綜采工作面過斷層漏頂控制技術研究

藺 劍

(山西煤炭運銷集團 呂梁有限公司,山西 孝義 032300)

隨著煤礦采掘深度增加以及開采范圍不斷增大,煤炭回采期間受地質構造、頂板破碎、地應力等因素影響更趨顯著,雖然采用先進的采掘設備及災害治理技術能在一定程度提高煤炭安全生產保障能力,但是煤礦生產過程中頂板事故仍未完全杜絕[1-3]。特別是采面回采過斷層構造時,由于斷層影響范圍內煤巖體破碎、承載能力差及構造應力發育等,容易導致采面液壓支架出現架前或者架間等位置漏矸、漏頂問題,制約采面生產并存在較大的安全隱患[4-6]。山西某礦現階段采掘深度已達到600 m,煤層開采受到較大的地應力影響,加之回采的煤層頂底板強度較低、裂隙發育,導致頂板管理難度大,特別是回采過斷層時液壓支架上覆巖破碎矸石容易通過架前、架間漏矸,嚴重影響采面生產。為此,本文以該礦11303綜采工作面過斷層為工程實例,結合現場情況針對性提出采面過斷層期間漏頂控制技術,以期提高采面煤炭生產效率及安全保障能力。

1 工程概況

11303綜采工作面位于3采區東部,設計推進長度、傾向斜長分別為980 m、186 m,采面西側為已回采完畢的11301綜采工作面,東側及北側均為實體煤,南側為采區集中巷道,采面下覆為圈定的13305工作面(該采面回采11號煤下覆的13號煤)。11303綜采工作面回采的11號煤層埋深均值為680 m,煤層厚度2.76～4.31 m(均值3.5 m),煤層結構較為復雜、含2～3層炭質泥巖夾矸。11號煤下覆35 m為13號煤,煤厚2.7 m,賦存穩定。11號煤層頂底板巖性以炭質泥巖、泥巖及粉砂巖為主,煤層上方有厚度0.2～0.6 m不等的炭質泥巖,隨采隨垮。采面布置的主要綜采設備包括MG300/700-WDK采煤機、SGZ730/400型刮板輸送機、ZY6700/20/40液壓支架等。11303綜采工作面回采范圍內地質構造較為復雜,回采巷道掘進期間揭露有f1～f8等多條斷層,斷層落差在1.2～3.1 m,在斷層影響范圍內煤層松軟、承載能力差,同時頂底板巖層破碎、裂隙發育。采面在過斷層影響區時,受構造應力、地應力、圍巖破碎以及煤體松軟等多因素影響,采面出現煤壁片幫、支架出現漏頂問題,影響生產。具體采面位置及斷層構造大致分布情況見圖1.

圖1 采面位置及斷層構造大致分布示意

2 采面過斷層漏頂分析

11303綜采工作面過斷層期間漏頂主要發生在液壓支架頂梁前端,且在周期來壓期間片幫、漏頂情況加劇。結合現場條件分析,導致采面漏頂的主要原因有:

1) 采面回采深度大、地應力影響明顯。11303綜采工作面回采的11號煤層埋深均值為680 m,采面回采受地應力影響明顯,且在采動動壓影響下,采面前方煤體及煤體內夾矸在地應力、采動壓力等疊加作用下容易出現壓縮情況;采面采高平均為3.5 m,開采高度大會降低煤壁穩定性,同時導致頂板劇烈運動,增大采面片幫、漏頂發生幾率。

2) 煤巖體裂隙發育。在斷層破碎帶內,煤體及頂底板裂隙均較為發育,頂板完整性較差且整體強度較低;加之煤層內、頂板上的炭質泥巖、泥巖巖體呈現脆性、強度低等特點,在構造應力及地應力影響下容易破碎,從而導致部分矸石從支架間隙位置下落,導致漏頂問題發生。

3) 采面液壓支架側護與梁端間距為900 mm,鄰近的2架液壓支架前梁側護間有長×寬=900 mm×200 mm孔隙,同時支架前方有340 mm端面空頂距,支架頂板無法實現頂板全覆蓋支護,導致頂板破碎矸石沿著梁端、架間孔隙掉落,嚴重時甚至出現大范圍片幫、冒頂問題。

3 漏頂控制技術

11303綜采工作面過斷層期間,受開采煤層埋深大、地應力高、斷層影響區內構造應力發育、煤巖體破碎等因素影響,采面液壓支架采用傳統的頂板管理措施時仍出現一定程度漏頂情況,影響煤炭生產[7-9]。為此,結合現場實際情況,從提高煤壁及頂板穩定性方面考慮,提出采用超前注漿、頂板鋪網、穿管子方式進行漏頂治理。

3.1 超前注漿

由于斷層斜穿整個11303綜采工作面回采空間,為避免采面煤壁片幫、漏頂情況發生,對頂板及煤壁進行注漿,注漿鉆孔分別布置在采面運輸巷、回風巷內,布置間隔均為5 m,孔深統一為90 m.鉆孔開孔高度均為2.0 m、仰角均為2°,通過適當提高開孔高度、采用一定仰角,確保注漿漿液可覆蓋11號煤層上部煤體及頂板破碎巖體,以便同時加固煤壁及破碎頂板。注漿漿液選擇馬麗散,注漿壓力控制在5～8 MPa,漿液在裂隙內充填、固結后,可提高煤巖體穩定性及整體承載能力,降低開采擾動下出現片幫、漏頂概率。注漿鉆孔布置見圖2.

圖2 注漿鉆孔布置示意

3.2 頂板鋪網

待對煤壁及頂板巖體注漿后,煤壁及頂板承載能力明顯提升,在不受外力或者外力作用較小時煤巖體在一定時間內可保持穩定,但是當受到較大作用力時頂板完整性容易被破壞。如液壓支架在升架或者采面來壓期間,頂板巖體容易破碎,從而出現漏頂問題,為此,在注漿完成后鋪網。根據現場條件,在頂板鋪設雙層網,第一層網為網格50 mm×50 mm的菱形金屬網,第二層網為網格60 mm×60 mm的塑性網。塑性網網格與菱形金屬網存在差異,從而避免兩層網網格出現重疊,增加鋪網密度,可阻止頂板漏矸;同時塑性網有光滑、平整等優點,可減少液壓支架移架期間阻力,利于移架。

3.3 穿管子

鋪網后為避免頂板墜落矸石擠壓網片形成“網兜”,導致液壓支架移架期間出現撕裂、搓網情況,待鋪設后及時穿管子托網,以便降架移架期間管子兩端分別搭接到鄰近的支架上,通過管子托起網片,確保液壓支架移架期間網片處于完好狀態。

穿管子時采用長度4.0 m、孔徑5 cm或10 cm鋼管,在鋪設網片下方以支架護幫板為端點將管子固定到網片上。通過護幫板將管子、網片一同托起。液壓支架移架采用交錯拉架方式。

3.4 采面“三直”控制

輸送機、支架等彎曲會引起支架擠架、錯臺或者咬架的問題,進而加劇頂板破碎程度及管理難度。為此針對性制定采面“三直”控制措施:①采取措施確保刮板輸送機每次能夠移動1個步距,避免出現累積位移給后續調整帶來困難;②采用拉線移架,在交接班時拉通線校正;③測量人員每間隔10 d對采面煤壁、支架、刮板輸送機“三直”情況進行驗收,并將驗收結果當作區隊質量標準化考察的項目之一,通過采取有力措施確保采面煤壁、輸送機及支架均平直。

4 結 語

1) 斷層等地質構造是影響11303綜采工作面安全、高效回采的不利因素,采用鉆探、物探等技術手段對斷層類型、延展方向及落差等參數進行分析,并針對性采取措施對斷層影響區進行處理,是實現采面安全高效過斷層、避免回采期間冒頂事故發生的有效技術方法。

2) 在斷層構造作用、構造應力、地應力及采動等多因素影響下,11303綜采工作面頂板巖體裂隙發育、破碎,采面在過斷層期間面臨較大的漏頂問題。為此提出在超前注漿基礎上,通過鋪設雙層網、穿管子最大程度減少空頂時間及空頂面積,從而有效避免采面過斷層期間出現片幫、漏頂等問題。