馬蘭礦18508工作面端頭頂板處理技術(shù)研究

丁 超

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦）

當(dāng)開采煤層頂板為堅(jiān)硬巖層時(shí)，端頭三角煤位置容易出現(xiàn)大面積懸空，容易增大采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)，加劇礦壓顯現(xiàn)；采用合理的技術(shù)手段破壞頂板完整性并弱化頂板，對(duì)提升煤炭安全生產(chǎn)保障能力有顯著促進(jìn)意義［1-2］?，F(xiàn)階段堅(jiān)硬頂板普遍采用深孔爆破、水力壓裂等手段弱化頂板，但采用的弱化技術(shù)均不同程度存在安全性不高、影響范圍廣、產(chǎn)生有害氣體以及技術(shù)復(fù)雜等問題。而無聲膨脹劑具備有無噪聲、無飛石以及無有害氣體產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，將無聲膨脹劑應(yīng)用到端頭堅(jiān)硬頂板弱化中，不僅可實(shí)現(xiàn)頂板及時(shí)垮落，還可減少頂板弱化對(duì)采面生產(chǎn)影響［3-5］。為此，眾多學(xué)者及技術(shù)人員對(duì)靜態(tài)膨脹劑在端頭頂板弱化中應(yīng)用進(jìn)行分析。其中，馬清泉［6］針對(duì)四通煤業(yè)2504 工作面端頭頂板懸空面積大問題，在對(duì)端頭頂板懸頂原因分析基礎(chǔ)上，提出將靜態(tài)膨脹劑應(yīng)用到端頭強(qiáng)制放頂中，并對(duì)無聲膨脹劑的特點(diǎn)、頂板弱化的原理、鉆孔的布置方案以及施工注意事項(xiàng)等問題進(jìn)行分析，現(xiàn)場應(yīng)用后，端頭頂板懸頂面積控制在1～2 m2，同時(shí)采空區(qū)漏風(fēng)量明顯降低；呂聲瑞［7］結(jié)合1211 綜采工作面現(xiàn)場情況，對(duì)端頭基本頂垮落機(jī)理進(jìn)行分析，分析無聲膨脹劑在頂板弱化中的施工工藝、應(yīng)用效果，工程實(shí)踐表明，無聲膨脹劑可實(shí)現(xiàn)煤層堅(jiān)硬頂板強(qiáng)制放頂；程曉強(qiáng)［8］提出采用無聲膨脹劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的爆破技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行弱化，在分析采面頂板巖性基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬手段，對(duì)膨脹致裂鉆孔布置方案進(jìn)行分析，探討致裂過程中能量事件規(guī)律，現(xiàn)場應(yīng)用后端頭頂板實(shí)現(xiàn)及時(shí)垮落。本研究在結(jié)合以往研究成果基礎(chǔ)上，針對(duì)馬蘭礦18508工作面頂板堅(jiān)硬、端頭懸空面積大等問題，提出將HSCA 無聲膨脹劑應(yīng)用到端頭頂板強(qiáng)制放頂中，并具體給出強(qiáng)制放頂技術(shù)方案、分析應(yīng)用效果。

1 工程概況

18508 工作面位于該礦南五下組煤采區(qū)，兩巷開口于南五下組煤輔助運(yùn)輸下山，工作面皮帶巷走向長1 127 m，輔運(yùn)巷走向長1 127 m，傾斜長121 m。采面開采的是石炭系太原組8#煤層，屬穩(wěn)定可采厚煤層，煤層厚度3.65～4.78 m，平均4.25 m；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，下部含1 層穩(wěn)定夾矸，厚度0.05～0.25 m、均值0.15 m。8#煤層頂?shù)装鍘r性以泥灰?guī)r、中粒砂巖等為主，具體巖性參數(shù)見表1。

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18508 工作面內(nèi)主要開采設(shè)備為MG500/1140 型采煤機(jī)、SGZ-900/1050 型刮板輸送機(jī)（運(yùn)輸能力為2 000 t/h）、SZZ-900/315 型轉(zhuǎn)載機(jī)（運(yùn)輸能力為2 000 t/h）、PCM200 型破碎機(jī)（破碎能力為2 200 t/h）、順槽皮帶用DSJ1200/1500/-2×400 型膠帶輸送機(jī)及ZY8000/25/50 型掩護(hù)式液壓支架。根據(jù)8#煤臨近工作面礦壓監(jiān)測(cè)資料預(yù)計(jì)：18508 工作面回采期間直接頂初次垮落步距為12～20 m，老頂初次、周期來壓垮落步距分別為20～30 m、9～16 m。受回采的8#煤層頂板堅(jiān)硬影響，回采工作面端頭頂板懸空面積大。

2 端頭頂板強(qiáng)制放頂技術(shù)

端頭位置支護(hù)用錨桿及錨索均按照規(guī)定進(jìn)行拆除與回收，當(dāng)端頭懸頂面積較小時(shí)（面積介于6～10 m2），僅通過布置頂板鉆孔方式弱化頂板，實(shí)現(xiàn)端頭頂板及時(shí)垮落；若端頭懸頂面積超過10 m2，則采用鉆孔并放入HSCA無聲膨脹劑進(jìn)行強(qiáng)制放頂。

2.1 端頭小面積懸頂處理技術(shù)

當(dāng)工作面端頭懸頂面積為6～10 m2時(shí)，在端頭架切頂線往外0.2 m處打設(shè)頂板孔，并視懸頂垮落情況，選擇在距端頭架頂梁前0.2 m 處打設(shè)1 排頂板孔，使采空區(qū)頂板充分垮落。端頭切頂線位置頂板孔距保險(xiǎn)幫0.3 m 開始施工，孔深2.8 m，間距0.3 m，排距0.3 m，角度為90°，每循環(huán)在端頭架與保險(xiǎn)幫之間頂板施工2排。端頭架頂梁前頂板孔間距0.3 m，孔深2.8 m，角度為90°，每循環(huán)在端頭架頂梁前施工1 排。具體端頭頂板鉆孔布置情況如圖1所示。

2.2 端頭大面積懸頂處理技術(shù)

若端頭懸頂面積超過10 m2，則采用鉆孔并放入HSCA無聲膨脹劑進(jìn)行強(qiáng)制放頂。

2.2.1 鉆孔布置

在端頭架切頂線往外0.2 m 和端頭架頂梁前0.2 m 處，打設(shè)頂板孔并裝膨脹劑預(yù)裂頂板，進(jìn)行人工強(qiáng)制放頂，使采空區(qū)頂板充分垮落。端頭切頂線位置頂板孔距保險(xiǎn)幫0.3 m，孔深2.8 m，頂板孔間距0.3 m，排距0.3 m，頂板孔角度為90°，每循環(huán)在端頭架與保險(xiǎn)幫之間頂板施工2 排。端頭架頂梁前頂板孔間距0.3 m，孔深2.8 m，頂板孔角度90°，每循環(huán)在端頭架頂梁前頂板施工1 排。采用風(fēng)鉆/錨桿鉆機(jī)配合2.2 m、3.0 m鉆桿和φ43 mm的鉆頭打眼。

2.2.2 頂板弱化

頂板弱化采用的HSCA 膨脹劑屬于不易燃產(chǎn)品，存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)劝踩煽浚阌谑褂?，膨脹劑最大產(chǎn)生約120 MPa 膨脹力，膨脹反應(yīng)時(shí)間可根據(jù)需要在1～12 h 內(nèi)調(diào)整。HSCA 膨脹劑是1 種粉狀材料，使用前須與清潔冷水進(jìn)行充分混合，1 包5 kgHSCA 膨脹劑加水1.5～1.7 L，隨后用木棍或戴橡膠手套的手?jǐn)嚢璩删哂辛鲃?dòng)性的均勻漿體。

將攪拌均勻的膨脹劑注進(jìn)直徑為0.04 m 一端封口的PVC 管。然后將PVC 管未封口端朝頂板孔底塞進(jìn)頂板鉆孔內(nèi)，每個(gè)鉆孔塞PVC 管2 根，灌孔必須密實(shí)，并用炮泥封口，封口長度不少于0.5 m。攪拌后的的膨脹劑必須在10 min內(nèi)用完。

2.2.3 膨脹劑使用安全技術(shù)措施

（1）施工前準(zhǔn)備好相關(guān)材料物品，將膨脹劑倒入攪拌桶中，按比例迅速攪拌成具有流動(dòng)性的稠漿。

（2）因膨脹劑攪合均勻，成為濕而松散的面絮狀或膠泥狀后，迅速向孔內(nèi)邊填塞邊用捅棍搗實(shí)。

（3）取藥、加水、拌和、灌裝等操作同步開展。

（4）灌裝過程中，出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的藥劑（表現(xiàn)開始冒氣和溫度燙手）不允許裝入孔內(nèi)，從藥劑加入水?dāng)嚢柚裂b藥結(jié)束時(shí)間控制在5 min之內(nèi)。

（5）作業(yè)過程中，所有相關(guān)人員必須配戴防護(hù)眼鏡。

（6）剛鉆進(jìn)完成，鉆孔孔壁溫度較高，應(yīng)等溫度恢復(fù)正常并清洗干凈鉆孔后方能裝藥。

3 端頭頂板處理效果分析

當(dāng)端頭懸頂面積較大時(shí)，在檢修班布置布置鉆孔，對(duì)頂板進(jìn)行強(qiáng)制放頂處理，具體頂板處理前后端頭支承壓力變化情況如圖2 所示。從圖2 中看出，在端頭頂板鉆孔內(nèi)放入HSCA 膨脹劑后3.5 h 為端頭支承壓力呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，支承壓力峰值可達(dá)到26.5 MPa；而在4 h后端頭支承壓力呈現(xiàn)快速降低趨勢(shì)，至6 h 后端頭支承壓力降至17.5 MPa，端頭懸空頂板及時(shí)垮落下沉后，引起端頭支承壓力明顯下降。

具體端頭頂板處理前后對(duì)比情況如圖3 所示。從圖3（a）看出，在采面端頭位置存在有大面積懸空頂板，而采用HSCA 膨脹劑進(jìn)行弱化處理后，端頭懸空頂板垮落并充填采空區(qū)，具體如圖3（b）所示，可減少采空區(qū)漏風(fēng)量，并減少端頭位置礦壓顯現(xiàn)程度。

4 總 結(jié)

18508 工作面回采的8#煤頂板為L1泥灰?guī)r、粉砂巖，老頂為S2中粒砂巖，直接頂及老頂均堅(jiān)硬且穩(wěn)定性較強(qiáng)。采面端頭位置頂板在采面煤壁、回采巷道煤柱、液壓支架等支撐下，容易出現(xiàn)大面積懸空問題，不僅導(dǎo)致采面漏風(fēng)嚴(yán)重、瓦斯涌出異常，而且引起端頭位置礦壓顯現(xiàn)問題。

結(jié)合18508 工作面現(xiàn)場情況，依據(jù)端頭懸空范圍提出采用退錨+端頭頂板鉆孔弱化、退錨+端頭頂板強(qiáng)制放頂方式進(jìn)行處理。對(duì)于端頭小面積懸空，通過鉆孔進(jìn)一步破壞頂板完整性，在礦壓影響及頂板自身重力影響下，可實(shí)現(xiàn)及時(shí)垮落；而對(duì)端頭大面積懸空時(shí)，頂板完整性較強(qiáng)，為此采用HSCA 膨脹劑對(duì)頂板進(jìn)行強(qiáng)制放頂，充分利用膨脹劑具備的膨脹壓力大、不產(chǎn)生有害氣體、振動(dòng)沖擊等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在放頂期間作業(yè)人員不需要外撤，從而不會(huì)給采面正常生產(chǎn)帶來較大影響。采用HSCA 膨脹劑對(duì)18508 工作面端頭大面積懸頂區(qū)進(jìn)行處理后，端頭頂板可實(shí)現(xiàn)及時(shí)垮落，取得較好應(yīng)用效果。