東曲煤礦綜采工作面頂板控制技術(shù)研究

李小建

(山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦，山西 太原 030200)

引 言

山西焦煤集團東曲煤礦有限責任公司礦井井田面積11.75 km2，地質(zhì)儲量10 199萬t，開拓采用立井單水平方式，其礦井主采3#煤層，為特低硫、低灰、高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)動力和化工原煤。由于近年來對井下綜采力度的不斷加強，多個礦井所處的地質(zhì)條件穩(wěn)定性差，在綜采作業(yè)的過程中頻繁的發(fā)生冒頂事故，嚴重影響了東曲煤礦的生產(chǎn)安全。

為了徹底扭轉(zhuǎn)東曲煤礦頂板控制效果差的缺陷，2015年開始公司成立了專門的技術(shù)攻關(guān)小組，針對東曲煤礦11412綜采工作面的實際地質(zhì)條件，從巷道開采初期直到巷道開采末期各階段的頂板控制方案進行分析驗證，經(jīng)過3年的探索，初步形成了從無到有，從簡單到片面的頂板控制技術(shù)方案。形成了一整套行之有效的工作面頂板控制技術(shù)，并在集團內(nèi)得到了廣泛的應用。

1 初采期頂板控制實施方案

初采期的基本頂在首次來壓時的間距大，易導致頂板產(chǎn)生大面積崩塌，有時還會形成颶風，此時安全風險極大[1]，超深孔爆破強制放頂技術(shù)可有效保障基本頂?shù)钠屏?，是針對上述風險的有效措施。

1.1 超深孔爆破強制放頂控制

超深孔爆破強制放頂控制方案在東曲煤礦的應用效果極好，本項技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)點在于加強眼設置、PVC管裝藥工藝、長短炮眼設置方法。

炮眼設置采用“一”字型、長短結(jié)合的方式，每組放置炮眼3個，組內(nèi)炮眼之間間隔距離9 m，長度分別是25 m、30 m、33 m，炮眼仰角為30°。當頂板巖層較堅硬、完整、厚實時，為了保證頂板爆破效果，需要設置加強眼。加強眼設置在常規(guī)炮眼的組間，其參數(shù)按照33 m長的炮眼設置。上述炮眼均按圖1所示工藝方法進行裝藥。深孔爆破強制放頂能夠使得頂板達到極大破壞程度，從而確保達到理想的放頂效果。

圖1 PVC管裝藥工藝示意圖

1.2 初次來壓的判斷方法

初次來壓發(fā)生與否關(guān)系到由其引起的颶風隱患是否排除，必須同時滿足以下兩個標準才能判定初次來壓是否已經(jīng)發(fā)生：一是地表是否出現(xiàn)塌陷裂紋縫，二是工作面的壓力狀況。

2 工作面過空巷頂板控制實施方案

空巷有新掘進空巷與舊空巷兩種情況，當工作面過空巷時會導致支架梁懸空大，從而導致液壓支架承受壓力過大，導致冒頂風險大。故此，新巷道的頂板控制必須從設計階段開始，而舊空巷也應采取適當措施。

2.1 過新空巷的頂板控制實施方案

新巷掘進過程中，應按第75頁圖2所示進行設計，寬度不得超過5 m；高度不能過高，滿足使用需求即可，一般取3 m左右；新掘空巷與工作面巷道夾角為60°。這種設計大大減小了頂板的漏空面積，從而大大降低了頂板控制的難度。此外，掘進過程中應將煤層較多地留在底部，頂部僅需預留400 mm左右煤層即可。

圖2 新空巷與工作面位置示意圖

2.2 過與綜采面平行舊空巷頂板控制實施方案

與工作面平行的舊空巷頂板懸空面積較大，難以控制，因此必須采用其它措施進行妥善處置：1) 加強支柱的支護強度，如預先用錨網(wǎng)索支護方式進行加強；2) 調(diào)節(jié)推進速度來預先調(diào)節(jié)周期來壓位置，使得過空巷時間與周期來壓時間不同步；3) 預先將工作面調(diào)整至傾斜狀態(tài)(1.5°～2.5°)從而減小每次割煤時空巷的揭露長度；4) 加強對設備檢測維修，確保工作面可一次快速通過；5) 及時拉架以確保足夠的初始支撐力。

3 工作面過薄基巖頂板控制實施方案

薄基巖主要特征是巖層厚度小，當工作面經(jīng)過時，切頂、冒頂、涌水等風險極大，因此工作面經(jīng)過此類區(qū)間時，必須采取措施對頂板進行控制[2-4]。東曲煤礦生產(chǎn)過程中所采取的主要措施包括以下方面：一是液壓支架必須選型合適，保證支撐力，本文所述工作面選用阻力位12 000 kN的支架；二是為確保具有足夠的基巖厚度，頂煤需預留0.8 m～1 m厚；三是基巖厚度小于8 m的較薄處預先使用馬麗散進行加強加厚，使基巖厚度不小于8 m；四是預先完成打眼工作與放水工作，以確保沙水分離；五是必須加強移架的管理工作。東曲煤礦在采取上述措施后，在多個薄基巖處都實現(xiàn)了安全開采。

4 工作面懸頂?shù)奶幚矸椒?/h2>

當工作面中部區(qū)域頂板的基巖較厚、堅固、完整的情況下，其在回采過程中架后頂板難以冒落，此時會導致架后懸頂太大，有大面積垮落的風險。東曲煤礦開采過程中，中部懸頂長、寬分別達到50 m與10 m，此時采用超深孔爆破技術(shù)可有效達到強制放頂目的，具體操作方式如下：強制放頂處降下液壓支架一臺，利用鉆機施工炮眼，炮眼采用單孔布置形式，直徑100 mm左右，方向取與工作面成30°仰角，長度依據(jù)懸頂距離具體確定，如圖3所示。

圖3 工作面中部懸頂炮眼布置示意圖

工作面兩頭三角區(qū)的頂板形成了三角形，由于三角形的穩(wěn)定性，以及錨桿與錨索的作用，所以頂板穩(wěn)定性高，難以垮塌，但如果懸頂面積大到一定程度后就具有了垮塌并產(chǎn)生颶風的安全隱患。東曲煤礦在處理低瓦斯區(qū)域內(nèi)面積超過100 m2或長度超過20 m的三角懸頂時，同樣采取超深孔爆破強制放頂措施進行處理，如圖4所示。

圖4 工作面端部三角區(qū)域懸頂炮眼布置示意圖

5 工作面末采期頂板控制實施方案

工作面末采期遇到周期來壓時，停機后首個掛網(wǎng)位置與工作面連通位置是兩個發(fā)生頂板事故可能性最大的位置。為避免發(fā)生事故，東曲煤礦采用前文所述提前調(diào)壓2次、貫通調(diào)節(jié)巷與提前加強回撤通道支護等措施。

首次調(diào)壓的主要目的是為了避免周期來壓導致的前漏頂、片幫等造成危險事故，調(diào)壓位置選擇在離回撤通道200 m處；二次調(diào)壓的目的是為了避免周期來壓導致的切頂壓駕，從而確保了礦下設備能夠穩(wěn)妥撤回，調(diào)壓位置選擇在離回撤通道5 m處。兩次調(diào)壓時間間隔控制在10 h左右。

為真實了解頂板底部的平整程度，東曲煤礦在垂直于回撤通道方向開鑿了多個調(diào)節(jié)巷。調(diào)節(jié)巷的具體長寬尺寸為15 m、2.3 m，相互之間間距為40 m。同時，采用錨網(wǎng)索與垛式支架相結(jié)合的方式對回撤通道的支護進行加強，如第76頁圖5所示。

其中，錨桿選用直徑19 mm，長度2 000 mm的螺紋鋼，按照1 000 mm×1 000 mm的矩形分布。錨索選用直徑18 mm，長度8 500 mm規(guī)格，排布距

圖5 回撤通道聯(lián)合支護斷面示意圖

離1 200 mm左右，每排設置4根，鋼帶用長度為5 500 mm的W型鋼帶。垛式支架之間距離不超過0.5 m，采取雙排設置形式，確保支護強度大于0.8 MPa。

上述多項措施的整體應用確保了東曲煤礦在末采期沒有發(fā)生頂板事故，實現(xiàn)了人與設備的安全生產(chǎn)。

6 結(jié)論

針對東曲煤礦的地質(zhì)條件提出了多種技術(shù)措施，用于保證綜采工作面的頂板安全，通過在東曲煤礦11412綜采工作面近3年的應用表明，上述措施均取得了良好的控制效果，應用后該綜采工作面未發(fā)生一起頂板事故，通過在焦煤集團其他兄弟煤礦的應用也表明了該頂板控制技術(shù)的有效性。