淺埋深黃泥頂板工作面圍巖穩(wěn)定性控制

李耀暉

（晉能控股集團(tuán)晉城公司七一煤礦，山西 晉城 048406）

頂板事故是我國煤礦安全生產(chǎn)事故的主要類型之一，隨著回采工作面尺寸設(shè)計(jì)的擴(kuò)大化、回采裝備的大型化和地質(zhì)條件的復(fù)雜化，頂板管理的難度也在不斷增加。據(jù)山西省應(yīng)急管理廳消息，2022 年，山西省共發(fā)生煤礦生產(chǎn)安全事故54 起，其中頂板事故14 起，分別占26%和32%，進(jìn)入2023年，又發(fā)生3起頂板事故[1]，這些事故多發(fā)生在采掘工作面、過構(gòu)造帶、遇老空巷道、搬家倒面等變化環(huán)節(jié)，反映出一些煤礦企業(yè)技術(shù)力量薄弱、現(xiàn)場(chǎng)管理不到位、安全意識(shí)較差、“三違”行為突出等問題[2]。因此，防治頂板事故仍是煤礦企業(yè)生產(chǎn)管理的重點(diǎn)工作之一。

在全國范圍內(nèi)，采掘工作面遇到松軟巖層比較常見[3-4]，但是遇到大面積黃泥頂板較為罕見。該類頂板支護(hù)難度較大，遇水浸泡，呈流態(tài)化下泄，若支護(hù)不及時(shí)或強(qiáng)度不夠，很容易出現(xiàn)大面積冒頂，給煤礦正常安全生產(chǎn)帶來很大的挑戰(zhàn)。山西黃山煤業(yè)15#煤層15101工作面遇到穩(wěn)定性極差的黃泥頂板[5]，加上長時(shí)間停產(chǎn)，出現(xiàn)大面積冒頂或空頂現(xiàn)象，采用預(yù)注漿+人工刷掘超前小巷等方法，改善了頂板控制難題。為解決黃泥層巷道支護(hù)難題，崔永青等提出了打超前撞楔、導(dǎo)硐，加上充填注漿加固等綜合方案[6-7]。然而晉能控股集團(tuán)晉城公司七一煤礦（簡(jiǎn)稱“七一煤礦”）9114 綜采工作面回采過程中遇到的淺埋深大面積黃泥頂板比以上案例更為復(fù)雜，因此，采用XRD（X射線衍射）和SEM（掃描電子顯微鏡），開展了黃泥頂板的微觀結(jié)構(gòu)成分研究，揭示了淺埋深黃泥頂板大面積冒落產(chǎn)生的原因，提出了針對(duì)性的控制方案，并分析了黃泥頂板控制效果，對(duì)類似地質(zhì)條件下工作面具有重要的借鑒意義。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)條件

七一煤礦9114 綜采工作面位于井田中部，工作面北部依次為9#北膠帶大巷、9#北軌道大巷、9#北回風(fēng)大巷，南部為9102 采空區(qū)（相距20 m），西部為郭村保安煤柱（相距20 m），東部為南回風(fēng)大巷。工作面整體為背斜構(gòu)造，南北低，中間高，無斷層、無陷落柱。工作面前178 m左右為上山回采，相對(duì)高差為6 m；178 m至停采線為下山回采，相對(duì)高差為5 m。工作面推進(jìn)過程中尾高頭底，工作面起伏不大，最大坡度5°。9114 工作面順槽長352 m，切眼長191 m，采用走向長壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法處理采空區(qū)，雙滾筒采煤機(jī)破煤、裝煤，液壓支架維護(hù)頂板，一部刮板輸送機(jī)運(yùn)煤。井田內(nèi)9#煤層埋深50.28～113.61 m，普遍在80 m 以內(nèi)，位于太原組中部K4 灰?guī)r之上，煤層厚度1.5～1.7 m，平均厚度1.51 m（圖1），厚度變異系數(shù)11.92%，可采系數(shù)100%，煤層傾角1～4°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含夾矸，普氏系數(shù)f=1～2。煤層礦物含量不高，在8.9%～16.2%之間，平均12.9%，多為分散狀粘土，有的呈層狀分布，也有的呈塊狀、浸染狀、充填狀等。9#煤層以亮煤為主，暗煤次之，屬一半亮型—半暗型煤。上覆存在3#煤層，平均厚度4.44 m，均已采空。地表賦存平均厚度為30 m 左右的黃土、粘土。9114 綜采工作面在回采前未探測(cè)到直接頂存在黃泥頂板情況，于2022 年5 月26 日4 點(diǎn)班開始在工作面中部揭露了風(fēng)氧化煤、黃泥頂板地質(zhì)構(gòu)造，黃泥頂板區(qū)域沿工作面傾向最大為107 m，沿工作面走向最大為125 m（圖2），局部頂?shù)装鍢O為破碎，為工作面正常回采帶來了較大的挑戰(zhàn)。

圖1 9#煤層綜合柱狀圖

圖2 9114工作面黃泥冒落區(qū)位置圖

1.2 頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)

根據(jù)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法（GB/T 23561）》，開展9#煤層頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)測(cè)試，獲得試樣頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)匯總表

2 黃泥頂板微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試

2.1 XRD微觀成分分析

根據(jù)《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X 射線衍射分析方法（SY/T5163-2018）》，采用X 射線衍射（XRD）技術(shù)，利用日本理學(xué)高分辨率SmartLabX 射線衍射儀，獲得9#煤層頂板過構(gòu)造段深灰色泥巖和黃色砂質(zhì)泥巖的全巖及粘土礦物定量成分。全巖礦物X-射線衍射分析見表2，黏土礦物X-射線衍射分析見表3。

表2 全巖礦物X-射線衍射分析

表3 粘土礦物X-射線衍射分析

由表2和表3可知，9#煤層頂板深灰色泥巖和黃色砂質(zhì)泥巖中粘土礦物含量均較高，分別達(dá)到59.0%和32.5%，在粘土礦物X-射線衍射分析中，兩種試樣伊蒙混層的相對(duì)含量達(dá)到57%和56%。研究表明，凡伊蒙混層含量超過50%，巷道圍巖變形量均較大，頂?shù)装逡平砍^500 mm，圍巖具有較強(qiáng)膨脹性。因此，從巖性微觀成分分析，9114 綜采工作面過構(gòu)造段直接頂單軸抗壓強(qiáng)度極低，頂板維護(hù)極其困難。

2.2 SEM微觀結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法（SY/T5162-2014）》，采用ZEISSSIGMA500 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，開展9#煤層頂板深灰色泥巖和黃色砂質(zhì)泥巖試樣的電鏡試驗(yàn)。記錄的圖像結(jié)果如圖3所示。

圖3 深灰色泥巖和黃色砂質(zhì)泥巖SEM圖

由圖3可知，深灰色泥巖試樣放大245倍時(shí)觀察到全貌孔隙發(fā)育差（A-01），放大1 920 倍時(shí)觀察到近定向片狀伊利石、伊蒙混層等粘土礦物及微孔縫（A-02），放大4 310倍時(shí)觀察到碎屑顆粒、粘土礦物及微孔縫（A-03），放大5 710 倍時(shí)觀察到粒間高嶺石、粘土礦物及微孔縫（A-04），放大3 290 倍時(shí)觀察到土礦物、碎屑顆粒及微孔縫（A-05）以及放大2 850 倍時(shí)觀察到土礦物、碎屑顆粒及微孔縫（A-06）。黃色砂質(zhì)泥巖試樣放大94倍時(shí)觀察到試樣全貌孔隙較發(fā)育（B-01），放大657 倍時(shí)觀察到近粒間粘土填隙物及粒間殘余孔隙（B-02），放大2 040 倍時(shí)觀察到試樣上片局部、粒間高嶺石粘土填隙物及晶間孔隙（B-03），放大2 170 倍時(shí)觀察到粒間粘土填隙物及粒間殘余孔隙，粘土礦物晶形差（B-04），放大562 倍時(shí)觀察到碎屑顆粒溶孔（B-05）以及放大1 290 倍時(shí)觀察到伊蒙混層、粒間高嶺石等粘土填隙物及晶間孔隙（B-06）。因此，從深灰色泥巖和黃色砂質(zhì)泥巖微觀結(jié)構(gòu)來看，頂板巖層中伊蒙混層、伊利石、高嶺石等粘土礦物普遍發(fā)育是影響9#煤層直接頂穩(wěn)定性的主要原因。

3 圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

3.1 工作面圍巖失穩(wěn)概況

2022 年5 月26 日，9114 綜采工作面在中部揭露風(fēng)氧化地質(zhì)構(gòu)造帶。在構(gòu)造揭露初期，工作面30#~52#支架出現(xiàn)不同情況的風(fēng)氧化煤及黑土，構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，黑土地段采煤機(jī)組直接可以通過。構(gòu)造區(qū)域只需加強(qiáng)頂板管理，及時(shí)追機(jī)移架保證液壓支架達(dá)到規(guī)定初撐力即可進(jìn)行正常循環(huán)作業(yè)。因此，構(gòu)造區(qū)域?qū)φＩa(chǎn)影響不大。5月28日，隨著工作面的推進(jìn)，工作面中部30#~52#支架部分地段黑土消失，出現(xiàn)黃矸黃泥，局部頂?shù)装迤扑?，加上割煤過程對(duì)頂?shù)装迤秸日莆詹粔?、移架不及時(shí)、采高不穩(wěn)定等因素，造成工作面局部地段片幫漏頂嚴(yán)重。中部43#~48#支架出現(xiàn)歪斜、扭架等現(xiàn)象，及時(shí)對(duì)歪斜支架進(jìn)行了吊架、調(diào)架處理，調(diào)整后，保證了正常循環(huán)作業(yè)。6月2日，構(gòu)造區(qū)46#、47#支架出現(xiàn)了淋水現(xiàn)象，緊接著出現(xiàn)泥漿從支架間及前探梁與迎頭處潰出，造成采煤機(jī)不能通刀割煤。6 月16 日至7月10 日，隨著工作面的推進(jìn)，工作面構(gòu)造一直向機(jī)尾方向延伸，構(gòu)造情況變化復(fù)雜。30#~38#支架迎頭無煤，全為黃矸，底板為泥巖，39#~43#支架迎頭無煤，全為黃矸和黃泥混合物，由于底板為泥巖，支架出現(xiàn)陷架現(xiàn)象，44#~52#支架迎頭底部均為泥巖，陷架更為嚴(yán)重，以致于支架底板被黃泥吸住拔不出來，30#~52#支架部分區(qū)域片幫嚴(yán)重，導(dǎo)致直接頂垮冒，支架不能接頂。工作面現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 工作面頂板冒落照片

3.2 圍巖穩(wěn)定性控制思路

9114 綜采工作面過風(fēng)氧化煤、黃泥頂板地質(zhì)構(gòu)造段，從最初幾個(gè)支架段逐漸延伸至工作面大部分區(qū)段。構(gòu)造從簡(jiǎn)單的泥巖矸區(qū)發(fā)展至工作面嚴(yán)重片幫、頂板破碎塌矸，再到工作面全矸等，多因素交織在一起，綜合作用導(dǎo)致工作面條件極其惡劣。故提出以“減少擾動(dòng)+支架接頂”為核心的工作面圍巖綜合控制技術(shù)。具體思路是“留底割頂+短支短護(hù)+支架少降快移”。

1）留底割頂

因構(gòu)造段煤層走向有下降趨勢(shì)且頂板破碎、局部出現(xiàn)少煤、無煤現(xiàn)象，故采用留底割頂措施。構(gòu)造段遇堅(jiān)硬巖石時(shí)，采用爆破松動(dòng)后截割，盡量減少打眼、爆破工作量。構(gòu)造區(qū)域內(nèi)合理控制好采高，保證構(gòu)造區(qū)平穩(wěn)過渡，盡量保證設(shè)備正常運(yùn)行。在回采過程中遇到裂隙及節(jié)理發(fā)育等情況，提前采取預(yù)注漿等充填導(dǎo)水裂隙及加固頂板措施，確?；夭身樌?。

2）短支短護(hù)

過風(fēng)氧化煤、黃泥頂板地質(zhì)構(gòu)造段時(shí)，構(gòu)造區(qū)內(nèi)工作面可能出現(xiàn)全斷面矸石或頂板疏松破碎，容易片幫、冒頂，且根據(jù)原巷道揭露情況，決定采取單體柱配合采煤機(jī)割頂通過。當(dāng)采煤機(jī)組通過矸區(qū)時(shí)，放慢機(jī)組速度，多進(jìn)行仔細(xì)觀察。若無法通過，則及時(shí)停機(jī)，并將機(jī)組退出，人工進(jìn)行掏挖，短支短護(hù)確保安全后再進(jìn)行通過。

3）少降快移

嚴(yán)格堅(jiān)持“少降快移”原則移架，頂板破碎或有水時(shí)，必須帶壓移架，跟機(jī)作業(yè)，及時(shí)頂緊煤幫，防止漏冒頂，當(dāng)端面距大于0.3 m時(shí)要及時(shí)采取臨時(shí)支護(hù)。若頂板液壓支架難以支護(hù)時(shí)，采取單體支柱加圓木進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。過構(gòu)造段期間，加強(qiáng)構(gòu)造區(qū)域頂板管理。頂板破碎段采取跟機(jī)移架，正常段移架滯后機(jī)組前滾筒不得大于10 m。移架速度要快，步距要夠，支護(hù)緊跟機(jī)組，接頂保證嚴(yán)實(shí)，初撐力達(dá)標(biāo)，按順序追機(jī)作業(yè)。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果

1）實(shí)踐過程

2022年5月28日，當(dāng)9114綜采工作面支架出現(xiàn)歪斜時(shí)，及時(shí)進(jìn)行了吊架、調(diào)架處理，調(diào)整后，保證了正常循環(huán)作業(yè)。6 月2 日，在支架構(gòu)造段出現(xiàn)淋水現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)制定相應(yīng)措施，開展了抽排水作業(yè)，并對(duì)支架頂?shù)装鍓|道木保證支架接頂后再人工清理機(jī)道，使采煤機(jī)通過構(gòu)造段能夠完成割通刀作業(yè)。6 月9 日起實(shí)行雙跟班管理制度，改變了支護(hù)作業(yè)方法，增加了支護(hù)設(shè)備，采取單體柱加道木進(jìn)行短支短護(hù)作業(yè)的方式，在漏冒區(qū)域用道木接頂支護(hù)，加強(qiáng)頂板管理，增加補(bǔ)充支護(hù)，嚴(yán)防冒頂發(fā)生。加強(qiáng)對(duì)片幫、冒落的支護(hù)管理，及時(shí)增加木梁、木鞋、道木、圓木、單體柱支護(hù)。安排有經(jīng)驗(yàn)的老工人觀幫觀頂，使用2 m 以上長的撬棍站在安全地點(diǎn)認(rèn)真全面地對(duì)冒頂區(qū)進(jìn)行敲幫問頂，將頂幫的活矸、片幫鑿凈。安排專人看護(hù)冒頂區(qū)的支架操作閥，安排2名身體健壯、反應(yīng)便捷、動(dòng)作迅速的工人站在安全地點(diǎn)進(jìn)行勾頂，2 人負(fù)責(zé)遞料，其余人員備料，保證煤壁側(cè)頂板背實(shí)，煤壁頂緊，接觸嚴(yán)密。7月10日至月底，持續(xù)做好頂板管理工作，工作面穩(wěn)步推進(jìn)順利通過構(gòu)造。8月12日，距停采線還剩15 m，工作面推進(jìn)至預(yù)定上繩上網(wǎng)處，進(jìn)行末采準(zhǔn)備工作。8月18日，上繩上網(wǎng)結(jié)束，回撤設(shè)備，進(jìn)行搬家作業(yè)，9 月15 日，搬家結(jié)束，所有設(shè)備全部撤出9114工作面。通過順利過構(gòu)造區(qū)域，有效保證了9114工作面煤炭資源的回收及采煤設(shè)備的安全，為類似工作面的回采提供了寶貴的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有重要的現(xiàn)場(chǎng)意義。

2）經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

遇到向斜背斜構(gòu)造，一定要提前進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，采取相應(yīng)措施。當(dāng)工作面圍巖存在嚴(yán)重裂隙及節(jié)理發(fā)育等情況時(shí)，需要提前采取預(yù)注漿等充填導(dǎo)水裂隙及加固頂板措施。為防止構(gòu)造區(qū)域出現(xiàn)塌矸、潰泥現(xiàn)象，過構(gòu)造區(qū)域采取單向作業(yè)方式。為防止刮板輸送機(jī)調(diào)斜過度導(dǎo)致斷鏈及大塊矸石拌斷刮板輸送機(jī)，在過構(gòu)造期間派專人看護(hù)采煤機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠有效地減少刮板輸送機(jī)斷鏈、漂鏈?zhǔn)鹿实陌l(fā)生，加強(qiáng)機(jī)電設(shè)備的檢修工作。在過構(gòu)造期間，提前預(yù)防，統(tǒng)一思想，檢修班每天對(duì)機(jī)電設(shè)備易損件認(rèn)真檢查，尤其是黃泥頂板漏冒容易砸埋設(shè)備，檢修班每天派專人負(fù)責(zé)液壓支架的檢查工作，保證了過構(gòu)造期間的安全生產(chǎn)。狠抓現(xiàn)場(chǎng)管理，在整個(gè)過構(gòu)造期間礦領(lǐng)導(dǎo)班子敢于管理，超前指揮，認(rèn)真細(xì)致地應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜情況，是9114綜采工作面順利通過構(gòu)造區(qū)域的關(guān)鍵因素之一。

5 結(jié)論

1）XRD 和SEM 微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試可知，9#煤層頂板中伊蒙混層、伊利石、高嶺石等粘土礦物普遍發(fā)育，粘土礦物中伊蒙混層的相對(duì)含量超過50%，直接頂維護(hù)極其困難。

2）采用“留底割頂+短支短護(hù)+支架少降快移”綜合技術(shù)，有效控制了9114綜采工作面過構(gòu)造段的黃泥頂板冒頂事故。

3）以“減少擾動(dòng)+支架接頂”為核心的工作面圍巖控制思想，能夠有效解決淺埋深黃泥頂板工作面圍巖穩(wěn)定性控制難題，為類似條件下工作面圍巖穩(wěn)定性控制提供一定參考。