晉華宮礦遺留煤柱下堅硬頂板冒頂機理與治理技術

丁 勇

（晉能控股煤業集團有限公司安全監管五人小組，山西 大同 037000）

我國煤礦的開采逐漸向深部轉移，在上部煤層開采過程中遺留了大量煤柱，易出現應力集中現象，給下煤層工作面和巷道布置帶來不利影響[1-5]。晉華宮礦12#煤8204 工作面位于7#煤采空區遺留煤柱下方，受遺留煤柱的影響，易產生應力集中，加上8204 回風平巷鄰近8206 采空區，工作面處于鄰近采空區應力集中影響范圍內，頂板巖層破碎，片幫現象嚴重，直接威脅到工作面的正常生產。為此，以12#煤8204 工作面為工程背景，開展堅硬頂板冒頂機理與控制技術研究[1-5]，具有重要的研究意義和現實意義。

1 工程概況

1.1 生產地質條件

晉華宮礦于山西省大同市，目前，開采7#、9#、12-2#煤層。8204 工作面位于南山井12-2#煤層402 盤區，地質構造簡單。8204 回風平巷鄰近8206采空區（保護煤柱20 m），上覆7#、9#煤采空區。12#煤層與7#、9#煤層層間距分別為89 m、50 m，其中7#煤采空區中遺留煤柱位于試驗工作面正上方（煤柱范圍150 m 垂直于試驗工作面）。工作面賦存煤層傾角在2°～10°，平均6°，屬于近水平煤層。12-2#煤層硬度系數2.5～3.1，煤層厚度4.6 m，較穩定，含1～3 層夾矸。煤層直接頂為平均厚度10.94 m 的淺灰色細砂巖，巖性以石英為主，次為長石、云母，水平層理；基本頂為平均厚度9.44 m的粉、細砂巖互層結構，上部以淺灰色細砂巖為主，下部以灰色粉砂巖為主，水平層理發育；直接底為平均厚度5.23 m 的灰色粉砂巖，貝殼狀斷口；基本底為平均厚度4.38 m 的雜色粉砂巖，局部有滑感，易碎。

1.2 工作面冒頂特征

8204 工作面采用走向長壁采煤法，工作面推進長度1700 m，工作面長度160 m，布置97 架液壓支架。工作面回采至1 297.4 m 時，工作面大范圍冒頂，造成停產，回采期間也曾發生多次冒頂現象，較大的有3 次。較大冒頂現象如下：

（1）回采至452.3 m 時，回風巷端頭三角區域冒頂（95#～97#支架范圍），冒頂范圍長為4.0 m、寬為3.5 m、高5.0 m，回風巷頂板來壓明顯、劇烈底鼓，出現嚴重變形。

（2）回采至544.0 m 時，工作面70#～84#支架范圍內出現冒頂，煤壁片幫現象嚴重，漏頂高度10.0～15.0 m，煤壁片幫2.5～3.0 m。

（3）回采至1 295.4 m 時，工作面27#～87#支架范圍內出現冒頂，煤壁片幫現象嚴重，漏頂高度2.0～10.0 m，煤壁片幫2.5～4.0 m，工作面停產。

2 遺留煤柱下堅硬頂板冒頂機理

8204 工作面頂板屬于堅硬頂板，易出現長懸頂斷裂造成的壓架事故，但該工作面頻繁出現端面冒頂現象，判斷工作面多次冒頂是由于12#煤層8204工作面處于上覆7#煤采空區遺留煤柱支承應力影響范圍內，受鄰近8206 采空區側向支承應力及本工作面周期來壓疊加影響，支架沒有及時維護空頂區域，導致頂梁無法嚴密接頂，前后支柱出現前高后低，堅硬頂板采動應力傳遞至工作面煤壁，切頂線前移，從而導致工作面頻繁冒頂，即上覆采空區遺留煤柱產生的支承應力影響，改變了堅硬頂板運移規律是12#煤層8204 工作面頻繁冒頂的主要因素。

3 遺留煤柱下堅硬頂板冒頂治理技術

采用注漿充填、鉆孔卸壓的方式是治理遺留煤柱下堅硬頂板冒頂現象的有效手段。由于試驗工作面冒頂區域范圍大，無法直接布置充填系統，因此，設計一條超前臨時治理巷用于治理冒頂現象，具體技術措施如下：

（1）超前臨時治理巷

超前8204 工作面10 m 位置施工一條超前臨時治理巷，超前臨時治理巷垂直于進、回風巷布置，斷面尺寸設計為8.8 m×4.2 m（寬×高），設計采用木垛和單體液壓支柱支護，木垛規格為長1.2 m、厚0.2 m、寬0.2 m，中心距設計0.8 m，木垛之間布置1 根單體液壓支柱用于加強支護。超前臨時治理巷相對位置如圖1。

圖1 超前臨時治理巷相對位置

（2）注漿加固

超前臨時治理巷內設計鉆場，鉆場內面向冒頂區域布置注漿孔，采用注漿方式加固工作面圍巖，加固范圍為25#～89#架支架區域（包括冒頂區域）。在加固區域范圍內布置注漿孔22 個，注漿孔間距設計4.0 m，仰角設計22°～26°，注漿材料選擇固結抗壓結強度不小于50.0 MPa 的超細水泥注漿材料，水灰比設計1:1.5，注漿壓力設計2.0 MPa。注漿充填鉆場布置示意圖如圖2。

圖2 注漿充填鉆場布置示意圖

（3）鉆孔卸壓

在超前臨時治理巷對工作面煤層進行卸壓，卸壓采用大孔徑鉆孔方式，即采用直徑97 mm 鉆頭向前方煤壁施工卸壓鉆孔。鉆孔深度設計為12 m，鉆孔角度設計為5°～6°，卸壓孔采用三花布置，排距設計2.0 m，間距設計0.4 m，如圖3。

圖3 卸壓鉆孔布置示意圖

4 工程應用

圖4 中0～10 d 為冒頂后液壓支架工作阻力的監測值，10～20 d 為進行治理后液壓支架工作阻力的監測值。工作面產生冒頂后，基本頂垮落線前移，工作面頂板來壓劇烈，支架最大工作阻力高達1.5×104kN；冒頂治理技術應用后，工作面頂板來壓逐漸釋放，支架工作阻力，在9×103kN 范圍波動，支架工作阻力降低40%，屬于正常水平。

5 結語

上覆采空區遺留煤柱導致晉華宮礦8204 工作面煤層堅硬頂板產生冒頂現象，采用超前臨時治理巷、注漿充填、鉆孔卸壓的方式治理堅硬頂板冒頂現象，工作面支架工作阻力由1.5×104kN 降低至0.9×104kN，工作阻力降低40%。