回采工作面過陷落柱區域頂板綜合控制技術應用實踐

張國新

（長治紅興煤業有限公司，山西 長治 047100）

1 工程概況

紅興煤礦150102 工作面位于礦井一采區南部，運輸順槽掘進至距離工作面開切眼619～632 m 處揭露DX1 陷落柱，該陷落柱長17 m、寬8 m，影響范圍為賦存區域前后70 m 左右。掘進期間，受陷落柱影響，頂板破碎，巷道支護困難，回采期間，迎頭煤壁片幫，部分區域頂板破碎，給工作面安全快速回采造成一定影響。

2 陷落柱影響分析

2.1 陷落柱影響預計

由于陷落柱影響，煤層及煤層上覆巖層完整性遭到破壞，巷道開挖，原巖應力狀態改變，陷落柱構造應力釋放。工作面回采至陷落柱影響區域時，超前支承壓力與陷落柱構造應力疊加，工作面礦壓顯現明顯，如不采取有效措施，會出現大面積冒頂，對工作面安全回采造成極大影響。

2.2 陷落柱影響區域分析

（1）陷落柱構造造成運輸順槽應力集中，精準確定構造影響區域，是采取預防性治理措施的關鍵。在工作面運輸順槽CT 反演，通過捕捉高波速梯度特征，對巷道周圍煤巖體所受應力狀態進行精準探測，作為制定針對性治理措施的依據。150102工作面CT 探測區域為構造影響區域前后150 m 范圍，施工爆破孔60 個，共接收震波數據986 道。試驗過程中，設定采樣頻率為2000 Hz，檢波器工作頻段5～10 000 Hz，增益40 dB，采樣長度0.5 s，激發孔內每孔200 g 炸藥，短斷觸發，每炮激發，21 道接收。通過CT 探測確定構造導致的應力集中區域為構造前后約70 m 范圍，以此作為重點治理區域。如圖1。

圖1 運輸順槽側切面波速異常系數分布云圖

（2）礦壓數據驗證。150102 工作面正常回采期間回風順槽端頭周期來壓步距14.2～27 m，平均20.6 m；工作面中部周期來壓步距12.3～27 m，平均19.7 m；運輸順槽端頭周期來壓步距11.9～27.8 m，平均19.9 m。鄰近陷落柱影響區域，工作面中部及運輸順槽側端頭周期來壓步距基本無變化，運輸順槽端頭側周期來壓步距為12.6～18.8 m，平均15.7 m，步距明顯減小，說明受陷落柱構造切割，煤層及其上覆巖層完整性受到破壞[1]。如何最大程度保證工作面直接頂的完整性，防止漏頂、冒頂，是安全快速通過該區域的關鍵。

（3）陷落柱影響強度分析。根據150102 工作面順槽支架工作阻力統計，當工作面回采至陷落柱影響范圍內，運輸順槽側端頭支架工作阻力出現小幅增加，支架阻力平均值由25 MPa 升高至34 MPa，整體呈現先波動上升，再平緩波動，隨后呈現出波動下降的趨勢，最后趨于平緩。工作面正常回采期間運輸順槽端頭支架動壓系數1.03～1.33，平均1.18；工作面中部液壓支架動壓系數1.03～1.22，平均1.13；回風順槽端頭支架動壓系數1.07～1.31，平均1.19。鄰近陷落柱影響區域，工作面中部及回風順槽側端頭液壓支架動載系數基本無變化，運輸順槽側端頭支架動壓系數1.21～1.31，平均1.22，略高于未受陷落柱構造影響區域。說明陷落柱構造破壞了原來的應力平衡狀態，引起煤巖體內部的應力重新分布，受工作面回采擾動，陷落柱構造應力得到進一步釋放，與工作面采動應力疊加出現了應力集中[2]，導致受影響區域頂板及煤壁原生裂隙發育，完整性差，但由于采取了綜合措施，陷落柱構造對工作面來壓強度影響較小。如圖2。

圖2 運輸順槽超前支架平均工作阻力變化曲線

3 綜合治理

3.1 強化陷落柱影響區域主動支護

鑒于運輸順槽施工至陷落柱構造影響區域時，礦壓顯現明顯、出現冒頂、支護困難的情況，為實現該區域頂板及煤壁有效控制，防止工作面回采擾動導致塑性破壞區域增大，通過縮小主動支護間排距、施工幫部錨索、增大頂板錨索長度等方式增大支護強度，擴大有效支護半徑。該區域頂板及幫部均采用錨桿+錨索+W 型鋼帶+金屬網聯合支護方式。錨桿選用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規格Φ22 mm×2500 mm，選用拱形鋼托盤，托盤長×寬×厚=150 mm×150 mm×10 mm；錨索規格Φ22 mm×7300 mm（幫部錨索長度5500 mm），間排距1600 mm×1600 mm，每排2 根錨索。相較于正常區域，錨桿支護間排距由900 mm×900 mm 縮小至800 mm×800 mm，增大支護密度；用W 型鋼帶代替鋼筋梯，增大護表面積和強度；頂板錨索長度由5500 mm 改為7300 mm，可采側煤幫部增加5500 mm 錨索，增大有效支護半徑。

3.2 加固陷落柱影響區域煤體

基于掘進期間礦壓顯現情況，為防止煤壁受工作面超前支承壓力及陷落柱構造應力疊加影響，導致煤壁塑性破壞[3]，工作面回采至距離陷落柱影響區域300 m 前，對陷落柱影響區域運輸順槽側煤壁加注馬麗散進行加固。根據陷落柱實際賦存情況，確定加注馬麗散施工參數，加固范圍為陷落柱前后40 m范圍。注射孔沿巷道腰線布置，注射孔間距5 m，平行于煤層底板布置，孔深6 m。馬麗散通過頂板圍巖裂隙滲透，在錨桿、錨索孔進行擴散，達到其全場錨固的效果，在提高煤壁完整性的同時，增大煤壁抗壓強度，確保對頂板的有效支撐[4]。如圖3。

圖3 加注馬麗散系統設備及工藝圖

3.3 強制放頂

工作面回采后，頂板會隨工作面的回采垮落，基本頂及基本頂以上巖層垮落不及時形成的巖梁，將產生超前支承壓力，會對回采工作面頂板維護造成影響[5]。工作面鄰近陷落柱構造前，對回風順槽側端頭處進行強制放頂，在工作面端頭支架頂梁前方向煤壁側沿工作面走向施工爆破孔，爆破孔直徑為85 mm，6 m 一組，每組兩個孔，孔間距5 m，孔深32 m，終孔位置巖性為細砂巖，裝藥長度17 m，封孔長度15 m，裝藥量42.5 kg，正向連續裝藥，導爆索串聯，毫秒延期電雷管起爆。通過對運輸順槽側的強制斷頂，切斷端頭懸頂造成的超前支承壓力傳遞，最大程度降低超前支承壓力與陷落柱構造應力疊加對端頭頂板管理的影響。強制放頂爆破參數見表1。

表1 強制放頂爆破參數表

3.4 優化回采工藝

減小最大空頂面積是解決采煤機截割期間漏頂、冒頂的有效措施。鑒于150102 工作面液壓支架端面距為340 mm，采煤機正規截深為800 mm，同時兼顧考慮支架頂梁仰俯對采煤機截深影響，確定在工作面通過陷落柱構造影響區域時，將采煤機截深減小200 mm，控制在600 mm。在此期間，為防止支架傾角變化導致煤機割支架前梁，需確保支架頂梁與頂板平行，最大仰附角不得大于5°，采用緊跟采煤機前滾筒移架的方式，最大程度減小最大空頂面積，縮短空頂時間。

為盡快通過陷落柱影響區域，在保證工作面刮板輸送機不上竄下滑的前提下，按照4:1 進行調采，即一個采煤循環截割三個溜尾、一個溜頭。調采三個采煤循環后，為防止刮板輸送機上竄下滑，進行一個正規循環，按照1:1 進行截割，即一個采煤循環截割一個溜頭一個溜尾。實施過程中如出現刮板輸送機上竄下滑，調整采煤循環參數。

4 實踐成果

強化主動支護、加固煤體的措施，保證構造應力影響區域煤體對頂板進行有效支撐；強制放頂，解決超前支承壓力與構造應力疊加問題；減小采煤機截深，改變正規采煤循環，最大程度減小空頂面積，縮短空頂時間，以最快的速度通過構造影響區域。通過以上綜合措施的有效實施，150102 工作面通過陷落柱構造影響區域時，除個別支架出現頂板破碎外，未出現大面積冒頂、漏頂現象，最終安全、快速通過構造影響區域。