采空區松散巖石頂板條件下采煤面支護技術

唐文迎

（肥城礦業集團有限責任公司 山東 肥城 271608）

0 概述

1）3101 工作面概況

肥礦集團陶陽煤礦3101工作面位于中三井田3100回風下山東翼，為3100采區第一個工作面。該工作面傾斜長50m，走向長 153m，煤層厚度 3.12～3.50m，平均 3.43m；直接頂板為粉砂巖，厚4.0m左右，老頂為中砂巖，厚12.0m；直接底板為粉砂巖，厚1.5m。該工作面采用上、下分層開采，全部冒落法管理采空區頂板。上分層回采時沒有鋪設鐵絲網等可形成人工假頂的材料，也未進行人工灑水幫助膠結，其直接頂板冒落后呈自然松散狀態，沒有形成人工假頂，給下分層開采造成較大困難。工作面上分層平均采高為1.9m，剩余煤厚為1.5m左右，工作面下分層剩余可采儲量為3.1萬t。

2）開采技術難點

經分析預測，認為3101工作面上分層開采完畢至今,已有20多年的時間跨度，采空區已非常穩定，可排除動壓沖擊隱患。主要難題是如何有效支護自然松散狀態下的破碎頂板。在下分層回采巷道進入后，果然發現上分層采空區冒落巖石基本上沒有膠結，處于松散自然狀態，給后繼開采帶來重大安全隱患。

1 頂板支護技術

1.1 頂板加固方案

如何加固松散巖石狀態頂板，是解決3101采煤工作面支護難題的關鍵所在。經過反復研究，最終確定采用打鉆注漿加固形成人工假頂的技術方案。

1）鉆孔設計

（1）在工作面上方送料道內，每間隔40～45m施工一鉆機峒室，共計布置3個鉆機峒室。（2）為精確設計注漿擴散區域，沿工作面傾斜方向劃分3個條帶，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ條帶，條帶寬15m。（3）按正常漿液擴散半徑15m，均勻布置鉆孔，鉆孔開孔位置一律布置在工作面送料道。（4）鉆孔底部嚴格進入上分層采空區內。（5）在Ⅰ條帶內呈扇形布置鉆孔9個，在Ⅱ條帶內呈扇形布置鉆孔9個，在Ⅲ條帶內呈扇形布置鉆孔6個。根據鉆孔進漿情況于Ⅲ條帶內補打3個檢查孔。（6）為確保注漿效果，鉆孔設計下入二級套管，一級套管Φ73mm，長3m，在煤層內；二級套管Φ50mm，根據鉆孔深度必須下至采空區內2～3m處。

2）注漿技術

在3101送料道內安裝48.6mm供水管路160m，用于鉆進及注漿供水。為實現連續注漿，設計制作2.0m3水箱1個，用于水泥制漿。選用425#普通硅酸鹽水泥，漿液設計比重為1.4～1.6t/m3，在采空區遇塌孔嚴重時，適當減小漿液比重至1.2t/m3。鉆孔注漿期間，加強對工作面運輸巷檢查，防止跑漿，在運輸巷不跑漿情況下，采取連續注漿方式；運輸巷發現有跑漿時，采用間歇方式進行注漿，運輸巷內跑漿嚴重時，在孔口設置骨料添加器，進行骨料（鋸沫）添加。

3）頂板支護設計

支護設計是實現安全開采的關鍵。結合現場實際，遵循減小機道寬度、縮小無支柱空間、超前控制、提高支強度、增加護密度的原則，研究設計了以下技術方案。

（1）支護設備及參數

根據工作面上分層開采礦壓觀測數據，分析認為其直接頂全部冒落后為松散巖石，老頂為15m厚中砂巖，推斷應該形成“砌體巖梁”，具備力的傳遞條件，由此分析，工作面支護對象是上分層直接頂的全部以及老頂的有限作用。經過對“采場頂板控制設計專家咨詢系統”咨詢，支護強度為0.38MPa。為盡量減小采煤機機道寬度，選用DY-150型采煤面，滾筒截深1.0m，機道寬度平均1.2m左右。工作面采用DZ16型單體液壓支柱配合HDJA-1000型金屬鉸接頂梁作為基本支護，確定支柱排距1.0m，柱距0.6m，支護強度0.42MPa＞0.38MPa。 工作面采用“3～4 排”控頂，最大控頂距4.5m，最小控頂距3.5m,頂梁端面距為0.3m。

（2）特殊支護

圖1 平面圖

圖2 剖面圖

考慮到注漿效果可能存在差異性，研究確定，已形成穩定頂板的區域，采煤機割煤后，允許有一定的空頂時間，可以按平常采煤工藝進行施工。對注漿未達到預期效果，頂板仍處于自然松散狀態的區域，則設計了特殊支護安全措施，采用插入厚壁鋼管的方法超前控制頂板。具體方法為：采煤機割煤前，在工作面每兩棵相鄰支柱中間，靠近頂板處垂直煤壁用煤電鉆打眼，眼垂深1.2m，在眼中安設Φ38mm，長1.3m厚壁鋼管，其后部插入π型鋼梁（前部經過機械加工處理）將其固定，π型鋼梁長3.2m，一梁3柱。具體工序順序為，采煤機割煤前打眼安入厚壁鋼管，前移π型鋼梁插入鋼管內，鋼梁下支設支柱，柱距1.0m。采煤機沿頂向上割煤，隨后掛設聚丙烯編織網，以增加護頂密度。由于厚壁鋼管超前控制了頂板，采煤機割煤后仍有0.2m在煤體中,保證了頂板不會發生冒落。見圖1、圖2。

2 開采效果

采取以上頂板支護措施后，順利完成了對該工作面的正規開采。經開采發現注漿效果明顯，90%的頂板顯現出注漿加固后的整體穩定性，一般可采取平常采煤工藝及工序，頂板支護效果較好。但在開采過程中，也發現局部頂板漿液未能覆蓋，仍處于原始松散狀態，出現過局部機道范圍內的高冒現象，但其空間一般不超過長×寬×高=0.4×0.3×0.3m3，顯示了頂板支護設計方案的安全可靠性。由于采取了具有針對性的注漿加固、特殊支護等有效手段，確保了開采順利進行，該工作面開采歷時49天，安全采出煤炭3.0萬t。

3 結論

注漿加固技術對松散型頂板效果顯著，比較適應裂隙發育、嚴重影響安全開采頂板的超前加固。鉆孔布置及注漿方案是關鍵技術，直接影響水泥漿液對頂板的加固效果，需要結合實際具體分析、科學計算。特殊頂板條件下開采成功，可作為實踐經驗來借鑒，對于類似松散巖石狀態頂板支護技術的發展具有一定意義。