極復(fù)雜條件下大采高工作面幫、頂治理應(yīng)用技術(shù)

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極復(fù)雜條件下大采高工作面幫、頂治理應(yīng)用技術(shù)

姚文宏，溫新，唐孝紅

(淮南礦業(yè)集團(tuán) 潘二煤礦，安徽淮南232091)

摘要以淮南礦業(yè)集團(tuán)潘二煤礦11223大采高工作面地質(zhì)條件及開采技術(shù)條件為背景，運用深孔預(yù)裂爆破、頂板預(yù)注水泥漿、煤層注水、淺孔注高分子化學(xué)材料等技術(shù)手段，探索出一套完整的在極松軟煤層、堅硬頂板、復(fù)合頂板、構(gòu)造復(fù)雜條件下大采高工作面回采過程中幫、頂?shù)闹卫砑夹g(shù)，為工作面安全回采創(chuàng)造了條件，值得推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞地質(zhì)構(gòu)造；大采高；頂板加固

收稿日期：2014-10-27

作者簡介：姚文宏(1961—)，男，安徽肥東人，1983年畢業(yè)于徐州煤炭工業(yè)學(xué)校，工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)救護(hù)工作

中圖分類號：TD823.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)01-0039-04

AbstractGeological and mining conditions of 11223 working face with large mining height in Huainan Mining Group Pan'er coal mine is as the background. The technology such as deep hole presplitting blasting, preliminary injection of cement paste to roof, coal seam water infusion, shallow hole injection by polymer chemical materials are applied. A complete set of technology is concluded that is applied for large mining height working face side and roof in the process of mining under the condition of very soft coal seam, hard roof, combined roof and complex structure. It creates conditions for working face safe mining, and has the worth of popularization and application.

1工作面概況

1.1工作面開采條件

范圍：11223工作面位于淮南礦業(yè)集團(tuán)潘二煤礦東一采區(qū)，回風(fēng)巷長1 590 m,進(jìn)風(fēng)巷長1 760 m，工作面可采走向長1 470 m，傾斜長183 m，可采儲量約203萬t.

標(biāo)高：回風(fēng)巷-460.1～-498.6 m，進(jìn)風(fēng)巷-500.1～-554.8 m.

煤層傾角：最大傾角28°，工作面切眼平均傾角14°，東段平均傾角為18°.

涌水量：預(yù)計工作面開采底板灰?guī)r最大涌水量為59.13 m3/h，頂板砂巖最大涌水量為17.8 m3/h，合計76.93 m3/h.

其它條件：11223工作面位處突出危險區(qū)內(nèi)，瓦斯涌出主要來源于3、1煤層，預(yù)計回采期間瓦斯絕對涌出量36.41 m3/min.3、1煤層自燃等級均為自燃，自然發(fā)火期45天。

回采方向：自西向東回采。

1.2煤層頂?shù)装鍫顩r

工作面直接頂:回風(fēng)巷切眼向東349 m，進(jìn)風(fēng)巷切眼向東531 m范圍內(nèi)3煤直接頂板為3.8～22 m，平均10 m的細(xì)砂巖?；仫L(fēng)巷切眼向東349 m處直接頂開始發(fā)育泥巖，進(jìn)風(fēng)巷切眼向東531 m處直接頂開始發(fā)育泥巖。泥巖的厚度為0.2～8.2 m，平均厚約5.0 m，薄～中厚層狀，淺灰色，細(xì)膩，有滑感，裂隙及滑面發(fā)育，含少量植物化石碎片，已炭化。工作面兩巷掘進(jìn)過程中，泥巖頂板經(jīng)常發(fā)生漏頂現(xiàn)象。

老頂大部為細(xì)砂巖，灰白色，石英為主，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，最厚達(dá)22.7 m，平均厚10 m，f=5.88.局部老頂為砂質(zhì)泥巖。

根據(jù)取芯和安徽理工大測試報告，11223切眼處3煤直接頂板為平均16.4 m厚的中粗砂巖，層理發(fā)育，抗壓強(qiáng)度為58.8 MPa，抗拉強(qiáng)度為7.0 MPa.

工作面直接底：泥巖灰～深灰色，泥質(zhì)膠結(jié),見植化碎片，厚度 1.36～2.0 m，平均1.5 m.

1.3煤層狀況

1) 工作面3煤西段為1層，厚3.0～8.4 m平均5.5 m， 3煤與1煤層間距1.2～3.5 m,平均為1.5 m.

2) 工作面東段走向200 m范圍內(nèi)3煤開始分為上、下兩層，上分層平均厚度為5 m，下分層平均厚度為4.5 m，1煤平均厚度為3.6 m,3煤與1煤層間距平均厚度為1.5 m.局部3煤最厚處上分層厚5.3 m，下分層厚8.8 m，上分層與下分層夾矸厚0.8 m；3煤與1煤層間距平均厚1.2 m.煤體松軟，硬度f值0.2～0.3.

1.4構(gòu)造狀況

工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，中小斷層發(fā)育，工作面回采范圍內(nèi)共發(fā)育斷層55條，正斷層45條，逆斷層10條。其中落差>3 m的斷層有12條，落差<3 m的43條；沿回采方向，使煤層下降的27條，使煤層抬升的26條。

1.5采煤方法

工作面采用后退式走向長壁綜合機(jī)械化采煤方法，一次采全高，自然垮落法管理頂板；東段煤層結(jié)構(gòu)異常區(qū)采用傾斜分層后退式走向長壁綜合機(jī)械化采煤方法，分兩層回采。

工作面主要裝備：選用ZZ13000/28/65四柱支撐掩護(hù)式型液壓支架105架(其中6架ZZG13000/24/50端頭支架), MGTY750/1800-WD型采煤機(jī)，SGZ1000/1400型中雙鏈刮板機(jī)。

2工作面頂板治理技術(shù)

2.1砂巖直覆頂板治理技術(shù)

2.1.1超前深孔預(yù)裂強(qiáng)制放頂技術(shù)

計算機(jī)模擬11223工作面初次放頂步距為50～55 m，初次來壓期間礦壓顯現(xiàn)劇烈，存在嚴(yán)重安全威脅，為確保安全回采，決定在初采階段采用超前深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對頂板進(jìn)行強(qiáng)制放頂，減小初次來壓對工作面的影響。

2.1.2深孔預(yù)裂爆破方案

在工作面切眼向東5～10 m處布置第一組炮眼，覆蓋全工作面。切眼向東25～30 m位置按照第一組炮眼布置方式布置第二組炮眼。在工作面開采前將2組炮眼全部起爆。

從進(jìn)、回風(fēng)巷同時施工炮眼，炮眼終孔間距20～30 m，開孔間距1～2 m.采用鉆孔直徑為75 mm的鉆機(jī)打眼，使用煤礦瓦斯抽采水膠藥柱爆破，藥柱直徑63 mm，長度1 000 mm.同段毫秒延期電雷管起爆。

為保證冒落頂板能完全充填采空區(qū)，爆破的有效頂板深度按下式計算:

H=M/(KP-1)

式中：

M—采高，m，取5.5；

KP —巖石破碎后的體積膨脹系數(shù)，取1.3.

計算得到爆破有效深度為18.3 m，因此，炮眼終孔位置與煤層頂板的距離應(yīng)>18.3 m.

2.1.3效果分析

回采過程中，采用KBJ-60-Ⅲ-1型礦用綜采液壓支架壓力計算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)測定液壓支架工作阻力，在整個工作面布置21條測線，每條測線布置1個測站，共裝21塊壓力表，采用采集器現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。整個工作面支架壓力數(shù)據(jù)形成壓力分布立體示意圖,見圖1.

圖1　工作面壓力分布立體示意圖

根據(jù)回采過程中工作面支架壓力數(shù)據(jù)及現(xiàn)場幫、頂狀況，判斷11223工作面頂板的初次垮落步距平均約為37.2 m(加9.5 m切眼)。工作面自開切眼向外40 m范圍內(nèi)，初采期間采高平均控制在4.5～5.5 m，在初次來壓期間基本無片幫漏頂現(xiàn)象發(fā)生，只是在工作面中上部的80#支架至90#支架之間出現(xiàn)了一定程度的片幫現(xiàn)象，但片幫程度較輕，不影響生產(chǎn)。工作面無淋水及出水現(xiàn)象發(fā)生，同時由于工作面頂板堅硬，在回采期間也無漏頂事故的發(fā)生。

2.2泥巖頂板治理技術(shù)

2.2.1頂板預(yù)注水泥漿加固技術(shù)

工作面自泥巖發(fā)育開始向東至收作線1 026 m范圍內(nèi)，采用全覆蓋預(yù)注水泥漿加固頂板。從工作面進(jìn)、回風(fēng)巷內(nèi)做頂板鉆場，施工鉆孔，鉆孔呈扇形布置，在3煤頂板中開孔，終孔位置在煤層頂板內(nèi)，距煤層1～5 m，終孔間距10 m.

2.2.2鉆孔施工工藝

鉆具選擇：鉆機(jī)使用ZDY-3200S型全液壓鉆機(jī)，鉆具使用d73.5 mm肋骨鉆桿,帶d75 mm或d94 mm復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)，使用d127 mm、d133 mm復(fù)合片鉆頭擴(kuò)孔。固孔管使用d108 mm或d127mm巖芯管對孔口進(jìn)行固孔，外口封盤采用焊有法蘭盤的巖芯管。

鉆孔施工工藝流程：開孔—固孔—掃固孔段—固孔效果檢驗—掃孔至設(shè)計深度。

2.2.3注漿參數(shù)

超前預(yù)注漿使用壓力不低于10 MPa的注漿泵。

注水泥漿位置超前工作面回采位置不低于200 m.

采用P·S32.5R礦渣硅酸鹽水泥。

配制漿液時，先加水再加水泥，邊加水泥邊攪拌，且必須攪拌均勻，放漿口應(yīng)設(shè)置過濾網(wǎng)，防止結(jié)塊水泥或雜物進(jìn)入輸漿管，制配的漿液應(yīng)及時使用，盡量縮短擱置時間，不得使用失效水泥。

2.2.4 注漿過程

首先注水沖孔，泵壓不低于2 MPa，時間不少于5 min， 5 min后，改注水灰比為0.75～0.5∶1(重量)的水泥漿液，水泥漿配比先稀后稠，待泵壓穩(wěn)定在10 MPa時間達(dá)到5 min后，注漿結(jié)束。

注漿反復(fù)進(jìn)行，第一次注漿鉆孔，深度可以達(dá)到設(shè)計孔深的1/3或2/3，注漿結(jié)束封孔48 h后，啟封鉆孔達(dá)設(shè)計孔深再次注漿。注漿逐孔進(jìn)行，一個孔注完后，才能啟封下一個注漿孔。注漿造成孔口或周圍附近大量漏漿時，必須采用低壓、濃漿、限量、限流、間歇注漿的方法，間歇時間為10～30 min，間歇期間對漏漿處用水泥漿或樹脂堵漏。對單孔如嚴(yán)重漏漿無法封堵時，可結(jié)束該孔注漿。從其他孔竄漿時，應(yīng)對竄漿孔和在注漿孔進(jìn)行同時注漿，采用分漿器，利用1臺注漿機(jī)對多孔進(jìn)行注漿，難以多孔注漿時可結(jié)束該孔注漿。

2.2.5 注漿效果檢驗

通過對150 m(工作面已回采的泥巖頂板段)的泥巖頂板加固段回采期間頂板狀況觀察，結(jié)合注漿情況分析，見漿點附近3～5 m范圍復(fù)合頂板較穩(wěn)定，局部鉆孔未覆蓋處有掉頂情況出現(xiàn)，但未出現(xiàn)大面積片幫掉頂?shù)默F(xiàn)象，不影響工作面正?；夭桑ぷ髅孀赃M(jìn)入泥巖頂板段后，日產(chǎn)5 000～5 500 t，平均日進(jìn)尺3.2 m，生產(chǎn)均衡，超前預(yù)注水泥漿達(dá)到了預(yù)期的效果。

3工作面煤壁加固技術(shù)

3.1煤層注水

從回風(fēng)巷在煤體內(nèi)部施工鉆孔，超前工作面回采位置20～60 m進(jìn)行煤層注水，以增加煤層內(nèi)摩擦系數(shù)，提高煤體硬度，并起到降低煤塵的效果。

3.1.1注水參數(shù)

回風(fēng)巷內(nèi)施工注水鉆孔直徑75 mm，長度90～120 m，間距15 m，固孔管使用d108 mm巖芯管，采用聚氨酯配合速效膨脹水泥封孔，外口封盤焊接快速接頭。

傾斜方向上，鉆孔覆蓋不到的地方在工作面內(nèi)部施工走向淺孔，間距3.5 m，孔深6～8 m，采用FKSS-40-15專用煤層注水封孔器封孔。

注水壓力：泵壓4～10 MPa，使用BRW80/20型乳化泵，間歇注水。當(dāng)工作面出水后，工作面淺孔注水孔即停止注水，回風(fēng)巷內(nèi)施工的長注水孔停止注水一個班，下一班降低注水壓力，繼續(xù)注水，直至注水孔距離工作面10 m以內(nèi)停止注水。

3.1.2注水效果

工作面煤層注水前取樣全水分為2.5%，注水后，2014年1月10日在工作面選10個點取樣，最高全水分4.5%，最低為2.9%，工作面煤層注水后平均全水分3.34%，比注水前提高0.84%.提高了瓦斯抽采效果，工作面回采期間回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔怀^0.3%；提高了煤體硬度系數(shù)，注水之后，工作面自砂巖直覆段到頂板發(fā)育泥巖段回采過程中未發(fā)生嚴(yán)重片幫掉頂現(xiàn)象，無地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)，回采期間塊煤含量增加。

3.2淺孔注化學(xué)漿

工作面在過斷層時，尤其是在回采方向上將煤層抬起的斷層，由于頂板破碎，煤體松軟，容易出現(xiàn)片幫掉頂?shù)那闆r，頂板注水泥漿及煤層注水不能滿足生產(chǎn)需要，為使工作面正常推進(jìn)，采用了淺孔注久米納煤巖體加固劑對煤壁、頂板進(jìn)行加固，確保不片幫、掉頂。

3.2.1注漿參數(shù)

在工作面底板以上2 m左右布置鉆孔，鉆孔間距5 m(漿液擴(kuò)散半徑3 m)，孔深6～8 m，孔徑d42 mm，傾角15°～30°，注漿壓力2 MPa，單孔注漿量不超過500 kg.對頂板破碎、容易片幫地點實行循環(huán)注漿，循環(huán)步距4～6 m.漿液凝固時間120 s.

3.2.2注漿工藝流程

按照鉆孔設(shè)計進(jìn)行打鉆，然后往鉆孔里面下注漿管，在鉆孔的孔口安裝封孔器，封孔器的一端和鉆孔內(nèi)的注漿管相連，另一端用高壓管和注射槍與注漿泵相連，同時將2根吸管分別插入久米納兩組份桶內(nèi)，分別通過氣動泵的A、B兩個活塞缸把兩種原料抽出，通過高壓膠管，在注射槍內(nèi)部混合均勻，混合液進(jìn)入鉆孔內(nèi)部。如果注漿過程中發(fā)現(xiàn)鉆孔四周的裂隙開始有漿滲出或達(dá)到預(yù)定注漿量，則停止注漿換下一個孔，注完后快速沖洗機(jī)具并拆卸注射槍，待孔內(nèi)漿液凝固后起到加固煤巖的作用。

3.2.3注漿效果

漿液在煤體裂隙內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，短時間內(nèi)能迅速凝固，將破碎的煤(巖)體凝結(jié)起來，形成一個相互交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了煤(巖)體強(qiáng)度，從而增加了自身承載能力，減少了片幫掉頂?shù)某潭龋ＷC了工作面在過斷層期間，能夠正常推進(jìn)，安全高效。

4結(jié)語

隨著采煤裝備的不斷升級，采煤工作面的采高不斷增加，常規(guī)的頂板治理措施不能滿足生產(chǎn)需要，砂巖頂板深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂，超前預(yù)注水泥漿加固頂板，煤層注水，煤層注化學(xué)漿加固幫、頂?shù)燃夹g(shù)將是大采高工作面頂板治理的有效措施。實施了以上措施后，11223工作面已經(jīng)安全回采500 m，該工作面的安全高效回采證明，在砂巖直覆頂板工作面的回采過程中，采用深孔爆破技術(shù)處理頂板能減小工作面的礦壓顯現(xiàn)，防止工作面大面積來壓影響安全生產(chǎn)；在復(fù)合頂板工作面回采時，采用超前預(yù)注水泥漿加固頂板能達(dá)到較好的效果；煤層注水是增加煤層硬度，改變煤體物理性質(zhì)最有效的措施之一。在工作面頂板破碎及片幫掉頂?shù)牡攸c注化學(xué)漿加固頂板，可以有效增加煤(巖)體的承載能力，施工便捷，是防止頂板事故發(fā)生的有效途徑。

Large Mining Height Working Face Side and Roof Treatment

Application Technology in Complex Condition

YAO Wenhong, WEN Xin, TANG Xiaohong

Key wordsGeologic structure; Large mining height; Roof reinforcement