三軟煤層綜采工作面圍巖控制實踐

何東升 韓國棟

永貴五鳳煤業(yè)五鳳礦主采煤層6中煤層,煤層平均厚度為2.5 m,其中頂部約0.8 m為相對堅硬的煤層,下部1.7 m煤層松軟。由于煤層埋藏淺,表土松散,基巖薄,開采后容易出現(xiàn)煤層上覆巖土隨長壁工作面推進呈整體性垮落,工作面礦壓顯現(xiàn)強烈。該礦煤巷具有高應(yīng)力、節(jié)理化、遇水膨脹、極易軟化等物理特征,遇水后突出表現(xiàn)為非線性大變形、顯著的流變的工程特點。在回采過程中工作面上下兩巷超前段礦壓顯現(xiàn)特別強烈,支柱陷底量極大,巷道變形嚴(yán)重,致使回采過程中兩巷通風(fēng)、行人和運料困難。

通過掘進期間及回采期間的礦壓觀測和分析,得出了圍巖變形規(guī)律,提出了煤層及圍巖變形原因,摸索出一套適合五鳳煤礦地質(zhì)條件的綜采工作面管理方法,確保了工作面的安全、高效開采。

1 五鳳井田6中煤層圍巖變形及運動原因分析

1.1 煤壁處頂板冒落的原因分析

由于支架抽屜式伸縮梁伸出后不能接實頂板,造成煤壁到實際支護作用點的距離大,直接頂在此空間內(nèi)易離層脫落,離層形成老頂和直接頂之間的空隙,而且老塘側(cè)的矸石沒有垮實,因此老頂實際上處于弱支護甚至無支護狀態(tài),造成老頂回轉(zhuǎn)、下沉速度加快,再加上由于離層造成的老頂和直接頂接觸點在煤體內(nèi)煤壁附近,老頂在自重和上覆巖層傳遞下來的力的作用下以及老頂轉(zhuǎn)動過程中的力矩效應(yīng)作用下很容易使支架上的實際支護點和煤壁之間的頂板破碎,破碎的巖塊從支架和煤壁間隙中漏下。隨著頂部空間的增大,冒落矸石塊度增大,冒落速度加快。因此煤壁處頂板冒落是一個加速漸進的過程,必須以及時封閉為原則進行支護。另外煤壁片幫和頂板冒落是相互關(guān)聯(lián)的[1],往往是由于煤壁片幫造成支架和煤壁的間隙,而使矸石冒落。

1.2 煤壁片幫的原因分析

首先,片幫的原因主要是支架初撐力低導(dǎo)致軟弱的直接頂和老頂離層并將壓力傳遞到煤壁處,其次,由于底板受潮濕環(huán)境影響,強度極低,支架在升緊后由于陷底,造成支護阻力降低,不能達到能夠托起直接頂?shù)闹ёo強度。再次,由于煤壁處煤體處于兩向甚至單向受力狀態(tài),煤體破壞強度降低,再加上煤體本身的松軟特性,因此三軟煤層極易片幫。

1.3 巷道圍巖變形原因

根據(jù)巷道礦壓觀測,五鳳煤礦6中煤層在開挖后迅速風(fēng)化、潮解崩潰,強度迅速下降,圍巖中產(chǎn)生超過3.0 m[2]的極大圍巖松動圈。

在圍巖壓力與泥化膨脹聯(lián)合作用下,巷道礦壓表現(xiàn)為四周全面來壓,鋼棚嚴(yán)重變形,幫部整體推進,底鼓嚴(yán)重。煤層平均厚度為2.5 m,其中頂部約0.8 m為相對堅硬的煤層,下部1.7 m煤層松軟,在巷道開挖后應(yīng)力重新分布,在煤柱中應(yīng)力升高,松軟煤層表現(xiàn)出流變性,從煤柱中呈塑性擠出。巷道底鼓的內(nèi)因是巖石見水變軟、膨脹,因此巷道中潮濕的環(huán)境是低鼓的外因;另外,根據(jù)力學(xué)分析巷道開挖后,煤體中應(yīng)力重新分布,松軟的底板在兩側(cè)煤體的壓力傳遞,造成底鼓,因此上覆巖層的壓力及開挖造成的應(yīng)力重新分布也是底鼓的外因。

2 圍巖控制方法

針對上述圍巖破壞原因,摸索出如下針對性圍巖控制方法。需要說明的是,煤壁片幫和頂板冒落是相互關(guān)聯(lián)的,因此防治煤壁處頂板冒落要和防治片幫共同進行。

2.1 煤壁處頂板冒落及煤壁片幫的防治

由上述煤壁處頂板冒落的原因分析可知,要控制煤壁處頂板冒落必須及時封閉煤壁和支架的間隙,并保持支架和頂板的均勻接觸。支護剛度差將導(dǎo)致直接頂與老頂離層。因此提高采面液壓支架的初撐力,通過循環(huán)升架來保證支護阻力,從而保證支護剛度是防治煤壁片幫的根本方法。及時封閉支架和煤壁之間的空隙,防止碎矸冒落,增加支架和頂板的接觸面積,保持支架均勻支護頂板。通過超前移架、快速移架、減小端面距等方法,基本能控制煤壁片幫及煤壁處頂板冒落。采取先移架后推溜的方法,減少梁端與煤壁的空頂距離,防止冒頂發(fā)生。如果煤壁片幫比較嚴(yán)重,可采取提前支護,即當(dāng)煤壁剛發(fā)生片幫時,不必等采煤機割煤,支架就利用前柱與輸送機間的富余量向前挪移,使煤壁片幫后的頂板得到提前支護,這時回采工藝過程為移架→采煤→推輸送機,可大大減少梁端與煤壁的空頂距離和空頂時間。在采煤機割煤后及時移支架再移輸送機,這時回采工藝過程為割煤→移架→推輸送機。在超前移架仍未見效的前提下,在支架前梁上增設(shè)傾向圓木托住頂板。

使煤壁處于兩向受力狀態(tài)的煤體轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)從而提高其破壞強度,可減輕煤壁片幫。根據(jù)液壓支架無護幫板的特點,在煤壁打錨桿加固煤墻減少片幫,具體要求是:1)倒楔式木錨桿,長不小于2.0 m,直徑 38 mm,木托板規(guī)格為 200 mm×200 mm×25 mm;2)在煤壁上打兩排錨桿,間排距為1 000 mm×700 mm,3花眼布置,錨桿眼直徑為42 mm;3)打錨桿處前后3架支架前端背好頂,支架有效接頂,并達到初撐力;4)施工順序為:敲幫問頂→搭臨時腳架→打錨桿眼→支設(shè)錨桿、上托板;5)根據(jù)煤層上部0.8 m為較硬煤層,下部1.7 m為較軟煤層的特點,上排木錨桿打設(shè)在硬煤層之下0.5 m處,仰角60°,使木錨桿里端錨固在較硬的煤體內(nèi),保證了錨固力;下排木錨桿打設(shè)在距離底板0.6 m位置,平行于煤層打設(shè);必要時可用插板插入兩根相鄰的錨桿托板下。

另外工程技術(shù)人員也曾借鑒其他礦的經(jīng)驗[3],采用瑪麗散防治煤壁片幫,但由于煤層粒度極小,可注入性差,再加上煤層自穩(wěn)時間短,注漿工藝復(fù)雜等,在五鳳煤礦使用效果差,沒有得到推廣。

2.2 巷道圍巖控制

五鳳煤礦巷道膨脹性圍巖,穩(wěn)定需要時間長,變形量大,變形速度快[1],幾乎能夠摧毀一切支護,表現(xiàn)為不可抵抗。通過現(xiàn)場摸索,提出了“松幫讓壓”的支護對策。具體做法是:1)回采期間成型巷道的“松幫”讓壓:拆開被松綁支架幫部所有撐木,在距底板1.3 m處開幫,用手鎬或鋼釬剔除鼓出的煤巖體,刷幫深度以支架腿子與煤巖體不超過100 mm為宜,不影響背幫又不致引起片幫或冒頂為原則。順序從中間向兩端進行,松幫至底角及肩窩部分。2)開挖時“讓壓”:巷道幫部不背網(wǎng),且不得使用過粗背木或半圓木(背板),以便保證圍巖塑性變形時,通過壓斷背木,形成支護與圍巖的密實接觸,又保證支架與圍巖間有較大的讓壓空間,且為成型巷道松幫卸壓打下堅實的基礎(chǔ)。

通過巷道底鼓原因分析知,要通過內(nèi)因和外因兩個方面治理底鼓,通過在工作面兩順槽的上下幫打卸壓調(diào)節(jié)了圍巖中的應(yīng)力,使頂板壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移,減輕了巷道附近圍巖破壞,減少了壓力向巷道底板轉(zhuǎn)移,使巷道底鼓量明顯減少。水是巷道底鼓的重要外因,通過將落在巷道底板的水引入排水溝,減輕了底板泥化。我礦曾使用混凝土砌筑水溝,木板構(gòu)筑水溝等,都由于可縮量小導(dǎo)致破壞,現(xiàn)使用雨布鋪在水溝中,便于水溝的維修,能充分適應(yīng)較快的底板變形,使用效果較好。

對回采期間超前段巷道頂板采用瑪麗散注射,取得了較好的效果,雖然在工作面使用瑪麗散注射加固煤壁沒有起到較好的效果,但在超前支護段頂板由于受到回采動壓影響,巷道頂板產(chǎn)生大量裂隙,提高了可注入性,而且頂板塊度較大,相對堅硬,使用效果較好。由于瑪麗散的固結(jié)作用,減輕了工作面上、下端頭頂板破碎程度,避免了漏矸,礦壓顯現(xiàn)程度降低。另外,對超前支護段單體支柱,我礦采用質(zhì)量較輕的塑料柱鞋,減輕了支柱鉆底量,保證了超前支護阻力,控制了頂板下沉。

3 強化管理、落實到位

冒頂事故主要是沒有得到及時控制片幫,支護質(zhì)量差造成的,因此樹立煤壁片幫,冒頂?shù)痊F(xiàn)象在三軟煤層綜采工作面可以避免的意識,通過制定制度,加強職工教育培訓(xùn),提高職工的責(zé)任心和操作水平是綜采工作面安全、高效開采必不可少的條件。

[1]朱俊福,何國益,劉 剛,等.五鳳煤礦軟巖支護技術(shù)研究[R].畢節(jié):永貴五鳳煤業(yè)有限責(zé)任公司,北京:中國礦業(yè)大學(xué),2008:38-39.

[2]夏永學(xué).屯留礦大采高綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與煤壁穩(wěn)定性研究[D].北京:煤炭科學(xué)總院,2009:1-3.

[3]郭明星.如何預(yù)防綜放工作面的片幫和冒頂[J].經(jīng)營管理者,2008(13):24-25.