大采高綜采工作面快速通過陷落柱安全技術研究

張 奇

(山西潞安化工集團 ，山西 長治 046204)

巖溶陷落柱是北部地區多個煤田中廣泛分布的一種石炭二疊系的隱伏構造，分布特點多為從上往下垂向布置。陷落柱基底發育于奧陶系灰巖中，向下塌陷穿過煤層或接近煤層底板。陷落柱的形成，對煤層原有賦存狀態進行改變，破壞了煤層原有的連續性。陷落柱的分布狀態影響井田采掘的布置方式，增加無效巷道長度，減少井田可采儲量，降低礦井的回采率，且巖溶形成的空洞給地下水創造了導水條件，容易產生礦井水害，威脅礦井安全生產作業[1-4]。

井田布置中，對于陷落柱的處理方法，一是直接繞開陷落柱布置回采工作面，二是采取措施通過陷落柱。李村煤礦地質條件復雜，賦存了多個陷落柱，對工作面正?；夭珊筒贾脦韲乐赜绊?。潞安礦區西南方向地質條件復雜，直接避開造成的煤炭損失會超過可采井田面積的50%以上。大采高長壁工作面回采效率高于放頂煤開采效率，采用其他方式會嚴重制約大采高工作面的回采效率。因此，對復雜地質構造條件下的大采高綜采工作面過陷落柱具體工藝和地質構造的顯現進行研究非常必要[3-5]。

1 工程概述

李村煤礦1302大采高綜采工作面北部為1303工作面，南部為1306工作面，西部為一采區大巷，毗鄰沖刷帶，東部為礦井邊界(見圖1)。1302工作面總體地勢西南高東北低，總體呈一單斜構造，傾向209～252°，傾角0～7°，埋藏深度517.9～497.5 m，按煤層走向布置，平均可采長度765 m，切眼長220 m，可采面積168 300 m2，煤層厚度4.4～6.0 m，平均5.2 m。工作面選用131組ZY13000/28/62D掩護式液壓支架支護頂板，其中6架端頭支架，2架過渡支架以及123架正規架。采用正規循環作業，整個循環包括割煤、移架、推刮板輸送機等工序，循環進度0.8 m。三維地質勘探顯示，1302工作面存在2條向斜構造，3個陷落柱。1302工作面陷落柱位于工作面中部，賦存地點分散，占回采面的面積大，提前收尾和重新布置工作面并不適合1302大采高工作面。因此，本工作面采用強過陷落柱的方法進行回采。

圖1 1302工作布置

2 采動影響下陷落柱數值模擬

為更直觀得出大采高綜采工作面直接截割陷落柱時的過程，采用FLAC3D數值模擬軟件對1302大采高綜采工作面陷落柱賦存情況建立數值模擬模型，意在得出大采高綜采工作面機組直接截割單一陷落柱構造時，陷落柱內部鉛錘應力與工作面推進距離的關系。工作面長220 m，陷落柱設定為直徑50 m的圓柱體，置于工作面中部，為減少邊界效應，工作面兩邊各留50 m煤柱，模型尺寸330 m×200 m×120 m，鉛垂方向取200 m，共劃分網格10 980個。

模擬工作面煤層厚度5.2 m，模擬開挖時，采用一次采全高方法直接開挖，工作面每推進10 m，對模型計算一次，分別截取模型每推進10 m應力變化，據此來反映大采高工作面過陷落柱時的應力變化情況。

模擬陷落柱內部垂直應力與工作面推進位置關系如圖2所示。

圖2 陷落柱內部垂直應力與工作面推進相對變化

由圖2可知：

1) 陷落柱未受回采擾動狀態下，內部垂直應力為5.3 MPa，小于正常圍巖應力狀態下的應力。說明陷落柱的發育影響周邊煤巖體的應力分布，塑性強度低于完整狀態時的煤巖強度，回采時需加強對大采高工作面煤巖交界區域的煤墻頂板管理。

2) 當工作面距陷落柱距離大于80 m時，陷落柱內部不受回采過程擾動影響；當工作面推進至80 m后，陷落柱內部應力隨著工作面的推進逐漸增大，受回采擾動影響逐漸增大。當工作面推進至40 m時，陷落柱內部應力達到最大7.7 MPa。

3) 工作面推進距陷落柱40～20 m時，陷落柱內部應力隨工作面的推進應力急劇下降。隨后應力速率降低。說明當工作面接近陷落柱時，陷落柱內部受到擾動產生裂隙，使其內部會出現大面積卸壓區。在此區域可能會產生頂板垮落、煤墻片幫、產生導水通道等，推進陷落柱位置時需加強煤墻、頂板管理。

3 強過陷落柱工藝

三維地質勘探顯示，位于1302工作面前方290 m有疑似陷落柱異常存在(實際揭露時賦存情況與三維勘探存在偏差)。結合陷落柱數值模擬情況，工作面強過陷落柱時，采用“陷落柱超前探測+超前注漿+松動爆破配合采煤機切割”的直接通過陷落柱的治理方式。根據回采時陷落柱在不同區段的應力變化情況，回采時做好對煤墻頂板的防護。強過陷落柱時要保證工作面的回采進度，減少回采圍巖塑性擴大對煤墻頂板場所的二次破壞，確?；夭勺鳂I安全高效。

3.1 超前探鉆孔預測

工作面距陷落柱15～20 m時，超前應力影響到陷落柱區域，工作面出現大面積卸壓區，陷落柱區域范圍逐步與受工作面回采影響的圍巖塑性區貫通，為防止工作面揭露陷落柱前相互應力影響產生片幫、漏頂，提前對陷落柱構造進行探測，以進一步確定陷落柱區域及做好頂板、煤墻防護措施。在物探陷落柱邊界范圍用長短結合方式進行超前探測。一是施工15 m長鉆孔以探明工作面首先揭露范圍及未來15 m范圍內陷落柱的揭露范圍；二是工作面正常推進后，每推進8 m，在陷落柱揭露范圍左右各10 m范圍內8 m鉆孔探明推進方向8 m范圍內的陷落柱邊界位置，便于提前對陷落柱煤巖交界區域管理。

3.2 注漿加固工藝

受工作面采動影響，回采至陷落柱時，工作面周邊圍巖的采動應力與陷落柱內部應力疊加，使得陷落柱內部破碎，產生裂隙。研究發現，煤巖破碎有裂隙時，注漿效果明顯，對煤巖裂隙膠結效果最好。為了確保煤墻頂板完好，注漿參數布置如下：孔深8 m，封孔4 m。下排孔距底板1.5 m，垂直煤墻打設；上排孔距頂板1 m，仰角5°打設，注漿孔水平間距5.2 m，三花布置，循環步距4 m。

3.3 松動炮輔助破巖

陷落柱柱體有局部堅硬巖石，采煤機截割困難，且對采煤機刀齒、齒套磨損嚴重，采煤機通心軸、搖臂均有不同程度損傷，且截割掉落大塊對輸送機和轉載機刮板損傷較大。直接截割對設備損耗大，且處理設備故障時間長，不利于快速通過陷落柱。為保證陷落柱安全高效通過，在工作面推進到陷落柱局部硬巖時，采取松動破碎輔助破巖。

炮眼布置參數(如圖3所示)，炮眼采用五排眼布置，第一排距頂0.3 m處，仰角9°；第五排距巖石底部0.3 m，俯角-9°；第二排距第一排排距為0.9 m；第三排距第二排排距為0.9 m；第四排距第三排排距為0.9 m；炮眼設計長度為1.8 m，眼距為0.5 m，采用三花布置，裝藥量400 g/眼，正向裝藥。

圖3 松動炮破巖炮眼布置(mm)

4 工程實踐

4.1 過陷落柱期間頂板管理

1302工作面陷落柱揭露情況為2個陷落柱平行賦存于工作面兩側，陷落柱XLC1和陷落柱XLC2均呈現不規則橢圓形，長軸平行于走向分布，短軸與工作面傾向平行。

1) 陷落柱XLC1短軸30 m，長軸50.4 m，主要產物為泥巖和砂質泥巖，強度較低，采煤機可以直接截割。這一區段頂板矸石及煤巖交界位置易掉落，通過陷落柱1時防止頂板漏矸和煤墻片幫。主要采取措施為減少控頂距，及時移架，在破碎區域及時按要求注漿管理。采用支架不降架帶壓移架，及時將護幫板伸出方式，減少空頂和空幫時間，取得良好效果。

2) 陷落柱XLC2短軸40 m，長軸88 m，主要產物為白砂巖，硬度系數高，超過采煤機截割硬度指標，主要采用“松動爆破配合采煤機切割”方法進行回采，此區段煤墻完整性好。主要是做好頂板管理和控制采高，做好設備維護，減少大石塊對設備影響。保證泵站壓力達到31.5 MPa，乳化液濃度3%～5%，保證支架初撐力達到27.5 MPa，杜絕串、漏液，確保支架工作狀態良好。按要求嚴格控制采高，確保陷落柱區段硬巖區域采高不少于4.2±0.2 m，與工作面正常區段采高平穩過渡，不出現錯茬。

4.2 過陷落柱期間設備管理

強過陷落柱期間，受工作面石塊影響采煤機日均更換刀齒32個，齒套、搖臂均有不同程度損傷，工作面運矸與運煤采用同一系統，硬石塊對刮板機、轉載機、膠帶等運輸設備損壞較為嚴重，設備故障對生產的影響較大。采用強過陷落柱工藝要加強設備檢修和維護，減少設備故障對生產的影響。

4.3 經濟效益

根據1302工作面陷落柱賦存情況，采用強過陷落柱工藝，節省了搬家倒面和重開切眼時間，回收煤炭資源50萬t，創造收益3億元。

5 結 語

1) 采用FLAC3D數值模擬，得到了強過陷落柱時其內部應力隨工作面推進距離變化的情況，并據此分析得出裂隙產生時機，保證了注漿的最佳效果，確保了回采作業安全高效。

2) 采取了有效方案后，本次過陷落柱期間日均推進3.8 m，減少了強過陷落柱期間頂板煤墻因進度慢導致的二次破壞，較好地維護了工作面頂板和設備，保證了陷落柱安全高效快速通過。

3) 本次采用強過陷落柱工藝，為本礦及周邊礦井以后過類似構造勘探揭露和回采強過陷落柱提供了方案和經驗。