王濤,宋宇鵬,周尚標(biāo)

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 長治有限公司,山西 長治 046000)

頂板事故是我國煤礦事故的主要類型之一,隨著采煤工作面生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大化,回采裝備的大型化和地質(zhì)條件的復(fù)雜化,頂板管理的難度也在不斷增加[1-5].采煤工作面末采是煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),末采期間支護(hù)方式選擇不合理,支護(hù)強(qiáng)度不足,極易誘發(fā)各類頂板事故,給煤礦的安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅[6].黃山煤礦是晉能集團(tuán)下屬的一座生產(chǎn)礦井,開采的15#煤層較松軟,上覆一層古河床沖刷形成的黃泥頂板,黃泥夾裹碎石,割煤后頂板難以控制,冒落進(jìn)入采場(chǎng)空間,造成移架困難,推進(jìn)緩慢,且嚴(yán)重影響了煤質(zhì).現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和分析認(rèn)為,目前采用的綜采大采高工藝難以滿足安全生產(chǎn)要求,需對(duì)工作面進(jìn)行末采收尾,進(jìn)而為設(shè)備回撤創(chuàng)造條件.筆者以15101工作面此次末采收尾為工程背景,分析了頂板破碎冒漏的原因,探討了該類頂板條件下合理的圍巖控制技術(shù),并為該地區(qū)類似條件下工作面末采期間的圍巖控制和支護(hù)工程提供借鑒.

1 工作面基本條件

黃山煤礦位于山西省長治市壺關(guān)礦區(qū),設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力9×105t/a.15101工作面是礦井投產(chǎn)后的首采工作面,設(shè)計(jì)可采長度1 204 m,切眼長度240 m,平均埋深95 m.開采的15#煤層平均厚度為4.5 m,傾角為0°～11°,普氏系數(shù)為0.9～1.6,煤層較松軟,結(jié)構(gòu)簡單,全區(qū)穩(wěn)定可采.煤層基本頂為5.4～8.2 m厚的K2灰?guī)r,無直接頂,偽頂為0～1.5 m厚的炭質(zhì)泥巖和黃泥層,直接底為1 m厚的松軟泥巖,基本底為1.8～4.2 m厚的砂質(zhì)泥巖.工作面布置和煤層頂?shù)装鍘r性見圖1和圖2.

圖1 15101工作面布置

圖2 15101工作面地質(zhì)綜合柱狀圖

15101工作面采用傾斜長壁綜采大采高采煤法,采高4.5 m,循環(huán)進(jìn)尺0.8 m,工作面內(nèi)布置133組ZZ11000/24/50D型中間架和6組ZZG11000/24/50D型過渡架支護(hù)頂板.工作面地質(zhì)條件較簡單,回采期間在端頭區(qū)域揭露一條落差4 m傾角40°的正斷層,影響范圍為1#～45#支架,對(duì)工作面的正常生產(chǎn)和末采上網(wǎng)有較大影響.

2 工作面圍巖失穩(wěn)概況

15101工作面的黃泥偽頂松軟破碎,裂隙發(fā)育,強(qiáng)度極低,穩(wěn)定性差,受端頭區(qū)域斷層的影響,加劇了偽頂破碎程度.由于工作面在2019年春節(jié)復(fù)產(chǎn)驗(yàn)收前長期停采,頂板垮落嚴(yán)重,大塊矸石冒落后竄入刮板輸送機(jī)前,采煤機(jī)無法通行,需人工清理落矸.工作面內(nèi)共139組液壓支架,其中1#～5#支架在回采前預(yù)注漿加固,頂板條件稍好;5#～20#支架頂煤漏空,架間漏矸頻發(fā);10#～40#支架前的煤壁大部分為巖石,20#～40#支架能留住頂煤;40#～48#支架頂板輕微破碎;48#～60#支架頂板平整;60#～70#支架偽頂冒高0.3～ 0.5 m,多處支架不接頂;70#～79#支架上方偽頂冒高1 m,支架前梁以7°仰角接頂;79#～100#支架上方有0.3 m厚的碎矸和煤塊,支架勉強(qiáng)接頂;100#～139#支架降低采高,采煤機(jī)只截割3 m厚的底煤,留1.5 m厚的頂煤護(hù)頂.生產(chǎn)期間工作面頂板總體情況如圖3所示.

圖3 工作面生產(chǎn)期間頂板總體情況

在工作面緩慢推進(jìn)過程中,經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)20組支架揭露純黃泥或黃泥膠結(jié)巖塊的破碎頂板,采煤機(jī)割煤后頂板立即冒落,采用減小截深和超前移架的方式仍不能有效控制頂板漏冒.在端頭過斷層區(qū)域,采煤機(jī)割底板巖石,頂煤漏空引起黃泥頂板漏冒,形成大面積高冒區(qū),工作面淋水軟化底板泥巖形成泥潭,受端頭區(qū)域坡度影響,1#～30#支架傾斜歪倒嚴(yán)重,7#，8#支架歪斜角達(dá)到25°.現(xiàn)場(chǎng)采用單體柱配合支架的側(cè)護(hù)板和底座進(jìn)行扶架,由于支架無法接頂和底板遇水軟化,扶起后的支架下循環(huán)拉架再次發(fā)生傾倒.支架前方數(shù)次人工掛網(wǎng)失敗,無法進(jìn)行末采收尾工作.工作面的頂板和煤幫破壞情況如圖4所示.

圖4 工作面頂幫破壞情況

3 工作面圍巖失穩(wěn)原因分析

3.1 覆巖懸臂梁結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)

15101工作面采高達(dá)到4.5 m,較大的采高導(dǎo)致回采后上覆K2灰?guī)r的垮落帶高度和巖塊的回轉(zhuǎn)變形量都很大,難以形成“砌體梁”穩(wěn)定結(jié)構(gòu),而是形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)[7,8],如圖5所示.懸臂梁破斷后的塊體缺少水平約束力,回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中工作面支護(hù)強(qiáng)度不足,易發(fā)生滑落失穩(wěn),并且在運(yùn)動(dòng)過程中切割黃泥軟弱頂板,從而導(dǎo)致工作面冒頂事故的發(fā)生[9].

q—上覆巖層載荷;Q1,Q2—巖塊的自重;M—前方約束力矩;S,F—后方塊體的剪切力和水平力

3.2 黃泥頂板松軟破碎

工作面的偽頂為黃泥層和炭質(zhì)泥巖膠結(jié)的頂板,該類巖層強(qiáng)度極低,受回采工作面采動(dòng)影響,頂板松軟破碎,失去自穩(wěn)能力;在采煤機(jī)割煤后隨著端面距加大,空頂面積增加,容易誘發(fā)冒頂事故.

3.3 端頭區(qū)域斷層的影響

工作面端頭區(qū)域在回采期間揭露一落差4 m的正斷層,斷層形成過程中往往伴隨著劇烈的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)及能量的釋放,因此斷層帶附近圍巖一般比較破碎[10].受斷層構(gòu)造的影響,附近煤層及頂?shù)装鍘r層裂隙增多,弱面十分發(fā)育,完整程度破壞嚴(yán)重,煤巖體強(qiáng)度大幅度降低,穩(wěn)定性進(jìn)一步下降.

3.4 液壓支架的工況不佳

液壓支架的工況不佳表現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1)支架初撐力普遍在10 MPa左右,個(gè)別支架的初撐力為0,由于初撐力不足,無法對(duì)采場(chǎng)頂板提供足夠的支護(hù)阻力,上覆巖層的滑塊由于缺少足夠的支撐力發(fā)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)乃至滑落失穩(wěn);(2)工作面開始生產(chǎn)前停采時(shí)間長達(dá)一年以上,頂板垮落壓架導(dǎo)致支架傾斜嚴(yán)重,不正常的工作狀態(tài)嚴(yán)重影響支架支護(hù)性能的發(fā)揮,對(duì)采場(chǎng)頂板的控制能力減弱[11].

3.5 工作面推進(jìn)速度緩慢

工作面推進(jìn)速度與頂板的穩(wěn)定性有著很大的關(guān)系.在15101工作面生產(chǎn)期間,大部分作業(yè)時(shí)間用于處理頂板漏冒和局部注漿加固,推進(jìn)速度較為緩慢,平均每周生產(chǎn)3個(gè)循環(huán).緩慢的推進(jìn)速度使上覆巖層垮落過程得以充分發(fā)展,破斷后巖塊回轉(zhuǎn)下沉?xí)r間更長,工作面無法及時(shí)推進(jìn)至破斷結(jié)構(gòu)影響范圍外,礦山壓力更為強(qiáng)烈,加劇了頂幫圍巖的失穩(wěn)[12].

4 末采期間圍巖綜合控制技術(shù)

4.1 圍巖穩(wěn)定性控制思路

由上述分析可知,15101工作面圍巖失穩(wěn)的主要原因是大采高工作面開采后,上覆巖層難以形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),工作面支護(hù)強(qiáng)度不足無法阻止覆巖斷裂巖塊的回轉(zhuǎn)滑落失穩(wěn),加上軟弱偽頂和斷層影響,煤巖體強(qiáng)度大幅下降,多因素綜合作用導(dǎo)致工作面冒頂事故頻發(fā).為此,提出以“注漿加固+擴(kuò)巷護(hù)頂”為核心的工作面末采圍巖綜合控制技術(shù).具體思路:端頭掘巷調(diào)架→小巷注漿加固煤壁→人工擴(kuò)巷支護(hù)頂板→局部冒落區(qū)架棚和充填→注錨架支護(hù)回撤通道.

4.2 端頭區(qū)域掘小巷調(diào)支架

工作面運(yùn)輸平巷端頭三角區(qū)受斷層影響,回采期間煤壁破碎頂板垮落,支架歪斜嚴(yán)重,1#～4#支架采高2.5 m,采煤機(jī)無法行走,須對(duì)該區(qū)域的支架和采高進(jìn)行調(diào)整.現(xiàn)場(chǎng)采用馬麗散對(duì)三角區(qū)的煤壁預(yù)注漿加固,以提高煤壁強(qiáng)度;超前工作面2 m從運(yùn)輸平巷開口使用風(fēng)鎬掘進(jìn)18 m長的調(diào)架巷,巷內(nèi)每5 m布置一個(gè)通風(fēng)孔.調(diào)架巷的斷面為矩形,寬3.2 m,高3.5 m,錨網(wǎng)索+工字鋼梁+單體柱聯(lián)合支護(hù),如圖6所示.調(diào)架巷施工完成后在1#～10#支架前人工刷煤柱小步距推進(jìn),進(jìn)入小巷后開始調(diào)整支架抬升高度,全部進(jìn)入小巷后扶正支架.

單位：mm 圖6 端頭區(qū)域調(diào)架巷布置與支護(hù)

4.3 掘措施巷注漿加固頂幫

頂板漏冒和煤壁片幫導(dǎo)致采煤機(jī)割煤后無法在架前上網(wǎng),采用人工掘小巷刷擴(kuò)煤壁的方式鋪網(wǎng),需要對(duì)煤壁和頂板進(jìn)行整體注漿加固.在工作面20#,28#,38#,48#,104#和114#支架前方的煤壁中,沿煤層頂板人工掘進(jìn)6條措施巷用于注漿,巷寬2.5 m,高2.5 m,深5 m,錨網(wǎng)+工字鋼梁+單體柱聯(lián)合支護(hù).在措施巷兩幫距頂板1 m處打設(shè)水平鉆孔注漿馬麗散加固煤巖,孔深4 m,孔徑42 mm,注漿壓力6～10 MPa,工作面頂幫裂隙溢出馬麗散時(shí)停止注漿.

4.4 架前擴(kuò)掘煤壁護(hù)頂上網(wǎng)

注漿加固工作面頂幫穩(wěn)定后,在支架前方人工掘進(jìn)小巷刷擴(kuò)煤壁,錨架支護(hù),采煤機(jī)掃底煤推進(jìn)至巷道邊緣,進(jìn)行移架、二次擴(kuò)掘、支護(hù)、割底煤,直到停采線處.根據(jù)工作面液壓支架頂梁和掩護(hù)梁長度,末采上網(wǎng)段長度約15.6 m,第1至第6次沿頂板擴(kuò)掘小巷2 m×2.5 m,第7次擴(kuò)掘回撤通道3.6 m×2.5 m.小巷頂板采用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿(Ф20 mm×2 400 mm)、預(yù)應(yīng)力錨索(Ф21.8 mm×7 000 mm)、菱形網(wǎng)(3 000 mm×1 050 mm)進(jìn)行支護(hù),煤幫采用玻璃鋼錨桿支護(hù),如圖7所示;錨網(wǎng)索支護(hù)后采用1.5 m長工字鋼架棚支護(hù),棚梁一端支在液壓支架頂梁上,每組支架上2根,另一端支在煤壁側(cè)單體柱上,每次擴(kuò)巷后支架前移2～3個(gè)步距.

圖7 小巷錨網(wǎng)索支護(hù)

由于黃泥偽頂軟弱破碎,末采上網(wǎng)全部采用雙層網(wǎng),上網(wǎng)結(jié)束后網(wǎng)片壓入采空區(qū)不少于1 m.距第1次擴(kuò)掘的小巷側(cè)網(wǎng)邊1.5 m處鋪設(shè)第1道鋼絲繩,之后每間隔0.8 m平行鋪設(shè)1道,繩徑27.5 mm,共鋪設(shè)16道,其中液壓支架頂梁上6道,掩護(hù)梁上5道,回撤通道頂板上5道,保證頂網(wǎng)的整體性.

4.5 局部冒落區(qū)架棚和充填

刷擴(kuò)煤壁期間,對(duì)局部存在的冒高超過2 m、長度超過3架支架的頂板冒落區(qū),采用錨網(wǎng)索支護(hù)較為困難.處理方法:從兩端頂板完整處逐步向冒頂區(qū)架設(shè)密集工字鋼棚,棚距300 mm,棚梁一端支在支架頂梁上部,另一端支設(shè)在煤壁側(cè)的單體柱上;支架頂梁前方平行工作面布置5 m長的工字鋼梁,并用鏈條固定,如圖8所示;支架間隙和棚頂用木板、風(fēng)筒布、編織袋背實(shí)密閉,用注漿泵對(duì)冒漏區(qū)充填美固367,充填材料膨脹后與上方活矸形成再生頂板,確保支架能夠接頂.棚梁下部鋪設(shè)雙層菱形網(wǎng),作為收尾用網(wǎng).

圖8 局部冒落區(qū)支護(hù)

4.6 錨架注聯(lián)合支護(hù)回撤通道

距停采線3.6 m時(shí)液壓支架停止移架,在煤壁上沿頂板人工掘進(jìn)3.6 m×2 m的回撤通道并支護(hù),采煤機(jī)掃底煤后支護(hù)下部煤幫.回撤通道頂板的錨網(wǎng)索支護(hù)方案與小巷相同,棚梁則采用3.8 m長的工字鋼,煤幫采用螺紋鋼錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù).撤架通道掘進(jìn)期間,80#～86#支架前有1.5 m厚黃泥頂漏冒1 m,90#～125#支架前有1 m厚黃泥頂漏冒且煤壁輕微片幫,對(duì)該區(qū)域持續(xù)注漿加固.

5 效果分析

15101工作面從2019年3月份開始人工擴(kuò)掘煤壁上網(wǎng),2019年8月份回撤通道掘進(jìn)完成,歷時(shí)5個(gè)月,完成整個(gè)工作面的末采收尾工作,期間人工掘巷并支護(hù)1 710 m,鋪設(shè)鋼絲繩16道;采用化學(xué)材料對(duì)煤巖破碎區(qū)和頂煤冒落區(qū)進(jìn)行注漿加固和充填,刷擴(kuò)后錨網(wǎng)索支護(hù)頂板,提高了頂板的完整性和強(qiáng)度,收尾期間液壓支架能夠正常接頂,平均工作阻力30 MPa,液壓支架保持較好的工況狀態(tài),如圖9所示.

圖9 工作面收尾期間支架的工作阻力

工作面回撤通道采用“注錨架”聯(lián)合支護(hù),巷道的圍巖穩(wěn)定性得到增強(qiáng),設(shè)備回撤前巷道的頂板最大下沉量155 mm,左幫最大移近量90 mm,整個(gè)工作面設(shè)備回撤期間,頂幫均未出現(xiàn)較大變形,為設(shè)備的順利回撤提供了安全保障.

6 結(jié)論

1)黃泥頂板大采高工作面圍巖失穩(wěn)主要原因是回采后斷裂的上覆巖層難以形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),工作面支護(hù)效果不佳,無法阻止斷裂巖塊的回轉(zhuǎn)滑落失穩(wěn);加上受軟弱偽頂和斷層影響,煤巖體強(qiáng)度大幅下降,綜合作用導(dǎo)致工作面冒頂事故頻發(fā).

2)提出了工作面末采期間圍巖穩(wěn)定性綜合控制技術(shù),通過對(duì)煤巖破碎區(qū)域注漿加固,改善了煤巖體松散結(jié)構(gòu);使用充填材料對(duì)頂板冒漏區(qū)進(jìn)行了充填,可形成再生頂板;人工掘巷刷擴(kuò)煤壁并進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù),減少了軟弱頂板的空頂時(shí)間和暴露面積,高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)提高了采場(chǎng)的支護(hù)強(qiáng)度;對(duì)回撤通道的“注錨架”聯(lián)合支護(hù),使巷道的圍巖穩(wěn)定性得到增強(qiáng).

3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,在工作面收尾期間,液壓支架能夠正常接頂,支架的平均工作阻力為30 MPa,處于較好的工況狀態(tài);回撤通道頂板最大下沉量155 mm,左幫最大移近量90 mm,設(shè)備回撤期間頂幫均未出現(xiàn)較大變形.

4)工作面末采圍巖穩(wěn)定性綜合控制技術(shù)取得了良好的工程效果,有效控制了工作面在末采期間片幫冒頂事故的發(fā)生,對(duì)該地區(qū)類似條件下工作面的圍巖穩(wěn)定性控制具有一定的借鑒意義.