馬脊梁礦綜采面應力集中冒頂區治理技術研究

強濟江 孟國勝 孫占成

馬脊梁礦綜采面應力集中冒頂區治理技術研究

強濟江 孟國勝 孫占成

以大同煤礦集團公司馬脊梁礦14-2#層305盤區8505綜采面應力集中區冒頂問題為研究對象，首先分析了工作面情況，在此基礎上得出該工作面冒頂的原因，并制定出治理冒頂的技術方案，詳細闡述了治理工藝過程及注意事項，通過生產實踐驗證了工藝的先進性，減少了該工作面應力集中區的冒頂問題。

綜采面；應力集中區；片幫冒頂；馬麗散；羅克休

馬脊梁礦是一座年產400萬t的大型礦井，隨著礦井戰場逐步向深部轉移，礦山壓力顯現明顯，回采巷道極易產生應力集中，頂板及煤壁周圍應力集中區域明顯增大，綜采工作面煤壁片幫及漏垮冒頂問題嚴重，嚴重阻礙工作面正常有序安全生產。所以，有必要采用科學技術對其進行綜合防治，有效控制工作面煤壁片幫及漏垮冒頂問題，遏制頂板事故的發生，使馬脊梁礦安全高效生產，提高礦區的整體效益。

1 工程概況

馬脊梁礦14-2#層305盤區8505綜采工作面位于馬脊梁井田第二水平。該工作面地形地貌為溝谷相間的丘陵、臺地，有長溝、海青溝穿越部分工作面，地面大部分為耕地、幼樹，地面無建筑物。地面標高1 327 m～1 430 m，井下標高1 112 m～1 166 m，位于井田深部。該工作面北東為14-3#層406盤區大巷，北西為本盤區實煤區，南東為本盤區8602工作面采空區，南西為萬家咀村莊煤柱，上覆為14-2#層406盤區8608面采空區。工作面開采14-2#煤層。該工作面煤層賦存穩定性較差、結構復雜；煤層厚度0.6 m～4.4 m，平均為 2.5 m；煤層傾角為 20°～40°，平均30°，屬近水平煤層。

2 8505綜采面冒頂情況及原因分析

2.1 冒頂情況

根據工作面日常觀察發現，8505綜采面冒頂大多是局部冒頂。局部冒頂主要發生在巷道煤壁、切眼附近區域，應力集中、回采面兩端 (機頭機尾部)、地質破壞帶 (斷層面、含水裂隙)區域。這部分區域易發生冒頂，局部冒頂發生前常伴有煤壁片幫、頂板出現裂縫逐漸離層發生垮落漏頂、頂板掉渣、發出響聲等明顯征兆，在采動影響下局部冒頂逐步發展成為大面積冒頂，頂板持續斷裂聲響越來越大，有時產生悶雷聲，煤壁片幫嚴重，頂板淋水加劇，極易發生冒頂事故。所以，要找出冒頂原因，采取合理有效治理手段治理冒頂，防止冒頂事故發生。

2.2 冒頂原因分析

該工作面處于井田深部，礦山壓力較淺部工作面明顯增大，頂板應力更易集中，煤壁片幫及漏垮冒頂現象明顯。對于8505工作面，由于處于井田深部，礦山壓力大，煤壁周圍及頂板上方應力集中明顯，煤壁及頂板所受的支撐壓力大。隨著工作面推進，煤壁處于不穩定狀態，垂直方向所受的應力急劇變大，煤體節理裂隙變大，并且向巷道中央擴張，加上基本頂的反復斷裂，當支撐壓力達到極限時，煤壁發生片幫。隨著片幫增大，空頂距變大，從而引起頂板冒落，而且煤壁片幫越嚴重，冒頂越嚴重。

該面冒頂區域煤巖層層理發育、裂隙明顯、極易破碎，基本頂巖塊緩慢運動時，基本頂與直接頂產生離層，基本頂巖塊向下運動，沖擊工作面液壓支架，支架載荷加大容易被壓壞導致冒頂。基本頂沖擊來壓時支架將可能被壓壞、壓死壓入煤層底板，導致冒頂事故。

從工作面相互關系來看，14-2#層305盤區8505工作面頂板受11#層8521工作面的影響，14-2#層305盤區8505工作面與11#層8521工作面空間影響關系見圖1。11-2#層305盤區8513工作面停采煤柱距離305盤區皮帶巷180 m，煤柱寬度30 m，兩層間距23 m。由于回采過程中上覆承壓煤柱應力過于集中，導致8505工作面回采過程局部應力明顯增加，煤壁易片幫，并且11#層采空區已平衡的應力受采動影響重新分布，煤壁出現大面積片幫，無法有效控制端面距，導致冒頂。當8505面推進到距11#煤層采空區約18 m～22 m區域時，來壓反應明顯，老頂在支撐壓力作用下大面積失穩，導致大面積冒頂。

從工作面回采工藝來看，8505綜采面采用留頂煤沿底板開采，采煤機采煤高度為2.3 m～3.2 m，比煤層厚度低，頂煤垮落后支架不能正常接頂，造成冒頂。同時，回采過程中不及時移架也容易造成冒頂。此外，回采管理不合理也引發冒頂。為了安全生產，必須采用技術手段對其進行治理。

3 8505綜采面應力集中區巷道片幫冒頂治理技術

3.1 治理方案

針對馬脊梁礦14-2#層305盤區8505綜采面實際情況，結合本礦在多年生產中預防片幫冒頂的經驗及對其冒頂原因的分析結論可以得出：治理冒頂問題重在加固煤體，加大煤體的抗壓能力。對于8505綜采面應力集中冒頂區冒頂治理，采用綜合治理方案：羅克休泡沫充填巷道、馬麗散固化圍巖及煤體及改革道夾板傳統的連接方式3種技術手段相結合的方法。該方案最關鍵的是技術材料：羅克休泡沫及馬麗散兩種化學材料。

羅克休泡沫是一種具有高膨脹性的樹脂產品，由于該材料具有反應速度快、膨脹系數大、性能穩定、抗水性好、受力性能好等優點，特別適用于復雜地質條件下的高冒巷道充填。

馬麗散加固是一種新穎的化學加固方法，它由樹脂和催化劑兩種基本成分組成，注入煤巖層幾秒鐘后，經過化學反應就可生成聚亞膠脂產品，開始膨脹，對圍巖松動圈裂隙進行充填，對破碎松散體進行粘結，使之成為整體，提高了圍巖的穩定性和抗壓承載能力。治理工藝過程見圖2。

3.2 治理工藝過程

從圖2可以看出治理過程應分為兩個階段。總體來說，清理漏頂矸石，先把機組放在尾上，在清理漏頂矸石前檢查漏頂范圍內支架工況，工況差的及時修理，不能及時修好的必須在其前探梁下支設單體柱，并且在漏頂區兩側的機道處支設帶帽單體支柱，待漏頂區四周維護好后，設專人站在安全地點將漏頂區的活石、零石用長柄工具從兩頭向中間由下及上將其徹底清理干凈，待確認安全后工作人員在支架前探梁下清理矸石。首先在漏頂區兩側溜子上搭蓋板，將漏下的矸石清理在蓋板上，使溜子開啟，然后逐漸將其拉出，大塊經人工破碎后拉出。詳細技術過程如下：

(1)待漏頂區矸石徹底清理干凈后，控制漏頂區頂板，采取穿鋼針用圓木剎頂，然后在其上方注羅克休充填，在煤體注馬麗散。

①穿鋼針由漏頂區兩旁向中間穿。鋼針采用4.5 m～5 m11#工字鋼，每個支架中間穿1根。支架端面距較大時，用氣焊在工字鋼上吹眼使用道夾板把兩根工字鋼連接起來使用。

②穿鋼針打孔前必須做臨時掩體。臨時掩體的施工方法為在相鄰的兩個支架前方，用4 m長圓木一端斜頂在煤幫上，另一端用錨鏈將其與支架頂梁固定牢固，然后在其上鋪一層半圓木，并將其用把矩固定牢固。

③操作鉆機打孔人員必須在臨時掩體下工作。鉆孔布置在工作面頂板下方煤體下（便于支架前探梁挑起鋼針的地方）。鉆孔與煤體向上保持仰角，角度視漏高而定。端面距較大時，相鄰布置兩個孔，一個孔深3.5 m～4 m，使所穿鋼針外漏1 m；另一個孔深1 m～2 m，使鋼針外漏3 m～4 m，將緊靠的兩根鋼針用直徑12.7 mm鋼絲繩及蛤蟆卡固定牢固。

④穿鋼針前，將支架上方漏矸全部放下。操作時只能操作一架支架，待漏矸拉空后再操作下一架支架。然后穿鋼針并在其上順工作面鋪一層3 m～4 m圓木剎頂。以此方法打完所有鋼針，鋪完剎頂木。剎頂木排列要嚴密，剎頂木全部用把矩固定牢固。

⑤在剎頂木上方充填羅克休。

(2)待人工假頂全部做完后，采煤機從尾向頭掃底刀割煤，再將采煤機放到尾上，將工作面溜子推向煤壁，然后開始移架。移架先移漏頂區兩側支架，再移漏頂區支架。移架時每次設專人只移一架，移過的支架必須接頂嚴密，端面距盡可能最小，支架初撐力符合要求。

3.3 羅克休及馬麗散加固施工工藝

圖3 鉆孔布置

羅克休及馬麗散加固施工，首先確定打孔位置（見圖3），要求孔直徑為42 mm，深度為3 m～5.5 m，方位角20°～60°，然后鉆孔，經注漿泵及注射槍打入破碎冒落空間，完成一次注漿。然后沖洗管路循環注漿，施工工藝流程見圖4。注漿設備采用氣動注漿泵，技術參數見表1。

3.4 冒頂治理注意事項

在本方案施工治理14-2#層305盤區8505綜采面應力集中區冒頂過程中，一定要注意以下安全事項：

圖4 工藝流程

表1 氣動注漿泵技術參數

①處理漏頂期間，刮板機必須慢速開，采取搭蓋板等方法控制溜子上的煤矸量，避免壓住刮板機，或戧斷大鏈；

②做人工假頂時，必須將溜子閉鎖；

③處理漏頂期間采煤機盡可能放在尾上，盡量將溜子拉空，以免壓住溜子；

④漏頂區移架和其他工序不能同時進行，每次只能移1架支架；

⑤大塊矸石采用放炮、小塊錘打方式破碎；

⑥放炮前必須用廢舊皮帶將放炮點前后10 m以內的液壓支架及支柱內的儀表、機電設備、電纜、水管等遮掩好，以防打壞；

⑦放炮必須嚴格執行“一炮三檢制”和“3人連鎖放炮制”。

4 結論

通過綜采一隊連續兩個月的礦壓觀測及現場人工觀測，發現冒頂現象明顯減小，有效控制了原有的大面積冒頂，取得了很好的治理效果。

①采用新型假頂支護材料羅克休，安全高效、節省物料和人力、減少人員在漏頂區作業時間，提高安全系數；

②改革傳統的道夾板連接方式，11#工字鋼在漏頂區快速對接縮短作業時間；

③首次在煤體嘗試注射馬力散，上覆煤柱集中應力得到有效控制；

④減少了由頂板事故引起的事故損失，提高了礦區的經濟效益。

[1] 溫運峰，高永格.對厚煤層綜采面煤壁片幫冒頂嚴重的原因分析[J].河北建筑科技學院學報，2004(6)：69-71.

[2] 劉俊儒，趙樹軍.注馬麗散超前加固采動應力集中區圍巖實踐[J].煤，2008(1)：25-26.

[3] 錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制 [M].北京：煤炭工業出版社，1991：123-125.

Research on Treatment Technology of Stress Concentration Roof Caving Zone under Fully Mechanized Mining Face in Majiliang Coal Mine

Qiang Jijiang Meng Guosheng Sun Zhancheng

This paper is based on the14-2#Majiliang mine 305 disc region 8505 fully mechanized coal face roof fall area of stress concentration problem as the research object,first introduced the analysis of the conditions of the working face,on the basis of the working face roof fall cause,formulate management roof technology solutions,elaborate the management process and need attention,through production practice validation of advanced technology,to reduce the stress concentration zone of working face roof fall.

fully mechanized mining face;stress concentration zone;slide and roof fall;Marithan;ROCSIL FOAM

TD323

A

1000-4866（2012）02-0029-04

強濟江，男，1989年8月出生，2009年太原理工大學畢業，采礦工程專業工學學士學位，現在大同煤礦集團公司馬脊梁礦工作，助理工程師。

孟國勝，1987年出生，采礦工程學士學位，內蒙古科技大學采礦工程工學碩士在讀。

孫占成，現在大同煤礦集團挖金灣煤業公司工作。

2012-02-09

2012-02-23