采煤工作面過陷落柱技術(shù)研究

李承康

(山西汾西正旺煤業(yè)有限責任公司,山西 孝義 032300)

煤層中發(fā)育的陷落柱常常影響到煤層的連續(xù)性及穩(wěn)定性,在陷落柱周邊應(yīng)力分布不均衡,不僅會影響采掘工作面布置,還會影響煤炭生產(chǎn)效率[1-2]。在陷落柱周邊煤巖體破碎、陷落柱內(nèi)部為充填物,一般裂隙較為發(fā)育,若附近存在含水層時陷落柱往往是良好的導(dǎo)水通道。現(xiàn)階段,采煤工作面過陷落柱的方法一般有留設(shè)煤柱、平推硬過等方式。采用留設(shè)煤柱的方式可提高過陷落柱的安全性,但是也存在采面需要搬家、煤炭資源損失量大以及影響生產(chǎn)等問題;平推硬過陷落柱時,則存在頂板管理難度大、異常涌水等問題[3-6]。文中以山西某礦3605采煤工作面過陷落柱為工程背景,采用工程類比法確定采面過陷落柱方式并給出過陷落柱技術(shù)措施。

1 工程概況

3605采煤工作面設(shè)計推進長度1 678 m、切眼斜長160 m.采面開采的6號煤層煤層松軟,厚度均值4.6 m、傾角0°～6°,賦存穩(wěn)定,全區(qū)可采。6號煤層頂板巖性以砂質(zhì)泥巖以及炭質(zhì)泥巖為主,直接頂為厚度2.5～3.2 m的炭質(zhì)泥巖、泥巖互層,基本頂為砂質(zhì)泥巖,頂板巖體承載能力差;底板以粉砂巖、泥巖為主。受到6號煤層自身松軟且頂板承載能力差等因素影響,采面回采巷道掘進期間曾出現(xiàn)頂板下沉量大、護頂金屬網(wǎng)出現(xiàn)網(wǎng)兜等情況。3605采煤工作面回采范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件簡單,頂?shù)装鍩o影響生產(chǎn)的含水層且底板隔水層厚度較大。

3605采煤工作面回采巷道掘進揭露及采面瓦斯抽采鉆孔鉆進顯示,在采面推進至910 m位置處發(fā)育有X116陷落柱,該陷落柱短軸長20 m、長軸長60 m,走向位于采面推進910～970 m、傾向與回風(fēng)巷有20～60 m間距,具體位置如圖1所示。由于6號煤層松軟、頂板承載能力差,預(yù)計在X116陷落柱影響范圍內(nèi)頂板及煤體更為破碎,采面回采期間容易面臨冒頂、片幫等各類問題。

圖1 陷落柱位置示意

2 采面過陷落柱技術(shù)

2.1 過陷落柱方法確定

結(jié)合鄰近礦井6號煤層采煤工作面過陷落柱方法,通過分析各采面及陷落柱情況,最終采用工程類比法確定3605采煤工作面過X116陷落柱技術(shù)方法。

礦井鄰近的范各莊煤礦2672采煤工作面回采范圍內(nèi)有X12陷落柱,該陷落柱長軸×短軸=75 m×55 m,且陷落柱位置存在DF12斷層(H=123 m、45°∠75°),陷落柱附近地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。通過探測發(fā)現(xiàn),X12陷落柱內(nèi)部膠結(jié)性較差,具有一定的導(dǎo)水性,預(yù)計與鄰近的DF12斷層有一定的水力聯(lián)系。為確保2672采煤工作面安全回采,采面通過留設(shè)煤柱方式過陷落柱。

徐莊礦3603綜采工作面開采范圍內(nèi)有X103陷落柱,該陷落柱長軸×短軸=67 m×23 m,采面使用采煤機截割+震動放炮方式過陷落柱,并通過多循環(huán)作業(yè)、采面注漿、降低采高方式控制頂板,取得了較好的應(yīng)用效果。

通過上述分析發(fā)現(xiàn),當陷落柱分布區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單且不含水、不導(dǎo)水時,礦井多采用平推硬過方式過陷落柱;而當陷落柱所在位置地質(zhì)構(gòu)造本身復(fù)雜、陷落柱導(dǎo)水或者富水、陷落柱尺寸大時,為確保采面回采安全,往往采用留設(shè)保護煤柱的方式過陷落柱。3605采煤工作面回采范圍內(nèi)的X116陷落柱不含水,不具備導(dǎo)水性,若留設(shè)煤柱過陷落柱雖可行,但是采面需另掘切眼、綜放設(shè)備需要搬家、采面通風(fēng)需要調(diào)整,整個過程較為繁瑣。為此結(jié)合采面現(xiàn)場情況提出采用平推硬過方式過X116陷落柱,并針對陷落柱影響范圍內(nèi)頂板破碎、煤體松軟等問題,提出在回風(fēng)巷內(nèi)向陷落柱施工管棚維護頂板穩(wěn)定、向陷落柱注漿避免出現(xiàn)片幫引起頂板冒落問題。

2.2 過陷落柱技術(shù)方法

2.2.1 加固鉆孔布置

3605采煤工作面平推硬過X116陷落柱面臨的主要難題為陷落柱內(nèi)及影響范圍內(nèi)頂板、煤壁控制。為此提出采用管棚加固技術(shù)構(gòu)造人工假頂,確保采面過陷落柱期間頂板穩(wěn)定;向陷落柱內(nèi)注漿,提高陷落柱內(nèi)巖體穩(wěn)定性,避免過陷落柱期間出現(xiàn)片幫問題[7-8]。

鉆探探測結(jié)果顯示,X116陷落柱中部結(jié)構(gòu)較為完整、密實,而邊緣位置較為破碎、松軟,為此管棚及注漿應(yīng)強化陷落柱與煤層邊緣位置控制。在采面過X116陷落柱期間不再放頂煤。

在采面回風(fēng)巷內(nèi)布置上下2排鉆孔,其中上排鉆孔位于巷道頂板下方500 mm處、鉆孔應(yīng)穿越陷落柱邊緣10 m并送入管棚,鉆孔均有3°仰角、開孔間距為1 000 mm、孔深均為70 m;下排鉆孔位于巷道頂板下方1 200 mm處,主要用以加固采面不破碎巖體,鉆孔要超過陷落柱邊緣5 m,孔深控制在25～70 m、鉆孔間距為5 m、仰角1°.具體鉆孔布置如圖2所示。

圖2 注漿鉆孔布置示意

采面內(nèi)上排鉆孔主要用以改造頂板,采用管棚加固,鉆孔內(nèi)插入管徑73 mm、壁厚6 mm的無縫鋼管,單節(jié)長度2 000 mm,所有的鉆孔均插入35節(jié)無縫鋼管,鋼管間采用扣絲連接。下排鉆孔主要用以陷落柱內(nèi)加固,為確保采煤機順利截割,在下排鉆孔內(nèi)插入PVC膠管進行注漿。

2.2.2 注漿材料

3605采煤工作面過X116陷落柱時混合使用緩凝、速凝兩種注漿材料,具體為:

1) 緩凝注漿材料主要成分為52.5級普通硅酸鹽水泥、添加劑(XPM納米灌注劑),注漿材料水灰質(zhì)量比控制在1∶(1～0.15)間,漿液水灰質(zhì)量比依據(jù)現(xiàn)場注漿區(qū)域裂隙擴展情況確定。緩凝材料膠結(jié)時間為5～12 h,固結(jié)后抗壓強度在5 MPa以上,可充填較小縫隙。

2) 速凝注漿材料為水泥、水玻璃混合漿液,其中水泥、水玻璃按照體積比(1∶0.5)～(1∶0.8),速凝注漿材料初凝時間為1～3 min.

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

在3605回風(fēng)巷向X116陷落柱施工鉆孔進行加固,其中上排、下排鉆孔分別施工81個、17個,鉆孔鉆進總深度為6 380 m,上排鉆孔共使用5 600 m無縫鋼管。上排鉆孔、下排鉆孔平均單孔注漿量分別為0.5 t、5.0 t,鉆孔共計消耗注漿材料約155 t.

3605采煤工作面回采至X116陷落柱影響范圍時,采面揭露下排注漿鉆孔,鉆孔周邊2 m范圍內(nèi)裂隙被注漿漿液充填,同時注漿漿液膠結(jié)區(qū)巖體穩(wěn)定,表明注漿漿液擴散性能較好、膠結(jié)能力較強。在采面過陷落柱期間頂板始終保持穩(wěn)定,僅有少量下沉,未出現(xiàn)片幫或者冒頂?shù)惹闆r。3605采煤工作面在地質(zhì)條件正常情況下推進速度為3.0 m/d,在陷落柱影響范圍內(nèi)推進速度為2.7 m/d,雖然有所減小,但是整體推進速度仍較快,采面耗時30 d通過X116陷落柱影響區(qū)。

4 結(jié) 語

3605采煤工作面回采范圍內(nèi)發(fā)育有X116陷落柱(短軸長20 m、長軸長60 m),且該陷落柱不含水,不具備導(dǎo)水性,采用工程類比法確定采面過陷落柱方法,最終確定采用平推硬過方式。由于3605采煤工作面開采的煤層及頂板松軟,在X116陷落柱影響范圍內(nèi)煤體及頂板裂隙更為發(fā)育,制約3605采煤工作面高效過X116陷落柱的主要問題是頂板控制難度大。

結(jié)合現(xiàn)場情況及X116陷落柱在采面內(nèi)發(fā)育位置,提出在回風(fēng)巷內(nèi)布置鉆孔進行加固,其中上排鉆孔插入管棚并注漿,從而構(gòu)建人工假頂,避免過陷落柱及影響區(qū)時出現(xiàn)冒頂或者頂板下沉量大的問題;下排鉆孔用以采面中上部破碎煤巖體加固,避免片幫引起冒頂問題,同時鉆孔內(nèi)下放PVC管注漿,便于采煤機截割。現(xiàn)場應(yīng)用后,3605采煤工作面過陷落柱期間可保持2.7 m/d的推進速度,頂板保持穩(wěn)定,未出現(xiàn)片幫或者冒頂?shù)葐栴}。