松軟煤層大采高片幫冒頂防治技術(shù)

郭小將

（汾西礦業(yè)安全監(jiān)察中心，山西 介休 032000）

0 引言

當(dāng)開采煤層厚度較大且較為松軟時，煤炭回采期間容易出現(xiàn)片幫問題，特別是回采遇地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)，煤壁片幫、冒頂?shù)葐栴}更為突出，給煤炭安全回采帶來制約[1-2]。近些年來，國內(nèi)多個礦井曾出現(xiàn)片幫、冒頂傷人事故，如莊旺煤業(yè)50206 回風(fēng)順槽巷道、柴達(dá)爾煤礦301 采區(qū)3690 綜采工作面等均出現(xiàn)冒頂事故，造成多人傷亡并帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。片幫、冒頂?shù)仁鹿逝c煤層性質(zhì)、頂板巖性、開采地質(zhì)條件以及煤炭開采工藝等因素密切相關(guān)，眾多的學(xué)者對片幫、冒頂防治技術(shù)展開研究，并提出通過注漿、注水、提高采面頂板支撐強(qiáng)度、補(bǔ)打木錨桿以及適當(dāng)提升推進(jìn)速度等方式進(jìn)行片幫、冒頂防治，現(xiàn)場應(yīng)用取得一定效果[3-5]。山西某礦31302 綜采工作面回采13#煤層松軟且厚度大，采面煤炭回采期間煤壁容易片幫進(jìn)而導(dǎo)致頂板空頂、冒落等問題，文中就以該采面回采為工程背景，結(jié)合以往研究成果針對性提出片幫、冒頂防治技術(shù)，以期更好的促進(jìn)煤炭安全高效開采。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

31302 綜采工作面位于南翼三采區(qū)，采面設(shè)計傾向長300 m、走向長2 850 m，開采的13#煤層厚度介于3.6～6.9 m、均值5.3 m，煤層傾角3°～11°，煤層松軟，頂?shù)装鍘r性以砂巖、泥巖、粉砂巖為主，具體如表1 所示。31302 綜采工作面采用U 型通風(fēng)方式采高為5.3 m，配備7LS7-LWS923 采煤機(jī)，液壓支架選用ZY13000/28/63D、空頂距4 950～5 750 mm，液壓支架由電液控制系統(tǒng)控制，自動化程度較高。根據(jù)已有地質(zhì)資料顯示，在31302 綜采工作面回采期間會遇地質(zhì)構(gòu)造影響帶，期間煤層及頂?shù)装辶严栋l(fā)育。

表1 13#煤層頂?shù)装鍘r性

1.2 片幫情況

在31302 綜采工作面回采期間，采面中部位置片幫較為嚴(yán)重，對片幫情況進(jìn)行監(jiān)測，具體如圖1 所示。從監(jiān)測結(jié)果看出，采面中部最大片幫高度接近1 300 mm、最大片幫深度接近950 mm，片幫發(fā)生主要集中在采面靠近頂板上部位置。采面片幫發(fā)生后會導(dǎo)致頂板出現(xiàn)一定懸空問題，雖然通過支架頂梁、伸縮板等支護(hù)，但是支護(hù)強(qiáng)度仍較低，存在一定程度的冒頂風(fēng)險。

圖1 煤壁片幫監(jiān)測結(jié)果

2 片幫冒頂防治技術(shù)

增強(qiáng)煤體以及頂板穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)片幫、冒頂防治的關(guān)鍵，為此提出以注漿為主的片幫、冒頂防治技術(shù)，并輔助采用增大采面支架支撐強(qiáng)度、及時前移液壓支架等措施。注漿時機(jī)、注漿參數(shù)會直接影響煤體及頂板注漿效果。為降低注漿給采面生產(chǎn)影響，注漿以回采巷道內(nèi)超前注漿為主并輔助采面內(nèi)局部注漿。

2.1 回采巷道超前注漿

2.1.1 注漿加固時機(jī)

回采巷道超前注漿加固時機(jī)會直接影響注漿加固效果。煤炭開采時超前采面一定范圍的煤體及頂板巖體在動壓影響下會產(chǎn)生一些裂隙，在裂隙擴(kuò)展范圍且不會采面回采帶來影響位置進(jìn)行注漿，不僅可提升注漿效果而且可以降低注漿給回采影響。31302 綜采工作面超前支承壓力分布，如圖2 所示，由于13#煤層頂板承載能力較差，開采后超前支承壓力影響影響范圍在采面前方55 m 以內(nèi)。

圖2 31302 超前支承壓力分布范圍

根據(jù)采面超前支承壓力分布及對頂板、煤體裂隙發(fā)育影響，分為4 個區(qū)域，具體各區(qū)域分布范圍、裂隙擴(kuò)展情況以及注漿可注性分析結(jié)果為：區(qū)范圍在采面前方0～4 m，該范圍受采動影響較為顯著，煤體及類型發(fā)育，若在此范圍進(jìn)行超前注漿則面臨漏漿嚴(yán)重、可注性差等問題，同時鉆孔施工成孔困難；區(qū)范圍在采面前方4～20 m 區(qū)間，該范圍煤體內(nèi)承受較大的超前支撐壓力，煤體破碎程度增加、裂隙發(fā)育且部分裂隙與采面聯(lián)通，在注漿時容易導(dǎo)致漿液外溢，同時注漿點(diǎn)位于回采巷道超前加固區(qū)，注漿空間受限；區(qū)位于采面前方20～55 m 范圍，該范圍在采前超前支承壓力影響下裂隙有所擴(kuò)展，適合采用高壓注漿，同時不在超前支護(hù)區(qū)，注漿空間更大同時安全性更好；區(qū)位于采面前方55 m 以外范圍，采動影響較小且裂隙不擴(kuò)展，注漿難度較大。綜合上述分析，認(rèn)為合理的注漿時機(jī)應(yīng)為超前采面前方20～55 m 范圍，綜合考慮巷道頂板條件、超前支承壓力影響等，將注漿時機(jī)確定為采面前方30～45 m 范圍。

2.1.2 鉆孔鉆孔布置

具體采面注漿暫鉆孔布置，如圖3 所示。在運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷內(nèi)均施工注漿鉆孔，鉆孔孔深統(tǒng)一為150 m。超前采面50 m 以外范圍內(nèi)即施工注漿鉆孔，鉆孔施工完成后先不注漿，待鉆孔距離采面30～45 m 時，開始進(jìn)行深孔高壓注漿。由于煤壁片剛主要集中在采面靠近頂板位置，因此布置的注漿孔開孔位置偏向煤層上部且有一定的仰角，便于排渣以及對頂板進(jìn)行加固。

圖3 超前注漿孔布置示意圖

超前注漿孔孔深均為75 mm、鉆孔布置2 排、排距為1 m，鉆孔間距為10 m，2 排鉆孔呈三花眼布置，下排、下排鉆孔開孔距巷道頂板2、3 m。注漿材料選用加固1#，有效擴(kuò)散半徑5～8 m。注漿壓力為15～20 MPa，注漿泵型號為ZBYSB190/32-55。

2.2 采面局部注漿

在31302 綜采工作面回采期間遇煤壁片幫嚴(yán)重區(qū)或者超前注漿加固空白區(qū)時，可在采面檢修班進(jìn)行局部注漿，提升煤體穩(wěn)定性。具體采面內(nèi)注漿鉆孔布置如圖4 所示，注漿孔開孔布置在距離底板2 m 位置，仰角25°～35°、孔深6.0 m、間距5 m。注漿漿液選用聚氨酯，注漿壓力5 MPa 以內(nèi)。采面內(nèi)采用便于移動的PTU-MZI 注漿泵，該注漿泵注漿壓力0～8 MPa可調(diào)。

圖4 采面局部注漿示意圖

2.3 其他輔助措施

在采用注漿措施后，可輔助采用強(qiáng)化頂板、液壓支架管理等措施對片幫、冒頂進(jìn)行防治，同時在條件允許是可適當(dāng)增加開采速度。

1）適當(dāng)增大液壓支架支撐阻力，提高對頂板支護(hù)強(qiáng)度，確保支架、頂板、煤壁穩(wěn)定；采煤機(jī)割煤后通過電液控制系統(tǒng)及時推移液壓支架并伸出護(hù)幫板給煤壁一定水平作用力；超前采煤機(jī)1～2 個支架回收護(hù)幫板，減少煤壁未支護(hù)時間，有助于維護(hù)煤壁穩(wěn)定。

2）當(dāng)采用注漿等措施仍出現(xiàn)煤壁片幫嚴(yán)重問題是，可配合采用木錨桿、玻璃鋼錨桿等方式對煤壁進(jìn)行加固。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

31302 綜采工作面回采巷道注漿期間，單孔注漿量在0.8～1.9 t 間，注漿時間控制在2 h 以內(nèi)，注漿加固后煤壁片幫及冒頂問題基本得以杜絕，采面基本不需要注漿或者施工錨桿等措施，僅需要強(qiáng)化頂板及液壓支架管理即可。對片幫、冒頂防治措施應(yīng)用前后采面片幫治理效果進(jìn)行分析，具體如圖5 所示，在防治措施應(yīng)用后煤壁片幫次數(shù)減少68%以上，雖然局部位置有片幫發(fā)生但是片幫寬度、深度均較小，不會導(dǎo)致頂板懸空問題。

圖5 片幫治理效果

4 結(jié)論

1）31302 綜采工作面存在煤壁片幫、部分位置出現(xiàn)漏頂問題。提出以超前注漿為主的片幫、漏頂防治技術(shù)，通過注漿提升松軟煤體及煤層頂板承載能力，降低片幫、冒頂方式率。

2）依據(jù)現(xiàn)場情況結(jié)合超前支承壓力分布情況，確定合理的注漿加固時機(jī)為超前采面30～45 m；在采面回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷均布置孔深150 m 鉆孔，向鉆孔內(nèi)注入加固1#漿液并采用高壓注漿，設(shè)計超前注漿鉆孔布置方案及注漿參數(shù)。在局部片幫嚴(yán)重區(qū)域或者超前注漿空白區(qū)，輔助采用采面局部注漿，注漿漿液選用聚氨酯，注漿壓力在5 MPa 以內(nèi)；在采面回采時強(qiáng)化頂板、液壓支架及煤壁管理，避免片幫、冒頂發(fā)生。

3）現(xiàn)場應(yīng)用后，31302 綜采工作面回采期間，煤壁片幫、冒頂發(fā)生率及影響程度明顯降低，局部位置出現(xiàn)的片幫深度及高度均在300 mm 以內(nèi)，不會給采面生產(chǎn)帶來顯著影響。