綜采工作面過陷落柱安全技術研究

魯 蒙,舒 梅,周橫全(煤炭工業石家莊設計研究院貴州分院,貴州 貴陽550001)

1 前言

煤炭開采過程中難以避免遇到斷層、褶曲、巖漿巖以及陷落柱等地質構造,工作面過地質構造時不僅會增加回采設備管理難度而且降低工作面生產效率,同時在工作面過地質構造時容易引起涌水、瓦斯異常涌出以及冒頂等安全事故[1-3]。通常情況下回采工作面過地質構造時常遇到技術問題有:工作面頂底板以及煤體破碎、煤壁容易片幫、頂板容易冒頂;工作面超前支護困難;采煤機、綜采液壓支架等設備移動困難[4-6]。因此,在工作面過地質構造時應針對構造賦存特性,制定針對性技術措施,方可確保工作面生產安全。文中就以礦井1602 綜采工作面過X3陷落柱為工程背景,針對性提出安全技術措施,確保了工作面生產安全。

2 工程概況

2.1 工作面概況

1606 綜采工作面開采6 號煤層,設計走向推進長度960m、傾向長度180m,工作面北側為采區集中運輸巷、南側為實體煤、東側為已回采完畢的1604 工作面采空區、西側為圈定的1608 工作面(回采巷道已掘進)。6 號煤層厚度平均5.2m,采用綜采工藝,全部垮落法管理頂板,目前為止工作面已回采超過460m。

工作面開采的6 號煤層結構較為復雜,中間夾雜有2～3 層泥巖、砂質泥巖矸石(厚度總計在0.5m 以內),煤層賦存穩定,全區可采。煤層上覆無偽頂,直接頂、直接底巖性以泥巖為主,具體頂底板巖性見表1。

表1 頂底板巖性參數

2.2 地質概況

根據前期三維地震勘探資料以及回采巷道實際揭露地質資料,在1606 綜采工作面前方636m 位置存在X3陷落柱(長軸×短軸=50m×24m),下陷高度預計為3.9m,預計影響工作面推進距離為52m。在該陷落柱周邊可能存在有小型隱伏斷層、褶曲等地質構造,對工作面正常回采有較大影響。

通過鉆探探測發現X3陷落柱內主要為砂質泥巖、泥巖充填,局部位置探測有塊狀、粉煤裝煤,泥巖較為破碎。在陷落柱內的砂質泥巖、泥巖充填物整體呈散狀堆積。

3 工作面過陷落柱技術措施及存在主要問題

3.1 工作面過陷落柱技術措施

鉆探探測到X3陷落柱不含水且不具備導水性,為了提高煤炭回采率以及工作面推進速度,提出采用平推硬過方法過陷落柱。在工作面過陷落柱期間液壓支架采用帶壓移架方式與頂底板巖層緊密接觸,采煤機截割深度控制在800mm,采煤機截割煤炭后液壓支架及時前移。

3.2 工作面過陷落柱期間面臨問題分析

(1)探測到X3陷落柱形狀分布不規則,在工作面過陷落柱時在地質構造應力作用下頂板應力集中。在工作面推進時若采用綜采液壓支架直接支護頂板時容易出現頂梁與上覆巖層接觸不密實問題,容易導致頂板冒落、支架傾覆等問題,而且液壓支架工作阻力也難以達到設計值[7-8]。

(2)X3陷落柱內充填物為砂質泥巖、泥巖,巖層硬度整體較小、破碎且膠結不穩定,在工作面推進時若不采取其他安全技術措施直接采用液壓支架支撐頂板,極其容易引起陷落柱內煤巖、砂質泥巖充填物結構失穩,出現巖體冒落事故,給工作面生產安全帶來直接影響。

(3)鉆探發現在靠近陷落柱范圍內受地質構造影響煤體破碎、松軟、硬度較低,煤層與陷落柱膠結位置處賦存不穩定,工作面在陷落柱附近回采時出現煤壁片幫、頂板冒頂風險較大。

4 工作面過陷落柱安全技術措施

4.1 破碎松軟煤體加固

為了提升陷落柱附近煤體強度,確保工作面回采安全,決定在1606 綜采工作面采用超前注漿方式對陷落柱周邊煤體進行加固。

(1)在1606 綜采工作面推進至626m 位置時,此時工作面與前方X3陷落柱間距為10m,在受陷落柱影響區煤壁上布置一批注漿鉆孔,鉆孔孔深、間距分別為5.0m、3.0m,在頂板下方1.5m 位置開孔,并以10°傾角布置。

(2)施工完成注漿孔后,采用便攜式高壓泵進行注漿,注漿漿液選用化學漿液(馬麗散),待注漿孔周邊有注漿漿液外滲時停止注漿。

(3)待工作面注漿孔逐漸完成3h 后方可進行回采,工作面推進5m 后即開始第二排注漿孔布置,具體第二排注漿孔布置參數、注漿參數與第一排注漿孔一致。

(4)在工作面過陷落柱前后20m 范圍內(過陷落柱前10m、過陷落柱后10m),共計布置4 排注漿鉆孔。

4.2 頂板管理措施

為了確保工作面過陷落柱期間頂板穩定,避免頂板冒落事故發生,提出采用增加液壓支架工作阻力、布置撞鍥進行超前支護,對過陷落柱位置處頂板破碎巖體進行管理。

(1)當1606 綜采工作面推進至X3陷落柱位置時,在工作面內向頂板方向施工一排鉆孔用以超前支護,布置的鉆孔孔深、間距及孔徑分別為5.0m、1.5m、30mm,每排鉆孔布置15 個鉆孔。

(2)待施工完成超前鉆孔后,在鉆孔內分別裝入錨固劑、長金屬錨桿(錨桿規格:φ25mm×5.0m),錨固用手持式鉆機完成。

(3)施工完成第一排撞鍥后可進行采煤機割煤工作,確保割煤深度在500mm 以內,割煤完成后采用帶壓移架方式移動液壓支架,移架過程中應確保頂梁與頂板巖層緊密接觸。

(4)待工作面回采4.0m時開始施工第二排撞鍥,確保鄰近的兩排撞鍥間有1.0m 重疊距離,相鄰的兩排撞鍥成交叉布置,以此類推布置撞鍥直至采面推進過X3陷落柱,具體工作面內注漿鉆孔、撞鍥布置如圖1所示。

圖1 工作面內注漿鉆孔、撞鍥布置示意圖

5 結論

(1)在1606 工作面過X3陷落柱期間工作面推進速度保持在4.5m/d 以上,較平時推進提高1.3m/d,通過提高工作面推進速度有效降低頂板破碎巖層對工作面生產影響。

(2)礦井1606 綜采工作面在過陷落柱期間采取以注漿加固、布置撞鍥、帶壓移架等為核心的頂板管理措施后,在推進過陷落柱期間未出現頂板冒落、煤壁片幫等安全問題,實現了工作面安全回采。

(3)工作面采用提出的過陷落柱技術措施較傳統的跳采方式可多回采煤炭約5 萬t,有效提升了采面煤炭采收率及礦井經濟效益,取得顯著應用成果。