴刷深度從煤壁開始最深位置不大于2m。擴刷后的頂板先支設臨時支護，間距1.5m，再采用φ=18mm、L=2m的樹脂錨桿配菱形金屬網(wǎng)（若出現(xiàn)頂板破碎，則增加鋼筋梯）進行支護，錨桿間排距1m，并沿斷層走向在擴刷段斷層上下盤各布置一排φ=15.24mm、L=5m的錨索加強支護，且上下盤錨索采用長度為2m鋼帶連接，鋼帶間距1.5m，根據(jù)現(xiàn)場頂板暴露情況若超過2m，則增加一根φ=15.24mm、L=5m錨索支護頂板。每根錨桿眼孔裝填1支CK2370型樹脂錨固劑，每根錨索眼孔內(nèi)裝2支CK2370型樹脂錨固劑。

（4）若需采用鉆爆法落煤施工，使用7655或YT29型鑿巖機打眼，同一段煤礦許用毫秒延期電雷管和三級煤礦許用乳化炸藥爆破落煤，掏槽眼深度1.5m，每眼裝藥不超過3條；周邊眼深度1.3m，煤層眼孔每眼裝藥不超過2條，巖石眼孔每眼裝藥不超過3條，采用正向裝藥，每次爆破總裝藥量不超過9.0kg，全斷面一次起爆，使用好黃泥及水炮泥，封泥長度不小于0.5m。

（5）每一架擴刷完畢后采用11#礦用工字鋼沿走向施工抬棚，長度以滿足現(xiàn)場實際需要為準，若工字鋼長度不夠則使用礦用工字鋼配不低于4副圓鋼卡搭接，搭接長度不小于500mm，抬棚一端（煤壁側）采用一根φ=15.24mm、L=5m錨索（鋼梁外露長度0.6m）配鐵托板固定在擴刷段頂板上（抵攏擴刷后的煤壁），另一端（液壓支架探梁側）放置在支架探梁上（嵌入探梁深度不小于0.6m），若能夠采用一組錨索配托板進行鎖固在頂板上則施工錨索固定，抬棚間距1.0m。抬棚上方的空漏部分采用半圓木等鋪設，再在鋼梁上架設“井”型木垛接頂。

（6）支設抬棚時，先將一端伸進液壓支架探梁內(nèi)，并用φ15.5mm鋼繩配繩卡固定在液壓支架探梁上，另一端采用單體液壓支柱升至頂板，待用錨索固定好后方可卸載單體液壓支柱。支設2架抬棚后，立即采用15kg/m鋼軌配合圓鋼卡沿傾向將抬棚連成整體，鋼軌均勻布置3根（沿傾向），傾向鋼軌的搭接長度不小于300mm，保證所有抬棚連成整體。

（7）在擴刷煤壁側采用φ≥160mm圓木或半圓木配鋼塑網(wǎng)進行護幫，圓木間距不超過1.5m。

（8）每次擴刷前，先將對應液壓支架探梁與煤壁間裸露出的頂板采用錨桿配錨索進行支護，待支護完后，立即施工排放孔，每架施工一個排放孔，排放孔孔徑75mm，施工深度5m，排放孔施工到位，現(xiàn)場瓦斯數(shù)據(jù)檢查正常，再進行擴刷與架設抬棚支護。

（9）在本架施工永久支護的同時，可安排人員對鄰架煤壁進行擴刷作業(yè)，擴刷后采用單體液壓支柱配方木打設臨時支護，臨時支護間距1.5m。待本架永久支護完畢后立即對鄰架進行支護，擴刷時嚴格按照此工序循環(huán)施工直至擴刷完工。

（10）若液壓支架探梁前方垮落高度＞3m，則在施工好抬棚支護后，用方木配抓釘在抬棚下方底板上架設“井”型木垛穩(wěn)固抬棚。

（11）工作面假頂鋪設完成后，工作面推進時，對斷層延伸影響以上的液壓支架段沿斷層層面進行提前擴刷和支護，以減少對回采的影響。

2.3 噴漿充填技術

（1）礦井噴漿支護主要用于圍巖加固支護，對于平巷而言噴漿機可以隨時移動，而對于斜坡噴漿支護或采煤工作面高冒區(qū)域噴漿充填移動噴漿機非常困難，傳統(tǒng)斜坡噴漿支護需要將噴漿機和相關材料下放至硐室，需要頻繁提升下放存在一定的安全威脅，加之噴漿管路容易堵塞，處理難度大。

（2）由于采煤工作面構造區(qū)域靠近中下部，工作面回風巷道距離需要噴漿充填的地點較遠，噴漿設備和材料轉運都非常麻煩和費力，將噴漿機安置在風巷超前支護范圍，采用風筒對上料位置進行遮擋處理，防止粉塵飛揚和材料浪費，從噴漿機處安設管路至噴漿作業(yè)點。噴漿作業(yè)時，風巷人員將噴漿所需的石粉和水泥按照配合比倒入噴漿機，噴料通過管路輔以重力作用送至噴漿口，然后通過噴槍噴入作業(yè)區(qū)域，達到安全快速噴漿作業(yè)的目的。

（3）采用該裝置后減少斜坡提升噴漿物料安全威脅，大大降低職工勞動強度，提高噴漿支護進度和質量，能夠使采煤工作面冒頂區(qū)域得到快速有效充填處理。

2.4 底煤留設與控制

（1）根據(jù)采煤工作面液壓支架最大支撐高度，留設合適的底煤厚度，保證液壓支架支撐高度留有一定余量。

（2）處于厚煤層或構造段的工作面液壓支架連成整體，前后防倒防滑缸全部配齊，至少延伸至完整頂板或正常煤厚5架液壓支架。

（3）嚴格控制采高和工作面用水，包括采煤機割煤時用水，做到停機停水，嚴防底板或底煤滑移造成采高失控。

（4）增加液壓支架柱帽，確保液壓支架能夠達到最大支撐高度。

（5）加強采煤工作面排架，嚴控液壓支架、刮板輸送機下滑，加強綜采配套設備檢修和維護，及時處理漏竄。

（6）使用好礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng)，實施實時在線監(jiān)測，確保支架初撐力合格。

3.實施效果

（1）通過對工業(yè)性試驗地點3251采煤工作面的綜采配套設備進行改造，從控制工作面俯偽斜程度上入手，強力推行風巷超前機巷俯偽斜開采，解決了采煤工作面片幫難題，特別是人員需要進入機道處理時安全威脅降低，從液壓支架的接頂及工作面水量控制上入手，支架接頂嚴實，確保頂板壓力能順利傳遞到底板，留設底煤后嚴控發(fā)生推底。液壓支架防倒防滑缸、推溜缸等連接裝置齊全完好，確保工作面液壓支架形成一個整體，在回采過程中實現(xiàn)支架動態(tài)調(diào)整，上竄下滑調(diào)整需逐步開展，防止液壓支架下滑或上竄量過大造成設備損壞。

（2）在厚煤層復雜構造地段采用綜合機械化回采，平均月產(chǎn)量達到2.5萬噸以上，且實現(xiàn)安全回采，避免了搬家倒面，不用重新施工開切眼進行綜采配套設備安裝，充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有裝備性能和價值。

（3）通過攻克綜采工作面過垮落區(qū)、裂隙帶、煤層急劇增厚、采空區(qū)煤炭自燃、煤層松軟超高帶等復合構造段的回采煤炭資源難題，對327采區(qū)、321采區(qū)、312采區(qū)、313采區(qū)煤炭資源的開采創(chuàng)造了條件，延長了礦井+350m水平服務年限，為礦井+150m水平延深爭取了建設工期，彌補了+150m水平東翼延深遇地質構造產(chǎn)生的工期耽誤，同時也為其他類似礦井急傾斜綜采提供了寶貴的經(jīng)驗。

（4）采用綜合機械化開采在安全上更能得到保證，液壓支架對采煤工作面頂板支護更為安全，有效防止頂板事故，通過對采空區(qū)進行預防性注氮可有效遏制煤炭自燃，綜合機械化開采利用采煤機割煤，刮板輸送機運煤，減輕了職工勞動強度，提高了安全系數(shù)。

4.結語

（1）采用在松軟厚煤層復雜構造區(qū)域內(nèi)施工密集鉆孔加固技術，改善了松散煤巖體強度特征。

（2）提出了采煤工作面煤壁開幫后鋪設鋼梁、噴漿充填形成假頂和假頂下單體液壓支柱與緩沖木垛支護，對構造區(qū)域實現(xiàn)了有效支護。

（3）采用嚴控采高、留設底煤、提溜墊架等措施，實現(xiàn)了急傾斜厚煤層復雜構造區(qū)域工作面安全回采，減少了煤炭資源損失約13萬噸/年，緩解了礦井采掘接替，避免了冒頂事故和推底現(xiàn)象發(fā)生。