綜采工作面過上覆煤柱技術及其安全管理

張 帥

(大同煤礦集團有限責任公司四臺礦，山西 大同 037000)

0 引言

煤柱在煤礦生產過程中，經常給綜采工作面正常生產帶來阻礙，主要表現在上覆煤柱區致使工作面頂板壓力增大[1-3]，工作面頂板破碎，煤壁片幫嚴重，甚至還會出現局部漏頂現象，阻礙工作面的正常生產。因此，對上覆煤柱進行分析研究并提出具有可行性的過煤柱方案，對煤礦安全生產很有必要。

1 工作面概況

12#層307盤區8739工作面北起12#層307盤區巷，東面為12#層8741面，西面為12#層8737面。地層大致呈一單斜構造。井田內構造受區域應力場所制約，其表現形式為以小型褶皺構造為主，伴有斷裂構造及煤層陷落柱。井田斷裂構造有北東、西南向2條，均為傾角較陡的正斷層，落差分別為25 m和9 m，長度900～1 850 m，受這些較大斷裂影響，還發育有較多的次級小斷層。這些斷層多為導水斷層。井田中發現陷落柱有3個，在平面上呈點式陷落，沒有延長，大者長軸550 m，短軸300 m，面積約165 000 km2，落差約100～120 m。

8739工作面順槽長度為814 m，設計可采長度為730 m，回采工作面寬度為113 m，工作面標高為1 077～1 100 m，對應的地表高差為58 m左右，12#層煤層在307盤區賦存較穩定，煤層結構較為簡單，工作面煤層厚度平均約2.3 m左右，煤層傾角2°，屬于近水平煤層。綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 綜合柱狀圖

2 頂底板情況分析

工作面上覆從下往上依次為偽頂、直接頂和老頂。偽頂為砂泥巖，炭泥巖，細砂巖，厚度0.35～0.90 m，一般為1～2個分層組成，中西部地段為2～3個分層，易塌落，穩定性較差，偽頂巖石的抗壓強度是512 kg/cm2，其抗剪強度是108 kg/cm2，普氏硬度5.12，軟化系數0.62；直接頂巖性為粉砂巖互層，巖石厚度范圍為1.19～14.25 m，穩定性較好，中厚層狀結構。老頂巖性為中細砂巖，厚度范圍為1.3～20.0 m，膠結致密，穩定性好，中厚層狀，老頂的抗剪強度是98 kg/cm2，老頂的抗壓強度是285 kg/cm2，普氏硬度2.85。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

3 煤柱對回采的影響及安全管理

3.1 煤柱對回采的影響

從12#煤軌道巷往里396～453 m處有上覆11#煤307盤區8706面煤柱，此煤柱影響范圍為60 m；783 m到切眼處有11#煤307盤區8712面多個煤柱，工作面煤柱分布情況如圖2所示。

在開采過程中，上覆巖層內部的活動規律，目前人工還不能肉眼目睹，而只能根據間接資料和數據，加以分析和推理[4-6]。當8739工作面采到煤柱區下方時，受上覆煤柱區的影響，工作面和兩順槽的壓力顯現特別明顯，主要表現為工作面片幫嚴重，端面距增大、頂板破碎、支架壓力升高且部分支架安全閥開啟等煤柱區造成的應力集中占主要部分。同時受上覆煤柱區影響，工作面采到煤柱區下方推進時，周期來壓程度相當劇烈，且來壓步距縮小。

由于一側采空，覆巖應力向實煤區轉移，覆巖應力通過上覆煤柱區傳遞到8739工作面，使工作面應力增大。工作面直接頂破斷、垮落、老頂來壓及覆巖運動會更加猛烈，回采過程中，老頂壓力通過煤柱傳遞到工作面頂板造成工作面應力集中，隨著工作面向前推進，頂板的不斷垮落，煤柱也逐漸垮落。煤柱寬度隨著工作面不斷向前推進而越來越少，煤柱所承受的壓力也越來越大，當工作面通過煤柱后，煤柱還沒有完全垮落，正好在支架上面，此時，支架的壓力是最大的，上覆巖層的壓力會通過煤柱傳遞到支架上，當工作面支架出煤柱后，直接頂承受不住上覆的壓力而斷裂，進而垮落，煤柱也隨著垮落，煤柱垮落后，支架壓力逐漸減小，回到正常壓力范圍。

圖2 工作面煤柱位置圖

根據上述分析總結，工作面從進煤柱到出煤柱過程中，工作面壓力是逐漸增大的，最大處在出煤柱時，出煤柱后，壓力隨之減小，此時，上覆巖層運動較激烈，隨后重新達到平衡，工作面頂板及上覆巖層破斷時，對工作面及采空區覆巖造成采動影響。

3.2 綜采工作面過煤柱技術安全管理

只有加強頂板管理和頂板動態監測工作，將工作面頂板控制好，減小過煤柱區時的礦壓顯現，安全過煤柱區才有了十足的保證[7-9]。

提高液壓支架的初撐力：這樣做可以使液壓支架主動支撐工作面頂板，避免了壓力轉移到工作面煤壁，較好的維持頂板穩定性，同時也避免工作面來壓時煤壁不能承受導致片幫嚴重，為此，可從以下方面著手：①第一，提高供液壓力，保證供液管路和密封圈的密封性和耐用性，或者使用其他手段增加壓力；第二，保證供液時間，對此可以采用雙壓力回路系統來代替支架操作工；第三，帶壓擦頂移架，及時支護工作面頂板，采煤機割煤過程中，液壓支架前探梁距離采煤機后滾筒保持在2架內，使得端面距不大于340 mm；②通過對即將進入煤柱區的工作面及兩巷煤壁進行提前注瑪麗散，注入的瑪麗散通過煤層裂隙迅速擴散后凝固，使煤層粘到一起，粘結度提高較大，加固了周圍的破碎煤巖，能夠使破碎帶保持相對比較穩定的狀態，提高頂板的穩定性，提高巷道和工作面煤壁整體性，減少了煤壁的片幫，縮小了端面距，從而提高了煤壁的強度；③工作面能否順利通過上覆煤柱區，還與工作面采高和回采工藝有很大的關系。采高的降低可以減小煤壁的片幫，礦壓顯現也會明顯減小，從而對工作面通過上覆煤柱區提供較大的幫助，為保證采煤機能順利通過，在過煤柱期間，采高控制在2.4 m左右，通過煤柱區后，若工作面煤壁壓力顯現不明顯，可以恢復到原來的采高。

快速通過：為加強工藝、工序的管理創造各種條件，延長生產班割煤時間，加快推進速度，在最短的時間內，通過上覆煤柱區。過煤柱期間，工作面支架一直長時間承受著頂板較大的壓力，加快推進速度可以緩解頂板的下沉，避免壓死支架，造成停產。同時，過煤柱的過程中做好工作面頂板、底板、煤壁、支架壓力變化情況記錄。進入上覆煤柱集中應力區前，工作面應根據實際生產情況從頭部開始調斜開采，尾部超前頭部不低于15 m。

嚴格管理：①加強工作面安全管理，嚴格執行開工前“四位一體”檢查制度和“敲幫問頂”制度，發現不安全因素立即處理，保證工作環境安全的情況下才能作業，如發現當班不能處理的問題，必須及時向礦調度室匯報。為防止兩巷炸幫煤傷人，巷道兩側護網嚴禁拆除，同時，及時將頂板上的零皮、活石用長柄工具處理掉，確保作業地點安全后才能開始工作。為防止機組割煤過程中炸幫煤傷人，工作面所有工作人員必須站在液壓支架內部進行工作，采煤機割煤過后，液壓支架必須跟緊煤機移架，與機組滾筒距離2個支架的距離。機組必須安設護板。如發現頂板離層現象時，必須及時補打支護;②加強機電設備檢修力度，減少事故率，提高開機率。在過煤柱前一定要對設備進行徹底檢修，確保設備完好。由調度室協調運輸、供風、供水、盤區不間斷供給。加強支架及液壓管路的檢修，杜絕跑、冒、滴、漏，液壓支架初撐力必須大于24 MPa，工作面支架完好率大于95%。

補支單體柱：在割煤過程中，如果發現頭尾順槽超前支護壓力增大，片幫較為嚴重，頂板下沉、開裂等情況，兩順槽超前支護段及工作面端頭處在頂板較為破碎的情況下，則將尾順槽鋼梁下補支單體柱，頭順槽鋼梁下靠人行道側補支單體柱，或者超前支護棚距由1.0 m縮短至0.5 m，并且確保鋼梁接頂嚴實，不實處用木楔或柱帽背實，應提前加強頭尾順槽頂板的支護工作，超前支護距離在原有的基礎上應加長，支護距離不低于30 m，根據實際情況，應及時鋪網并補打支護。

嚴禁超前支護提前回撤：(采煤機距頭、尾30 m時開始回撤)保證機組割通后超前支護距煤壁距離不大于1.2 m。工作面端頭支護和超前支護回撤的單體柱必須及時補到前面。超前支護單體柱的初撐力不低于90 kN(11.5 MPa)，工作面端頭或其它地點單體柱的初撐力不低于90 kN(11.5 MPa)。煤柱區前后20 m范圍內兩巷原有的支護材料嚴禁回收。

4 結語

在8739綜采工作面過上覆煤柱期間，通過對工作面水文地質條件及上覆煤柱區進行系統的分析，制定了相適應的過煤柱方案。在煤層頂板破碎的情況下，采用煤壁注瑪麗散，提高頂板的穩定性，采取預先加強超前支護來控制頂板、工作面調整偽斜、優化工序等針對性措施，通過合理安排各類工程之間的銜接，緊密配合，綜合平衡，充分利用時間和空間，創造多頭作業和多工序立體平行交叉作業，改進了施工技術和組織管理。有效地預防了工作面冒頂，快速安全地通過了上覆煤柱區，技術、安全、經濟效益顯著。