采煤工作面過陷落柱技術研究

李承康

(山西汾西正旺煤業有限責任公司,山西 孝義 032300)

煤層中發育的陷落柱常常影響到煤層的連續性及穩定性,在陷落柱周邊應力分布不均衡,不僅會影響采掘工作面布置,還會影響煤炭生產效率[1-2]。在陷落柱周邊煤巖體破碎、陷落柱內部為充填物,一般裂隙較為發育,若附近存在含水層時陷落柱往往是良好的導水通道。現階段,采煤工作面過陷落柱的方法一般有留設煤柱、平推硬過等方式。采用留設煤柱的方式可提高過陷落柱的安全性,但是也存在采面需要搬家、煤炭資源損失量大以及影響生產等問題;平推硬過陷落柱時,則存在頂板管理難度大、異常涌水等問題[3-6]。文中以山西某礦3605采煤工作面過陷落柱為工程背景,采用工程類比法確定采面過陷落柱方式并給出過陷落柱技術措施。

1 工程概況

3605采煤工作面設計推進長度1 678 m、切眼斜長160 m.采面開采的6號煤層煤層松軟,厚度均值4.6 m、傾角0°～6°,賦存穩定,全區可采。6號煤層頂板巖性以砂質泥巖以及炭質泥巖為主,直接頂為厚度2.5～3.2 m的炭質泥巖、泥巖互層,基本頂為砂質泥巖,頂板巖體承載能力差;底板以粉砂巖、泥巖為主。受到6號煤層自身松軟且頂板承載能力差等因素影響,采面回采巷道掘進期間曾出現頂板下沉量大、護頂金屬網出現網兜等情況。3605采煤工作面回采范圍內水文地質條件簡單,頂底板無影響生產的含水層且底板隔水層厚度較大。

3605采煤工作面回采巷道掘進揭露及采面瓦斯抽采鉆孔鉆進顯示,在采面推進至910 m位置處發育有X116陷落柱,該陷落柱短軸長20 m、長軸長60 m,走向位于采面推進910～970 m、傾向與回風巷有20～60 m間距,具體位置如圖1所示。由于6號煤層松軟、頂板承載能力差,預計在X116陷落柱影響范圍內頂板及煤體更為破碎,采面回采期間容易面臨冒頂、片幫等各類問題。

圖1 陷落柱位置示意

2 采面過陷落柱技術

2.1 過陷落柱方法確定

結合鄰近礦井6號煤層采煤工作面過陷落柱方法,通過分析各采面及陷落柱情況,最終采用工程類比法確定3605采煤工作面過X116陷落柱技術方法。

礦井鄰近的范各莊煤礦2672采煤工作面回采范圍內有X12陷落柱,該陷落柱長軸×短軸=75 m×55 m,且陷落柱位置存在DF12斷層(H=123 m、45°∠75°),陷落柱附近地質構造發育。通過探測發現,X12陷落柱內部膠結性較差,具有一定的導水性,預計與鄰近的DF12斷層有一定的水力聯系。為確保2672采煤工作面安全回采,采面通過留設煤柱方式過陷落柱。

徐莊礦3603綜采工作面開采范圍內有X103陷落柱,該陷落柱長軸×短軸=67 m×23 m,采面使用采煤機截割+震動放炮方式過陷落柱,并通過多循環作業、采面注漿、降低采高方式控制頂板,取得了較好的應用效果。

通過上述分析發現,當陷落柱分布區域地質構造簡單且不含水、不導水時,礦井多采用平推硬過方式過陷落柱;而當陷落柱所在位置地質構造本身復雜、陷落柱導水或者富水、陷落柱尺寸大時,為確保采面回采安全,往往采用留設保護煤柱的方式過陷落柱。3605采煤工作面回采范圍內的X116陷落柱不含水,不具備導水性,若留設煤柱過陷落柱雖可行,但是采面需另掘切眼、綜放設備需要搬家、采面通風需要調整,整個過程較為繁瑣。為此結合采面現場情況提出采用平推硬過方式過X116陷落柱,并針對陷落柱影響范圍內頂板破碎、煤體松軟等問題,提出在回風巷內向陷落柱施工管棚維護頂板穩定、向陷落柱注漿避免出現片幫引起頂板冒落問題。

2.2 過陷落柱技術方法

2.2.1 加固鉆孔布置

3605采煤工作面平推硬過X116陷落柱面臨的主要難題為陷落柱內及影響范圍內頂板、煤壁控制。為此提出采用管棚加固技術構造人工假頂,確保采面過陷落柱期間頂板穩定;向陷落柱內注漿,提高陷落柱內巖體穩定性,避免過陷落柱期間出現片幫問題[7-8]。

鉆探探測結果顯示,X116陷落柱中部結構較為完整、密實,而邊緣位置較為破碎、松軟,為此管棚及注漿應強化陷落柱與煤層邊緣位置控制。在采面過X116陷落柱期間不再放頂煤。

在采面回風巷內布置上下2排鉆孔,其中上排鉆孔位于巷道頂板下方500 mm處、鉆孔應穿越陷落柱邊緣10 m并送入管棚,鉆孔均有3°仰角、開孔間距為1 000 mm、孔深均為70 m;下排鉆孔位于巷道頂板下方1 200 mm處,主要用以加固采面不破碎巖體,鉆孔要超過陷落柱邊緣5 m,孔深控制在25～70 m、鉆孔間距為5 m、仰角1°.具體鉆孔布置如圖2所示。

圖2 注漿鉆孔布置示意

采面內上排鉆孔主要用以改造頂板,采用管棚加固,鉆孔內插入管徑73 mm、壁厚6 mm的無縫鋼管,單節長度2 000 mm,所有的鉆孔均插入35節無縫鋼管,鋼管間采用扣絲連接。下排鉆孔主要用以陷落柱內加固,為確保采煤機順利截割,在下排鉆孔內插入PVC膠管進行注漿。

2.2.2 注漿材料

3605采煤工作面過X116陷落柱時混合使用緩凝、速凝兩種注漿材料,具體為:

1) 緩凝注漿材料主要成分為52.5級普通硅酸鹽水泥、添加劑(XPM納米灌注劑),注漿材料水灰質量比控制在1∶(1～0.15)間,漿液水灰質量比依據現場注漿區域裂隙擴展情況確定。緩凝材料膠結時間為5～12 h,固結后抗壓強度在5 MPa以上,可充填較小縫隙。

2) 速凝注漿材料為水泥、水玻璃混合漿液,其中水泥、水玻璃按照體積比(1∶0.5)～(1∶0.8),速凝注漿材料初凝時間為1～3 min.

3 現場應用效果分析

在3605回風巷向X116陷落柱施工鉆孔進行加固,其中上排、下排鉆孔分別施工81個、17個,鉆孔鉆進總深度為6 380 m,上排鉆孔共使用5 600 m無縫鋼管。上排鉆孔、下排鉆孔平均單孔注漿量分別為0.5 t、5.0 t,鉆孔共計消耗注漿材料約155 t.

3605采煤工作面回采至X116陷落柱影響范圍時,采面揭露下排注漿鉆孔,鉆孔周邊2 m范圍內裂隙被注漿漿液充填,同時注漿漿液膠結區巖體穩定,表明注漿漿液擴散性能較好、膠結能力較強。在采面過陷落柱期間頂板始終保持穩定,僅有少量下沉,未出現片幫或者冒頂等情況。3605采煤工作面在地質條件正常情況下推進速度為3.0 m/d,在陷落柱影響范圍內推進速度為2.7 m/d,雖然有所減小,但是整體推進速度仍較快,采面耗時30 d通過X116陷落柱影響區。

4 結 語

3605采煤工作面回采范圍內發育有X116陷落柱(短軸長20 m、長軸長60 m),且該陷落柱不含水,不具備導水性,采用工程類比法確定采面過陷落柱方法,最終確定采用平推硬過方式。由于3605采煤工作面開采的煤層及頂板松軟,在X116陷落柱影響范圍內煤體及頂板裂隙更為發育,制約3605采煤工作面高效過X116陷落柱的主要問題是頂板控制難度大。

結合現場情況及X116陷落柱在采面內發育位置,提出在回風巷內布置鉆孔進行加固,其中上排鉆孔插入管棚并注漿,從而構建人工假頂,避免過陷落柱及影響區時出現冒頂或者頂板下沉量大的問題;下排鉆孔用以采面中上部破碎煤巖體加固,避免片幫引起冒頂問題,同時鉆孔內下放PVC管注漿,便于采煤機截割?，F場應用后,3605采煤工作面過陷落柱期間可保持2.7 m/d的推進速度,頂板保持穩定,未出現片幫或者冒頂等問題。