工作面過陷落柱回采工藝優化及支護技術

郝大偉

（晉能控股煤業集團塔山白洞井，山西 大同 037031）

1 概述

晉能控股煤業集團塔山白洞井8119 工作面位于C5#煤層301 盤區南部右翼，工作面南部為實煤區，東部為本盤區回風、材料、皮帶巷，西部靠近礦界煤柱與塔山井田相鄰。2119 巷南部為實煤區，5119巷北部與301 盤區西部8105、8107 面采空區相鄰，煤柱寬度為8 m。

8119 工作面設計走向長度1724 m，傾向長度221 m。工作面回采煤層為石炭系5#煤層，平均厚度7.95 m，平均傾角3°，煤層普遍有3～8 層夾石，夾石厚一般為0.10～0.30 m，局部達到0.70 m，夾石斷斷續續，不穩定。煤層頂底板巖性見表1。

表1 8119 工作面石炭系5#煤層頂底板巖性匯總表

8119 工作面采用走向長壁后退式綜采低位放頂煤采煤法，采空區頂板采用全部垮落法管理。采煤機從端部斜切進刀→割通三角煤→采煤機正常割煤→滯后采煤機前滾筒3～5 架及時支護→距采煤機后滾筒10 架開始順序推移前部刮板運輸機→放頂煤→拉后部刮板運輸機→端部斜切進刀→如此循環往復。截至2021 年7 月12 日工作面已回采680 m。

2 工作面地質現狀及回采難題

2.1 工作面地質現狀

前期鉆探資料以及巷道掘進資料顯示，工作面回采687 m 處位于回風順槽側揭露X5 陷落柱，陷落柱成不規則凸圓狀，如圖1 所示。陷落柱長軸沿順槽走向，長軸長度64 m，短軸長度43 m，陷落柱腔體內以炭質泥巖以及粗砂巖為主，粗砂巖位于陷落柱底部，厚度為2.8 m，陷落柱上部為雜亂無章的炭質泥巖，厚度為4.7 m。根據回風順槽過X5期間掘進現狀來看，巷道在過陷落柱期間圍巖穩定性差，頂板冒漏嚴重，支護難度大，所以X5 陷落柱對工作面回采影響大。

圖1 8119 工作面X5 陷落柱平面布置示意圖（m）

2.2 回采技術難題

2.1.1 回采效率低

8119 工作面采用低位放頂煤回采工藝，采煤高度為3.5 m，放煤高度為4.45 m。工作面采用MG400/930-WD 雙滾筒采煤機割煤，采煤機允許最大破巖強度為50 MPa。根據回風順槽揭露的陷落柱巖體來看，陷落柱底部巖體為粗砂巖，巖體厚2.8 m，巖體硬度為55 MPa。巖體硬度大，若采用采煤機強行破巖，采煤機截齒磨損嚴重，截割部負荷大，采煤機故障率可能增加，而且采煤機強行破巖過陷落柱時回采難度大、回采效率低。

2.1.2 圍巖控制難度大

8119 工作面回采時采用ZF12000/23/35 型液壓支架進行頂板支護。當工作面回采揭露陷落柱后，由于陷落柱腔體內上部巖體主要為炭質泥巖，巖體無穩定結構，整體呈破碎狀，工作面回采時受回采超前應力、構造應力等集中應力影響，陷落區圍巖穩定性差，特別是頂板承載能力低，過陷落區時頂板出現破碎、垮落現象，支架過陷落區不僅工作阻力不達標，很容易出現倒架、陷架事故，而且嚴重威脅著工作面回采安全。

3 回采工藝優化及支護技術

3.1 回采工藝優化

為了減少采煤機破巖量，降低采煤機回采期間故障率，決定對陷落柱區采取深孔預裂爆破施工[1-5]。

3.1.1 爆破參數確定

為了提高預裂爆破效果，通過現場試驗對不同直徑礦用乳化炸藥爆破后對圍巖產生裂隙情況進行分析。X5 陷落柱巖性參數見表2。

表2 X5 陷落柱巖性參數匯總表

通過現場爆破預裂試驗發現，鉆孔內炸藥爆破后產生的瞬間沖擊波逐漸向應力波轉化，且隨著距離擴展以及爆破能量消耗，應力波呈逐漸衰弱趨勢。對爆破后圍巖裂隙長度測算發現，炮孔爆破后圍巖產生的裂隙區半徑約為藥卷直徑的30～35 倍 ，如表3 所示；而X5 陷落區粗砂巖厚度為2.8 m，由表3可得采用直徑為45 mm 的爆破藥卷爆破后產生的圍巖裂隙能夠完全擴展至整個巖面。

表3 不同直徑藥卷爆破后圍巖裂隙擴展半徑

3.1.2 爆破施工工藝

（1）爆破預裂孔施工在回風側煤壁上，鉆孔開孔位置距底板距離為1.4 m，鉆孔垂直煤壁布置，鉆孔直徑為55 mm，鉆孔深度為25 m，布置間距為3.0 m，第一個鉆孔布置在距陷落柱上邊緣3.0 m 處，共計施工22 個鉆孔，施工長度為66 m。

（2）爆破預裂鉆孔施工完后，對鉆孔內填裝5支礦用乳化炸藥。每支乳化炸藥長度為0.35 m，直徑為45 mm，單孔裝藥量為1.8 kg，采用正向分段式裝藥方式。每裝完一支藥卷后采用黃土與細沙配比為3:1 混合粘性材料進行封孔，封孔深度為1.0 m。每次爆破孔數不超過3 個。

3.2 支護技術

為了防止工作面過陷落柱期間發生頂板垮落事故，決定對陷落柱區頂板采取注漿加固，并施工超前管棚支護。

3.2.1 注漿加固

（1）陷落柱區域爆破預裂后回采前，在工作面煤壁上施工一排注漿鉆孔，鉆孔開口位置距頂板間距為1.2 m，鉆孔深度為5.0 m，直徑為40 mm，鉆孔布置間距為3.0 m，鉆孔布置仰角為50°，如圖2 所示，每排布置10 個注漿鉆孔。

圖2 8119工作面過X5陷落柱聯合支護平面示意圖（mm）

（2）注漿鉆孔施工完后，對鉆孔內安裝注漿軟管，注漿軟管外露端連接閥門、壓力表以及混合器、注漿泵，并對注漿鉆孔孔口處采用膨脹水泥進行封孔處理。

（3）為了降低注漿材料發熱現象，縮短注漿液凝固時間，決定采用聚氨酯化學材料作為注漿液，相比馬麗散漿液聚氨酯具有反應放熱小、凝固速度快、粘接效果好以及凝固體強度高等優點。單孔注漿量為60 kg，注漿壓力為3.5 MPa。

3.2.2 超前管棚支護

工作面注漿完成后，在回采期間為了防止支架支護不及時出現端面破碎、冒漏現象，決定對陷落柱區施工一排超前管棚支護。

（1）超前管棚支護體采用長度為4.0 m（兩節中空鋼管對接）、直徑為30 mm 中空鋼管，鋼管端部設置為削尖狀，方便插入鉆孔內，削尖狀長度為0.5 m。管棚支護體布置在工作面設計頂板位置，與工作面煤壁垂直布置，每個支架前方布置三根，布置間距為0.8 m。

（2）工作面回采至685 m 處（距先陷落柱邊緣2.0 m）時開始對工作面頂板施工超前管棚支護，支護施工前先將工作面浮煤清理干凈，保證煤壁平直且支架支護到位。支護鉆孔布置在107#～127#支架前方。

（3）采用手持式鉆機進行鉆孔施工，鉆孔施工完后依次對鉆孔內安裝超前管棚支護體，超前支護安裝后工作面在后期移架時支架頂梁緊貼超前支護體。當工作面回采3.0 m 后施工第二排超前支護體。

4 應用效果

2021 年7 月25 日早班8119 工作面已回采至752 m，已過X5 陷落柱區。通過對陷落區采取爆破預裂施工以及注漿、超前管棚等聯合支護后，效果良好。

（1）對8119 工作面陷落柱采取深孔預裂爆破后，陷落柱腔體內堅硬巖體提前預裂，形成高度發育的裂隙帶，降低了后期采煤機破巖難度，提高了采煤機回采速度，采煤機破巖期間設備故障率由原來的14%降低為5%，設備維修費用減少了40 余萬元，工作面回采速度提高至6.2 m/d。

（2）對陷落柱采取注漿加固后，提高了陷落區破碎圍巖膠結穩定性以及單軸抗壓強度。對陷落區頂板施工超前管棚支護，防止了回采期間因支架前移不及時發生頂板冒漏事故，保證了支架初撐力及工作阻力，實測支架在過陷落柱區域時初撐力及工作阻力達95%以上。