綜采工作面過陷落柱安全支護技術應用

門 前

（山西省煤炭運銷集團掌石溝煤業有限公司，山西 高平 048400）

陷落柱是煤礦生產過程中常見地質構造之一，陷落柱侵入煤層后破壞了煤層連續完整性，形成一個獨立的煤巖區，陷落柱附近煤體穩定性相對較差，工作面回采過陷落柱期間會出現煤壁片幫、頂板破碎現象，不僅降低了工作面回采效率，增加了設備故障率，而且很容易發生安全事故。所以對陷落柱附近煤巖體進行有效控制，是工作面回采過陷落柱期間重要技術環節，對工作面安全高效回采具有重要意義。本文以掌石溝煤礦15103 工作面為例，對工作面過X2 陷落柱期間存在主要技術難題進行分析，并根據實際生產情況提出了行之有效的安全技術措施。

1 概 況

15103 工作面位于+860 m 水平，是一采區第三個工作面，該工作面標高為+825～+877 m，走向長度1527 m，傾向長度150 m。15103 工作面位于井田一采區西部，東部為未開拓的實體煤，西為15102 工作面和15103 工作面間保護煤柱，南部與一采區三條大巷相連，北部為礦井保護煤柱。該工作面標高為+825～+877 m，走向長度1527 m，傾向長度150 m。

15103 工作面回采煤層為15#層，煤層厚度為3.1～4.75 m，平均厚度4.03 m，煤層厚度穩定，結構較簡單，內生裂隙發育，硬度系數1.5，煤層頂底板巖性情況見表1。

2 工作面地質情況及問題分析

2.1 工作面地質情況

15103 工作面地質條件相對簡單，主要以小斷層以及陷落柱為主，斷層平均落差為0.5 m，平均傾角為47°，對工作面回采影響較小。工作面回采至870 m 處揭露一條X0 陷落柱，陷落柱距回風順槽水平間距為27 m，陷落柱水平投影成橢圓狀，陷落柱長軸長32 m（液壓支架118#～99#之間），短軸長24 m，陷落柱高度為5.7 m，且從工作面頂板侵入煤層，陷落柱長軸與工作面成12°夾角。通過鉆探發現，X0陷落柱腔體內主要填充雜亂無章的泥巖、砂巖，填充巖體無穩定成型結構，腔體內局部可見塊狀煤。X0 陷落柱對工作面回采影響較大，影響回采長度達31 m。

2.2 問題分析

（1）移架阻力大。由于X0 陷落柱腔體內巖體不穩定且巖體整體平整性差，工作面在過陷落柱期間支架與陷落柱腔體內頂板巖體接觸不嚴實，在進行移架時移架阻力大，且頂梁出現“托空”現象，支架對頂板無法產生足夠的工作阻力，支架支護效果差，導致支架倒架、傾架等事故發生。

（2）頂板破碎嚴重。15103 工作面一次采全高，采煤機割煤深度為0.8 m，工作面回采過X0 陷落柱時由于陷落柱腔體內充填巖體不穩定、巖體間摩擦系數小、膠結度低，在構造應力、回采應力集中作用下陷落柱區域頂板極易破碎，很容易發生頂板垮落事故。

（3）煤體片幫。X0 陷落柱腔體內以泥巖等混合巖體為主，陷落柱與煤體間存在裂隙帶，隨著工作面推移，當工作面回采至距陷落柱10～15 m 范圍內時，受應力作用，在煤體與陷落柱之間裂隙中產生應力釋放現象，導致陷落柱附近煤體產生剝離破壞作用，產生煤壁大面積片幫現象，加大了斷面控頂距，增加頂板維護難度。

表1 15103 工作面回采煤層（15#層）頂底板巖性匯總表

3 過X0 陷落柱聯合支護技術

3.1 煤體注漿加固

為了提高陷落柱附近煤體膠結穩定性，決定對陷落柱前10 m、過陷落柱后5.0 m 范圍內煤體進行注漿加固。

（1）當工作面回采至860 m（距陷落柱10 m）處對工作面煤壁施工一排仰斜注漿鉆孔，鉆孔深度為5 m，鉆孔直徑為50 mm，鉆孔仰角為60°，鉆孔距頂板1.2 m，鉆孔間距3.0 m，每排施工12 個注漿鉆孔。

（2）鉆孔施工完后，在鉆孔內安裝一根長度為3.0 m、直徑為30 mm 射漿鋼管，鋼管上均勻焊制四排射漿孔，孔直徑為10 mm，間距為0.3 m。射漿鋼管安裝后對孔口0.3 m 范圍內采用膨脹水泥進行封孔處理。

（3）注漿材料采用聚氨酯化學材料，注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa 范圍內，注漿完成5 h 后工作面繼續回采，工作面回采5.0 m 后繼續施工第二排注漿鉆孔，當工作面過陷落柱后施工一排注漿鉆孔，如圖1。

3.2 過陷落柱頂板聯合支護

3.2.1 撞楔超前支護

（1）工作面回采至865 m 處時及時調整工作面偽斜，在工作面煤壁與頂板之間施工一排超前支護鉆孔，鉆孔垂直煤壁布置，鉆孔深度為3.0 m，鉆孔間距為0.5 m，孔徑為30 mm。鉆孔施工完后在鉆孔內錨注一根長度為3.2 m、直徑為28 mm 中空鋼針。

（2）同一排超前支護施工完后，工作面回采時縮小采煤機割煤深度至0.5 m，采用分段割煤移架回采工藝。當采煤機下行割煤回采至97#支架時及時對1#～99#支架進行移架，移架到位后再回采陷落柱影響區域煤柱，回采再進行移架，從而解決了傳統整刀割煤時陷落柱影響區域頂板暴露時間，造成頂板破碎、垮落等技術難題。

（3）工作面在移架時支架頂梁緊貼超前支護體，當第一排超前支護施工完且工作面回采2.5 m后施工第二排超前支護，依次類推直至工作面完全過陷落柱。

3.2.2 “JW”型錨索吊棚施工

（1）錨索吊棚長度為3.5 m，錨索吊棚主要由一根JW 鋼梁及兩根長度為3.0 m 錨索組成，吊棚與工作面平行布置，錨索吊棚布置間距為1.0 m，每排施工8 架錨索吊棚。

（2）第二排錨索吊棚與第一排邁步式布置，排距2.0 m，在兩架錨索吊棚之間鋪設長度3.0 m、寬度2.4 m 鋼筋網，防止工作面頂板陷落柱填充巖體冒漏。

圖1 15103 工作面過X0 陷落柱頂板聯合支護斷面示意圖

4 效果

截至2020 年3 月11 日，15103 工作面已完全過X0 陷落柱影響區，工作面過陷落柱期間采取聯合支護技術后，取得顯著成效：

（1）對陷落柱附近煤體采取注漿加固后，控制了煤體裂隙進一步發育，防止了集中應力破壞作用導致煤體大面積片幫現象。現場觀察發現煤體注漿加固后提高了煤體整體膠結強度，煤壁片幫深度控制在0.9 m 以下，端面距控制在0.3 m 以下。

（2）工作面過陷落柱期間對頂板采取聯合支護措施后，提高了支架初撐力、工作阻力，保證了支架支護效果。同時，陷落柱處頂板下沉、破碎現象得到有效控制，在過陷落柱期間未發生頂板垮落現象。