大采高工作面過構造區冒頂處理技術應用

姬 凡，閆鵬佳

(陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

榆神府礦區煤炭儲量豐富，地質條件優良，煤層賦存穩定。過去幾十年，隨著煤礦采掘設備、開采技術及智能化水平的提高，千萬噸級礦井在此區域不斷建成并投入使用，為了適應此區域厚煤層及特厚煤層的生產條件，大采高及超大采高綜采技術及裝備得到了發展[1-2]。但是，隨著工作面開采高度的不斷增加，煤壁片幫、液壓支架壓垮、工作面頂板管理等成為了制約大采高工作面安全高效開采的主要因素，尤其是大采高工作面過地質構造區域時，管理難度更大[3]。

為了預防和解決大采高工作面過地質構造易發生冒頂片幫等問題，我國科技工作者和煤礦企業做了大量的工作。例如，王兆會等[4-6]針對王莊8101工作面斷層構造處高幫煤壁難以支護的問題，提出了重型設備“低割煤高度、高初撐力、高護幫高度”，結合煤壁注漿的綜合過斷層措施，有效改善了煤壁控制效果。陳曉祥等[7-8]通過分析常村煤礦運輸平巷過斷層破碎帶時巷道圍巖大變形的機理，提出了“超前預注漿+錨網索”聯合支護方式控制斷層破碎區域圍巖變形，現場支護效果顯著。張建超等[9]通過分析巷道過斷層中圍巖變形特征，提出了巷道關鍵部位密集錨索支護+反底拱全斷面錨桿支護的圍巖控制技術，工業試驗結果較為理想。大同煤業北辛窯煤礦針對綜采工作面回采期間出現冒頂、片幫現象，采用人工假頂、施工JW型錨索棚、注漿固化聯合措施進行冒頂區域維護，效果顯著[10]。

以上研究及試驗成果，對于預防和處理大采高工作面過地質構造區域冒頂提供了借鑒意義。針對杭來灣煤礦30109大采高工作面回采中發生的局部冒頂現象，提出人工假頂、煤壁加固、空洞充填及錨索支護聯合控頂技術，以期為類似條件下頂板處理提供了借鑒價值。

1 工作面概況

杭來灣煤礦30109工作面位于杭來灣井田東北部，工作面沿煤層傾向布置，長度為300 m，推進長度為3 993 m，厚度為8.2～9.7 m，平均厚度8.9 m，容重1.32 t/m3。該煤層層位穩定，結構簡單，厚度變化小，局部含1～2層0.05～0.46 m泥巖、碳質泥巖夾矸。30109工作面采用175臺RS198雙柱掩護式液壓支架支護頂板。30109工作面采用傾斜分層綜合機械化采煤法，上分層設計采高5 m，全部垮落法處理采空區頂板。

2020年8月31日中班，30109工作面推采至距停采線370 m附近位置時，回采揭露煤層頂板構造帶，頂板巖層裂隙發育程度高，巖體結構破碎，抗壓強度低，頂板巖層整體自穩能力差，工作面發生局部冒頂，冒頂范圍144#～170#架，冒頂最大高度約5 m，朝煤壁方向最大冒落深度約6 m，如圖1所示。同時，回采工作面機尾附近煤層變化大，工作面在此區域出現低洼點(見圖2)，造成大量煤泥及涌水聚集在此區域無法排除，再加上采煤設備年久老化失修，使得工作面推溜移架困難等多重因素共同制約著工作面的正常推進。

圖1 30109綜采工作面冒頂區域平面Fig.1 Roofing area of 30109 fully mechanized mining face

圖2 30109綜采工作面剖面Fig.2 Sectional view of 30109 fully mechanized mining face

2 構造位置確定

2.1 工程設計

三維地震探測結果顯示，30109綜采工作面里程456 m附近有F1斷點，落差為5 m。為了較精確地查明巷道揭露及工作面內隱伏的地質異常，保證工作面順利過構造區域，在充分研究30109綜采工作面相關地質資料的基礎上，以急需解決的地質任務為前提，采用礦井彈性波透視探測方法(即槽波地震探測方法)，查明地質構造區位置、走向及延展長度。表1為工作面探測測點布置情況。采用10 m接收道距，共設計檢波點207個。采用20 m炮間距，共激發物理點104個。

表1 30109綜采工作面探測測點布置一覽Table 1 Layout of detection points in 30109 fully mechanized mining face

2.2 槽波探測結果分析

基于本次槽波原始記錄，選取R35接收點槽波反射數據來說明。圖3為S35激發點位置示意圖，圖4為R35接收點反射槽波記錄圖，在S39～S49激發點有反射槽波發育，說明射線路徑上存在構造反射面。再根據30109工作面現有地質資料，依據透射槽波CACT，反射槽波CDM成像(見圖5)結果對探測區域進行解釋。通過綜合分析解釋，在30109工作面回采里程(主回撤通道正幫為0起點)200～550 m存在槽波異常區，本次探測將該異常定性分析為小于1/2煤厚的斷層所致，預測落差為2～3 m，斷層走向與兩順槽成一定夾角(NW)，走向延伸長度約340 m，即平行順槽長約327 m，垂直順槽寬約77 m。

圖3 R35接收點位置示意Fig.3 Location of R35 receiving point

圖4 R35接收點反射槽波記錄Fig.4 Reflection slot wave record of R35 receiving point

圖5 工作面槽波地震探測CF1斷層CDM成像Fig.5 CDM imaging of CF1 fault in working face slot wave seismic detection

3 工作面冒頂區聯合支護技術

3.1 工作面冒頂原因分析

3.1.1 地質條件影響

槽波探測結果表明，在30109工作面回采里程200～550 m處存在小于1/2煤厚的斷層，斷層落差為2～3 m。受斷層影響，回采工作面煤體及頂板巖體強度降低，頂板穩定性變弱。

3.1.2 支護質量影響

設備老化嚴重，支架支護質量不佳。30109綜采工作面采煤配套設備選型較早，液壓支架額定工作阻力為2×4 464 kN，隨著設備使用年限的不斷增長，設備部分液壓元件老化。此外，隨著采煤機械設備快速更新換代，我礦井使用液壓支架部分液壓元件無法被新產品替代，工作面來壓時，支架過早卸液，導致支架工作阻力不足，易發生煤壁片幫、架前冒頂。

3.1.3 工程質量管理

未嚴格執行工程質量管理制度，在工作面具備調整的條件下，工作面120#～160#出現了“鍋底”狀大坑，導致此處煤泥積水深，拉架困難。工作面來壓時，煤壁片幫導致端面距不斷增大，發生架前冒頂。

3.2 聯合支護所需材料

為了防止30109工作面冒落范圍擴大，保證冒頂區液壓支架有效支護和工作面正常推進，經過技術研究和周邊礦井調研，在吸取前期單獨注漿處理冒頂失敗的教訓后，決定采用“錨索+人工假頂+注漿加固及充填”聯合支護措施。聯合支護所需主要材料包括煤體加固及充填材料、φ32 mm鋼筋棚鉤、11#礦用工字鋼、120槽鋼、單體液壓支柱、錨索、W鋼帶、道木、圓木、半圓木、木墊板、錨索鉆機、手風鉆、聚酯纖維網等。

3.3 錨索支護

為了避免冒頂區域不斷擴大，減少控頂難度，提高頂板穩定性，在30109工作面頂板冒落區域以外前后架設10個支架，支架頂梁前方頂板完整區域施工鋼帶錨索，每架安設1根，錨索為φ17.8 mm×7 400 mm，錨索托盤為300 mm×300 mm×12 mm，每根錨索使用3根MSCK錨固劑，錨索外漏長度150～250 mm，預緊力120 kN，破斷力不低于20 T。

3.4 施工人工假頂

施工人工假頂時，首先在頂板完整、堅實、無冒頂的地點進行架設鐵棚3架，并把頂幫背實背緊。其次在已架設好的棚子上方灌釬子作為臨時支護，在臨時支護的掩護下挖單體支柱腳窩，在煤壁側打棚鉤，將單體臨時架起來支撐棚鉤，把準備好的礦用工字鋼一側架設在支架前梁上方，架設深度不低于0.3 m，并用8#鐵絲綁扎牢固，另一側架在棚鉤上，每個支架上方架設2～3根工字鋼，工字鋼之間用拉桿固定，形成整體。最后在架設好的棚梁上鋪設聚酯纖維網，用道木、圓木按照一定的間距堆積直至與頂板緊密接觸。施工人工假頂剖面圖如圖6所示。

圖6 冒落區施工人工假頂示意Fig.6 Construction of artificial roof in caving area

3.5 注漿支護

在綜采工作面施工人工假頂后，需要對人工假頂中的空洞進行充填，對工作面煤壁及頂板進行超前加固，改善頂板圍巖強度，保證工作面在推進過程中頂板煤壁有足夠支撐力。在30109綜采工作面煤壁上從冒落區外向冒落區每隔3 m布置一個鉆孔，鉆孔距離底板2.5 m，鉆孔與煤壁的夾角為30°，鉆孔直徑40 mm，孔深4.5 m，注漿壓力1.5 MPa，現場終止注漿以單孔注漿量達到1 000 kg或者漿液不斷滲出煤壁為標準。冒落區頂板空洞充填采用羅克休泡沫，具有高膨脹率，良好的抗壓能力以及突出的抗靜電性能，其高膨脹注射后體積能夠膨脹到原體積的20～30倍，由于高分子材料在反應過程中放出熱量，因此，注漿時設專人隨時監測此區域CH4、CO、O2和溫度變化情況，發現煤體溫度及CO異常時立即停止工作面內全部作業。

4 結論

(1)通過三維槽波地震勘探技術，查明了工作面內斷層發育情況，解釋了落差小于1/2煤厚的斷層CF1，落差為2～3 m；采用透射、反射槽波CDM成像方法分析處理，對探測區域的構造情況進行了解釋，通過回采揭露情況，發現在30109工作面回采里程(主回撤通道正幫為0起點)200～550 m處存在落差較小的斷層。

(2)通過對冒頂區施工人工假頂，防止頂板冒落范圍進一步擴大，人工假頂能夠確保冒頂區上方充填嚴實，支架能夠完全接頂，此區域內的支架初撐力能夠達到30 MPa以上。

(3)通過對煤壁注漿加固、對人工假頂區域注發泡材料充填，提高了煤壁的承載力，控制了頂板漏矸，保證了工作面的安全推進。