夏店煤礦工作面過陷落柱煤壁片幫防治技術(shù)

李世慧

（潞安化工集團慈林山煤業(yè)公司夏店煤礦，山西 長治 046299）

1 工程概況

夏店煤礦3119 工作面位于3 采區(qū)下部，主采3#煤層，運輸巷長1150 m，回風巷長度為908 m，高抽巷全長為910 m，切眼長度217 m，可采長度853 m。煤層煤厚6.5～7.1 m，平均6.8 m。全煤間夾有一層炭質(zhì)泥巖夾矸，厚度0.10～0.35 m，平均0.30 m，埋深438～510 m。工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

3119 工作面采用放頂煤開采，工作面采高為（3±0.1）m，其余為放頂煤高度，采放比為1:1.27。根據(jù)工作面綜合物探結(jié)果，工作面回采空間內(nèi)存在有多個地質(zhì)構(gòu)造，其中JDX16 陷落柱距第一開切眼600 m，其長度為60 m，寬度50 m，基本處于工作面中部區(qū)域，將對工作面回采造成較大的影響。工作面及陷落柱位置情況如圖1。

圖1 3119 工作面及陷落柱位置示意圖

2 工作面過陷落柱應(yīng)力演化及頂板結(jié)構(gòu)特征[1-4]

2.1 應(yīng)力演化規(guī)律

綜采面推進過陷落柱的過程中，圍巖應(yīng)力重新分布，根據(jù)極限平衡理論，陷落柱的塑性區(qū)半徑的計算公式為：

式中：R0為侵入工作面陷落柱半徑，取30 m；φ為巖體內(nèi)摩擦角，取28°；C為煤巖體平均內(nèi)聚力，取0.9 MPa；p0為井下原巖水平應(yīng)力，MPa；pi為陷落柱對周圍巖體的水平應(yīng)力，取0.15 MPa。

其中原巖水平應(yīng)力p0可由下式確定計算：

式中：γ為上覆巖層平均容重，取25 kN/m3；H為煤層埋深，474 m。計算得出井下水平應(yīng)力為15.41 MPa。代入式（1）得出陷落柱的塑性區(qū)半徑為14.1 m。

工作面推進過陷落柱時，超前支承應(yīng)力會與陷落柱構(gòu)造應(yīng)力耦合疊加，對工作面的安全回采造成影響。根據(jù)陷落柱塑性區(qū)半徑理論計算值結(jié)合礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，對工作面進出陷落柱前后的應(yīng)力演化規(guī)律進行分析如下：

（1）當工作面推進至距陷落柱90 m 左右的范圍時，超前支承應(yīng)力開始與陷落柱構(gòu)造應(yīng)力相互疊加影響，應(yīng)力集中程度不明顯，隨著工作面繼續(xù)回采，應(yīng)力集中程度將逐漸增大。

（2）當工作面推進至距陷落柱40～20 m 范圍時，超前支承應(yīng)力峰值與陷落柱構(gòu)造應(yīng)力峰值疊加，耦合應(yīng)力達到最大值，應(yīng)力集中程度高，導(dǎo)致煤柱內(nèi)的裂隙逐漸貫通。

（3）當工作面推進至距陷落柱20 m 以內(nèi)時，煤柱破壞程度明顯增大，塑性區(qū)全部貫通，無法有效支撐頂板，使得工作面來壓加??；工作面推進至陷落柱內(nèi)時，由于圍巖較破碎，應(yīng)力集中程度較低。

（4）當工作面推進出陷落柱后，超前支承應(yīng)力與陷落柱構(gòu)造應(yīng)力再次疊加耦合，且隨著工作面推出陷落柱距離的增加，應(yīng)力疊加耦合的程度逐漸減弱。當工作面推出陷落柱9 m 時，應(yīng)力疊加的程度最高，隨后二者的應(yīng)力疊加區(qū)逐漸減少，應(yīng)力集中程度明顯降低。工作面推出陷落柱60 m 后，工作面前方應(yīng)力恢復(fù)正常。

2.2 頂板結(jié)構(gòu)特征變化

根據(jù)工作面過陷落柱圍巖應(yīng)力演化規(guī)律可知，工作面推進至距陷落柱40 m 到工作面推出陷落柱60 m 之間為應(yīng)力疊加影響區(qū)，因此，需重點分析該區(qū)域的頂板結(jié)構(gòu)特征。

（1）當工作面推進至陷落柱40～20 m 時，應(yīng)力集中程度逐漸增大，煤柱仍存在一定的彈性核區(qū)，頂板在煤柱的支撐下未發(fā)生明顯變形，如圖2（a）。

（2）當工作面推進至距陷落柱20 m 以內(nèi)時，煤柱內(nèi)塑性區(qū)完全貫通，頂板失去完整支撐，巖塊A 發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，同時約束巖塊B 的水平力減弱，導(dǎo)致巖塊B 發(fā)生滑落失穩(wěn)，工作面煤壁受到頂板的擠壓極易片幫。

（3）當工作面推出陷落柱后，頂板呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示。隨著工作面的繼續(xù)推進，工作面上方懸頂面積逐漸增大，達到頂板巖層彎矩極限后，頂板發(fā)生斷裂，且由于陷落柱周圍巖體較破碎，巖層間的摩擦力及水平推力都較低，導(dǎo)致斷裂頂板回轉(zhuǎn)下沉，支架承壓增大。另外，工作面剛出陷落柱時仍處于應(yīng)力疊加區(qū)，煤體較破碎，在頂板來壓的作用下煤壁片幫程度加重，且極易引起大范圍冒頂。隨著推出距離的增加，工作面上方頂板逐漸恢復(fù)到正常的砌體梁結(jié)構(gòu)。

圖2 工作面過陷落柱應(yīng)力分布及頂板結(jié)構(gòu)示意圖

3 煤壁片幫防治技術(shù)

3.1 分階段控制管理

（1）過陷落柱之前

當工作面推進至距陷落柱40～20 m 時，圍巖應(yīng)力集中程度逐漸增高，應(yīng)采取以下措施：① 降低工作面推進速度，減少架后放煤量；② 支架保持足夠的初撐力，及時移架，防止頂板進一步下沉；③ 割煤后及時打開護幫板支撐煤壁。

（2）進入應(yīng)力復(fù)雜階段

當工作面推進至距陷落柱40 m 到工作面剛出陷落柱之間時，超前支承應(yīng)力與陷落柱構(gòu)造應(yīng)力的耦合疊加程度由強到弱再變強，頂板結(jié)構(gòu)由砌體梁轉(zhuǎn)化為懸臂梁，應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜，應(yīng)采取以下防治措施：① 在兩順槽超前工作面一定距離對陷落柱內(nèi)煤體進行注漿加固；② 控制工作面推進速度，支架后方不放頂煤，加強追機移架；③ 對煤壁出現(xiàn)片幫的區(qū)域進行噴漿加固。

（3）過陷落柱后

工作面剛出陷落柱至推出陷落柱60 m 范圍內(nèi)仍屬于應(yīng)力疊加區(qū)，控制措施與第二個階段一致，但支架后方可進行放煤。工作面推出陷落柱60 m后，恢復(fù)正常生產(chǎn)。

3.2 注漿加固方案

（1）鉆孔布置

根據(jù)煤層賦存特征及巷道布置情況，在膠帶巷布置單排鉆孔，鉆孔孔口距底板1.5 m，孔徑65 mm，鉆孔深度70 m，孔間距為5 m。每個鉆孔按照先后順序進行編號，編號為單數(shù)的鉆孔為水平注漿孔，主要加固支架上方圍巖；編號為雙數(shù)的鉆孔向下傾斜1°～2°施工，主要加固機采高度內(nèi)的煤壁。在回風巷內(nèi)布置“三花鉆孔”，分為上下兩排，上排鉆孔孔口距底板2 m，按仰角3°施工，下排鉆孔孔口距底板1 m，按仰角2°施工，孔徑65 mm，鉆孔深度70 m，每排內(nèi)鉆孔間距為10 m。所有鉆孔的封孔長度均為15 m。鉆孔具體布置如圖3。

圖3 注漿鉆孔布置圖（m）

（2）注漿時機及注漿壓力

根據(jù)圍巖應(yīng)力演化分析，工作面距陷落柱40～20 m 范圍內(nèi)煤巖體的裂隙較發(fā)育，有利于漿液的擴散，提高破碎圍巖的穩(wěn)定性。為保證漿液擴散滲透至整個陷落柱周圍的煤巖體，設(shè)置鉆孔注漿時的最大泵壓為10～13 MPa。

4 應(yīng)用效果

（1）在距陷落柱較遠，工作面回采正常期間，推進速度為2.98 m/d。

（2）由于陷落柱較預(yù)計時間提早揭露，未能及時注漿加固，工作面推進通過該區(qū)域時，煤壁出現(xiàn)較大范圍的片幫，片幫次數(shù)50 余次，最大片幫深度為1.2 m，同時工作面中部支架還出現(xiàn)了冒頂現(xiàn)象，高度為1.5 m 以上。在此期間，工作面的推進速度為0.83 m/d，為正?；夭蓞^(qū)域的27.8%。

（3）工作面注漿加固后，煤壁片幫的次數(shù)下降至10 余次，最大片幫深度350 mm，且工作面頂板較完整，未出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。此期間工作面的推進速度為2.37 m/d，為正?；夭蓞^(qū)域的79.5%。說明該片幫防治技術(shù)有效保證了工作面正常通過陷落柱。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)夏店煤礦3119 工作面的工程地質(zhì)條件，通過理論分析并結(jié)合礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，明確了工作面推進通過陷落柱前后，工作面圍巖應(yīng)力及頂板結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。

（2）根據(jù)工作面過陷落柱應(yīng)力演化規(guī)律，提出了分階段煤壁片幫防治措施，并對注漿鉆孔的布置方案進行了設(shè)計。

（3）將該技術(shù)方案應(yīng)用于現(xiàn)場，工作面過陷落柱注漿加固區(qū)時，煤壁片幫10 余次，最大片幫深度350 mm，未出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象；同時工作面的推進速度為2.37 m/d，為正?；夭蓞^(qū)域的79.5%，應(yīng)用效果良好。