軟煤層綜采工作面冒頂事故的防治

李建平

(山西焦煤集團 介休正益煤業有限公司，山西 晉中 032099)

根據煤礦綜采面的相關數據，隨著煤礦向下開采深度的增加，地質條件變得越來越復雜，復合頂板、軟煤層、斷層等情況層出不窮。大型煤礦開采區常常會遇到軟煤層，其塑性變形、流變性、膨脹性等特征增加了支護的難度。支護系統剛性的逐漸下降和復合頂板的支護設計容易在綜采工作面形成大范圍冒頂事故。相關學者針對綜采工作面冒頂事故從巖體受力角度進行了分析，得出煤壁內部受壓會不斷增加的結論[1]；從拉移支架的角度入手，形成了比較成熟的處理小范圍冒頂事故的探板處理法；從增強巖體硬度的角度，提出了化學注漿加固法[2]. 在此基礎上，本研究以龐龐塔礦為例，針對5-108軟煤層綜采工作面大范圍冒頂事故問題，提出了采用新型馬麗散、羅克休化學法提升煤柱穩定性的方案。

1 工作面概況

龐龐塔礦的5#煤層為主采煤層，厚度6.19 m，煤層頂底板巖石賦存情況見表1. 5-108綜放工作面走向長1 300 m，采高為2.7 m，放頂煤高度為3.4 m，采放比1∶1.21，傾角平均15°，傾斜長236.5 m. 工作面地質條件比較復雜，工作面掘進過程中遇到多個斷層，落差平均為2.4 m，直接頂是泥質砂巖，堅硬程度差；偽頂為細砂巖，流變性強，變形大。工作面采用走向長壁采煤法，使用液壓支架159架，MGTY250/600采煤機1套，并配帶有乳化液泵、破碎機和輸送機，按照“切眼進刀—割煤—移架—推移輸送機”的工藝推進。5#煤層頂底板巖石賦存情況見表1.

表1 龐龐塔礦5#煤層頂底板巖石賦存情況表

2 工作面冒頂事故成因分析

受地質條件和回采的影響，當從切眼向內推進時，一旦出現基本頂斷裂現象，就會引發周期性折斷，裸露在梁端距前的頂板也會因為支護不足而漏頂。當工作面出現淋水時，煤巖抗壓強度降低，頂板離層，移架困難，造成片幫、冒頂。當移架工作跟不上采煤機速度時，便會增大頂板空頂面積，改變工作面原有受力結構，打破頂板壓力的平衡狀態。這些因素是軟煤層綜采工作面出現冒頂事故的主要原因。在5-108工作面推進100 m后，由于周期性來壓及頂板煤質較差等因素，30#—50#支架，80#—90#支架附近頂板接連出現冒頂現象。

3 冒頂事故的防治方案

針對5-108工作面頂板軟煤層冒頂現象，提出了綜采工作面冒頂事故的防治方案。按照冒頂防治的位置不同，可以將防治方案大致分為3種：

1) 采用傳統拉移支架的方法處理頂板冒頂[3]. 當工作面出現頂板冒落時，第一時間對頂板進行控制，使用探板從兩端向中間進行處理。a) 將液壓支架向前推進，根據冒頂的范圍和形狀確定具體的處理步驟。b) 借助單體柱將1.5 m背板向冒頂方向推進，將頂背實。c) 將支架的前梁降低，使用板梁穿過支架前梁將頂背實，并將前梁升至初始位置，拉移支架法的處理效果見圖1. 這種方法優點是速度快、過程簡單，但不能夠改變巖體的受力，無法保持長時間的穩定，會影響回采工作的順利進行。

圖1 拉移支架法處理效果圖

2) 采用打撞楔法防治煤壁片幫冒落[4]. 在綜采工作面向前推進中，煤壁出現冒落，煤矸石沿著煤壁向下流出，形成冒頂。面對此類冒頂，先將長為2.0 m、d20 mm的圓鋼撞楔打入煤壁，采用板皮進行護頂，而后平行于煤壁方向做出“一梁三柱托棚”支架，用撞楔法進行支棚，將巖石托住，避免發生冒落。當冒落面積較大并出現空頂時，在高于液壓支架頂梁的位置進行板皮支護，支架上至少搭起兩根梁，梁間距在0.50 m之內，其支護效果圖見圖2. 這種支護的缺點為其穩定性會隨著時間的推移而降低。

圖2 片幫冒頂且空頂的防治效果圖

3) 采用化學注漿法加固煤巖體[5]. 新型馬麗散、羅克休化學漿增強了自身的發泡膨脹效果，能夠沿著巖體的細裂縫深入巖體10 m以上。這種化學漿能夠將松散、破碎的巖體膠結在一起，改變巖體的原有結構，使其相互作用，形成一個穩定體。加固巖體對頂板、煤壁片幫的冒落都有極大的作用，還能夠較好地控制巖體的變形。雖然這種方法成本比較高，但能夠較好的處理軟煤層冒頂問題。因此，針對大型煤礦的綜采工作面冒頂事故應采用化學注漿加固法，以增強工作面的安全性。

4 化學注漿加固工藝及實施方案

鑒于軟煤層巖體的復雜性，采用化學注漿加固實施方案，一次性處理好冒落事故，避免影響回采工作。5-108綜采工作面采用馬麗散材料并融合3種聚亞膠脂成分，加快其黏合速度，增強了滲入細小裂縫的能力，試驗結果表現出堅固、抗壓、抗彎特性，足以承受軟煤層的礦壓。

1) 采用煤幫和頂板聯合鉆孔的方式，為注漿提供全面滲透巖體的注眼分布結構。煤幫眼的深度在6 m以上，煤層頂板的鉆孔深度在4.5 m，注漿眼的鉆孔時間按照施工進度交錯進行，鉆孔之間的距離保持在3～4 m. 鉆孔的位置、時間以及布置結構將影響化學漿液在軟巖體的滲透情況，眼間距不可過大，鉆孔的深度不可低于4 m，否則將會降低巖體穩定性。5-108綜采工作面注漿孔布置見圖3.

圖3 5-108綜采工作面注漿孔布置圖

2) 選擇注漿管。比較粗放的填充方式是將羅克休進行大塊填充，填充至幾乎充滿整個冒落范圍，而后將馬麗散沿著羅克休邊緣灌注，讓注漿液不斷滲入巖體，形成穩定結構，但這種方式無法確定巖體穩定體的范圍。采用直徑小于鉆孔直徑的鋼管和袋式封孔方式將化學漿液壓入巖體細縫，并快速封孔，保證了注漿效果的最優化。其注漿管和封孔袋結構見圖4.

圖4 注漿管與袋式封孔結構圖

3) 實施注漿加固巖體工藝。鉆孔、注漿管、漿液都需要進行施工前的質檢，通過驗收后再進入施工場地。在施工中，探煤鉆和錨索鉆共同鉆出，孔d5 mm、長度4.5 m以上，角度根據實際情況進行調整；液壓控制在5 MPa水平，采用氣動雙液QB-12型注漿泵，為化學漿液的注入提供足夠的動力；待注漿完成，采用布袋式封孔方式進行封孔。工作面注漿效果圖見圖5，圖中白色為漿液固化后狀態。通過注漿5-108工作面在推進過程中冒頂、片幫得到了有效控制，為工作面安全生產提供了保障。

圖5 5-108工作面注漿效果圖

5 化學注漿加固法實施的注意事項

軟煤層綜放工作面采高為2.7 m，屬于大型工作面，對頂板的支撐力要求比較高。因此，在化學注漿加固的過程中，不僅要注意施工安全，還要確保施工質量，將煤壁片幫、頂板冒落的事故可能性降低到最小。

1) 采用液壓支架進行前梁支護，及時為加固巖體提供有效支撐，一方面控制頂板的冒落范圍，另一方面為化學注漿加固巖體提供安全操作時間。在施工中，確保一人觀頂、一人找頂，避免各種意外事故。

2) 工作人員身著膠手套、眼鏡和工服，在注漿孔3 m范圍內進行隔離，不許非工作人員入內。在注漿過程中，如發現支架頂梁、煤壁片幫、注漿壓力值突增等意外情況，所有人員迅速撤離。如不慎將化學漿液滴落在皮膚、眼睛時，及時用大量清水沖洗，而后送往醫院進行觀察。

3) 在施工結束后，還需要通過相關設備進行持續性的數據監測，并對穩定結構下的巖體進行鉆孔監測，觀察注漿體的深度和效果，對冒頂范圍的分離部位進行重點監測，觀察是否存在離層現象。

4) 通過冒頂區域后，在此區域內對頂板、煤壁進行長期、周期性變形監測，按照應力變化基本原理對變形規律進行預測，為回采工作提供真實、有效的基礎數據。

6 結 語

在5-108綜采工作面實施的化學注漿加固煤巖體防治冒頂事故是有效的。根據監測結果顯示，冒頂區的頂板沒有出現明顯變形，巖體加固深度在4.5 m以上，具有良好的穩定性。事實證明，化學注漿加固巖體的防治方法比物理拉移支架方式更有效，尤其在地質條件復雜，存在軟煤層的情況下。雖然此次注漿巖體耗費了60.32 t化學注漿液，成本高，但能夠確保在后續的開采和回采中為施工提供安全環境，避免出現意外事故。因此，本文所述的新型化學注漿液加固巖體的防治技術是值得在特殊地質條件下使用和推廣的，對提升工作面的安全有著積極作用，是防治冒頂事故的新方向。

參 考 文 獻

[1] 趙 鵬.松軟破碎煤層大采高綜采工作面片幫冒頂防治[J].內蒙古煤炭經濟,2014(9):201-202.

[2] 劉前進,于海盠,王東攀.大采高大坡度仰采工作面冒頂原因及防治[J].煤炭技術,2015,34(4):51-53.

[3] 許傳峰.大采高綜采工作面采高合理性研究及煤壁片幫防治[J].煤礦安全,2013,44(6):214-216.

[4] 劉振明.大采高仰采工作面冒頂壓架治理技術[J].煤炭技術,2016,25(11):250-252.

[5] 徐先勝.大采高大角度仰采工作面煤壁片幫防治技術[J].陜西煤炭,2013,32(1):68-70.