大采高綜采工作面快速通過陷落柱安全技術(shù)研究

張 奇

(山西潞安化工集團 ，山西 長治 046204)

巖溶陷落柱是北部地區(qū)多個煤田中廣泛分布的一種石炭二疊系的隱伏構(gòu)造，分布特點多為從上往下垂向布置。陷落柱基底發(fā)育于奧陶系灰?guī)r中，向下塌陷穿過煤層或接近煤層底板。陷落柱的形成，對煤層原有賦存狀態(tài)進行改變，破壞了煤層原有的連續(xù)性。陷落柱的分布狀態(tài)影響井田采掘的布置方式，增加無效巷道長度，減少井田可采儲量，降低礦井的回采率，且?guī)r溶形成的空洞給地下水創(chuàng)造了導(dǎo)水條件，容易產(chǎn)生礦井水害，威脅礦井安全生產(chǎn)作業(yè)[1-4]。

井田布置中，對于陷落柱的處理方法，一是直接繞開陷落柱布置回采工作面，二是采取措施通過陷落柱。李村煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，賦存了多個陷落柱，對工作面正常回采和布置帶來嚴重影響。潞安礦區(qū)西南方向地質(zhì)條件復(fù)雜，直接避開造成的煤炭損失會超過可采井田面積的50%以上。大采高長壁工作面回采效率高于放頂煤開采效率，采用其他方式會嚴重制約大采高工作面的回采效率。因此，對復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下的大采高綜采工作面過陷落柱具體工藝和地質(zhì)構(gòu)造的顯現(xiàn)進行研究非常必要[3-5]。

1 工程概述

李村煤礦1302大采高綜采工作面北部為1303工作面，南部為1306工作面，西部為一采區(qū)大巷，毗鄰沖刷帶，東部為礦井邊界(見圖1)。1302工作面總體地勢西南高東北低，總體呈一單斜構(gòu)造，傾向209～252°，傾角0～7°，埋藏深度517.9～497.5 m，按煤層走向布置，平均可采長度765 m，切眼長220 m，可采面積168 300 m2，煤層厚度4.4～6.0 m，平均5.2 m。工作面選用131組ZY13000/28/62D掩護式液壓支架支護頂板，其中6架端頭支架，2架過渡支架以及123架正規(guī)架。采用正規(guī)循環(huán)作業(yè)，整個循環(huán)包括割煤、移架、推刮板輸送機等工序，循環(huán)進度0.8 m。三維地質(zhì)勘探顯示，1302工作面存在2條向斜構(gòu)造，3個陷落柱。1302工作面陷落柱位于工作面中部，賦存地點分散，占回采面的面積大，提前收尾和重新布置工作面并不適合1302大采高工作面。因此，本工作面采用強過陷落柱的方法進行回采。

圖1 1302工作布置

2 采動影響下陷落柱數(shù)值模擬

為更直觀得出大采高綜采工作面直接截割陷落柱時的過程，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對1302大采高綜采工作面陷落柱賦存情況建立數(shù)值模擬模型，意在得出大采高綜采工作面機組直接截割單一陷落柱構(gòu)造時，陷落柱內(nèi)部鉛錘應(yīng)力與工作面推進距離的關(guān)系。工作面長220 m，陷落柱設(shè)定為直徑50 m的圓柱體，置于工作面中部，為減少邊界效應(yīng)，工作面兩邊各留50 m煤柱，模型尺寸330 m×200 m×120 m，鉛垂方向取200 m，共劃分網(wǎng)格10 980個。

模擬工作面煤層厚度5.2 m，模擬開挖時，采用一次采全高方法直接開挖，工作面每推進10 m，對模型計算一次，分別截取模型每推進10 m應(yīng)力變化，據(jù)此來反映大采高工作面過陷落柱時的應(yīng)力變化情況。

模擬陷落柱內(nèi)部垂直應(yīng)力與工作面推進位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 陷落柱內(nèi)部垂直應(yīng)力與工作面推進相對變化

由圖2可知：

1) 陷落柱未受回采擾動狀態(tài)下，內(nèi)部垂直應(yīng)力為5.3 MPa，小于正常圍巖應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力。說明陷落柱的發(fā)育影響周邊煤巖體的應(yīng)力分布，塑性強度低于完整狀態(tài)時的煤巖強度，回采時需加強對大采高工作面煤巖交界區(qū)域的煤墻頂板管理。

2) 當工作面距陷落柱距離大于80 m時，陷落柱內(nèi)部不受回采過程擾動影響；當工作面推進至80 m后，陷落柱內(nèi)部應(yīng)力隨著工作面的推進逐漸增大，受回采擾動影響逐漸增大。當工作面推進至40 m時，陷落柱內(nèi)部應(yīng)力達到最大7.7 MPa。

3) 工作面推進距陷落柱40～20 m時，陷落柱內(nèi)部應(yīng)力隨工作面的推進應(yīng)力急劇下降。隨后應(yīng)力速率降低。說明當工作面接近陷落柱時，陷落柱內(nèi)部受到擾動產(chǎn)生裂隙，使其內(nèi)部會出現(xiàn)大面積卸壓區(qū)。在此區(qū)域可能會產(chǎn)生頂板垮落、煤墻片幫、產(chǎn)生導(dǎo)水通道等，推進陷落柱位置時需加強煤墻、頂板管理。

3 強過陷落柱工藝

三維地質(zhì)勘探顯示，位于1302工作面前方290 m有疑似陷落柱異常存在(實際揭露時賦存情況與三維勘探存在偏差)。結(jié)合陷落柱數(shù)值模擬情況，工作面強過陷落柱時，采用“陷落柱超前探測+超前注漿+松動爆破配合采煤機切割”的直接通過陷落柱的治理方式。根據(jù)回采時陷落柱在不同區(qū)段的應(yīng)力變化情況，回采時做好對煤墻頂板的防護。強過陷落柱時要保證工作面的回采進度，減少回采圍巖塑性擴大對煤墻頂板場所的二次破壞，確保回采作業(yè)安全高效。

3.1 超前探鉆孔預(yù)測

工作面距陷落柱15～20 m時，超前應(yīng)力影響到陷落柱區(qū)域，工作面出現(xiàn)大面積卸壓區(qū)，陷落柱區(qū)域范圍逐步與受工作面回采影響的圍巖塑性區(qū)貫通，為防止工作面揭露陷落柱前相互應(yīng)力影響產(chǎn)生片幫、漏頂，提前對陷落柱構(gòu)造進行探測，以進一步確定陷落柱區(qū)域及做好頂板、煤墻防護措施。在物探陷落柱邊界范圍用長短結(jié)合方式進行超前探測。一是施工15 m長鉆孔以探明工作面首先揭露范圍及未來15 m范圍內(nèi)陷落柱的揭露范圍；二是工作面正常推進后，每推進8 m，在陷落柱揭露范圍左右各10 m范圍內(nèi)8 m鉆孔探明推進方向8 m范圍內(nèi)的陷落柱邊界位置，便于提前對陷落柱煤巖交界區(qū)域管理。

3.2 注漿加固工藝

受工作面采動影響，回采至陷落柱時，工作面周邊圍巖的采動應(yīng)力與陷落柱內(nèi)部應(yīng)力疊加，使得陷落柱內(nèi)部破碎，產(chǎn)生裂隙。研究發(fā)現(xiàn)，煤巖破碎有裂隙時，注漿效果明顯，對煤巖裂隙膠結(jié)效果最好。為了確保煤墻頂板完好，注漿參數(shù)布置如下：孔深8 m，封孔4 m。下排孔距底板1.5 m，垂直煤墻打設(shè)；上排孔距頂板1 m，仰角5°打設(shè)，注漿孔水平間距5.2 m，三花布置，循環(huán)步距4 m。

3.3 松動炮輔助破巖

陷落柱柱體有局部堅硬巖石，采煤機截割困難，且對采煤機刀齒、齒套磨損嚴重，采煤機通心軸、搖臂均有不同程度損傷，且截割掉落大塊對輸送機和轉(zhuǎn)載機刮板損傷較大。直接截割對設(shè)備損耗大，且處理設(shè)備故障時間長，不利于快速通過陷落柱。為保證陷落柱安全高效通過，在工作面推進到陷落柱局部硬巖時，采取松動破碎輔助破巖。

炮眼布置參數(shù)(如圖3所示)，炮眼采用五排眼布置，第一排距頂0.3 m處，仰角9°；第五排距巖石底部0.3 m，俯角-9°；第二排距第一排排距為0.9 m；第三排距第二排排距為0.9 m；第四排距第三排排距為0.9 m；炮眼設(shè)計長度為1.8 m，眼距為0.5 m，采用三花布置，裝藥量400 g/眼，正向裝藥。

圖3 松動炮破巖炮眼布置(mm)

4 工程實踐

4.1 過陷落柱期間頂板管理

1302工作面陷落柱揭露情況為2個陷落柱平行賦存于工作面兩側(cè)，陷落柱XLC1和陷落柱XLC2均呈現(xiàn)不規(guī)則橢圓形，長軸平行于走向分布，短軸與工作面傾向平行。

1) 陷落柱XLC1短軸30 m，長軸50.4 m，主要產(chǎn)物為泥巖和砂質(zhì)泥巖，強度較低，采煤機可以直接截割。這一區(qū)段頂板矸石及煤巖交界位置易掉落，通過陷落柱1時防止頂板漏矸和煤墻片幫。主要采取措施為減少控頂距，及時移架，在破碎區(qū)域及時按要求注漿管理。采用支架不降架帶壓移架，及時將護幫板伸出方式，減少空頂和空幫時間，取得良好效果。

2) 陷落柱XLC2短軸40 m，長軸88 m，主要產(chǎn)物為白砂巖，硬度系數(shù)高，超過采煤機截割硬度指標，主要采用“松動爆破配合采煤機切割”方法進行回采，此區(qū)段煤墻完整性好。主要是做好頂板管理和控制采高，做好設(shè)備維護，減少大石塊對設(shè)備影響。保證泵站壓力達到31.5 MPa，乳化液濃度3%～5%，保證支架初撐力達到27.5 MPa，杜絕串、漏液，確保支架工作狀態(tài)良好。按要求嚴格控制采高，確保陷落柱區(qū)段硬巖區(qū)域采高不少于4.2±0.2 m，與工作面正常區(qū)段采高平穩(wěn)過渡，不出現(xiàn)錯茬。

4.2 過陷落柱期間設(shè)備管理

強過陷落柱期間，受工作面石塊影響采煤機日均更換刀齒32個，齒套、搖臂均有不同程度損傷，工作面運矸與運煤采用同一系統(tǒng)，硬石塊對刮板機、轉(zhuǎn)載機、膠帶等運輸設(shè)備損壞較為嚴重，設(shè)備故障對生產(chǎn)的影響較大。采用強過陷落柱工藝要加強設(shè)備檢修和維護，減少設(shè)備故障對生產(chǎn)的影響。

4.3 經(jīng)濟效益

根據(jù)1302工作面陷落柱賦存情況，采用強過陷落柱工藝，節(jié)省了搬家倒面和重開切眼時間，回收煤炭資源50萬t，創(chuàng)造收益3億元。

5 結(jié) 語

1) 采用FLAC3D數(shù)值模擬，得到了強過陷落柱時其內(nèi)部應(yīng)力隨工作面推進距離變化的情況，并據(jù)此分析得出裂隙產(chǎn)生時機，保證了注漿的最佳效果，確保了回采作業(yè)安全高效。

2) 采取了有效方案后，本次過陷落柱期間日均推進3.8 m，減少了強過陷落柱期間頂板煤墻因進度慢導(dǎo)致的二次破壞，較好地維護了工作面頂板和設(shè)備，保證了陷落柱安全高效快速通過。

3) 本次采用強過陷落柱工藝，為本礦及周邊礦井以后過類似構(gòu)造勘探揭露和回采強過陷落柱提供了方案和經(jīng)驗。