极复杂条件下大采高工作面帮、顶治理应用技术

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极复杂条件下大采高工作面帮、顶治理应用技术

姚文宏，温新，唐孝红

(淮南矿业集团 潘二煤矿，安徽淮南232091)

摘要以淮南矿业集团潘二煤矿11223大采高工作面地质条件及开采技术条件为背景，运用深孔预裂爆破、顶板预注水泥浆、煤层注水、浅孔注高分子化学材料等技术手段，探索出一套完整的在极松软煤层、坚硬顶板、复合顶板、构造复杂条件下大采高工作面回采过程中帮、顶的治理技术，为工作面安全回采创造了条件，值得推广与应用。

关键词地质构造；大采高；顶板加固

收稿日期：2014-10-27

作者简介：姚文宏(1961—)，男，安徽肥东人，1983年毕业于徐州煤炭工业学校，工程师，主要从事煤矿安全生产救护工作

中图分类号：TD823.8

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)01-0039-04

AbstractGeological and mining conditions of 11223 working face with large mining height in Huainan Mining Group Pan'er coal mine is as the background. The technology such as deep hole presplitting blasting, preliminary injection of cement paste to roof, coal seam water infusion, shallow hole injection by polymer chemical materials are applied. A complete set of technology is concluded that is applied for large mining height working face side and roof in the process of mining under the condition of very soft coal seam, hard roof, combined roof and complex structure. It creates conditions for working face safe mining, and has the worth of popularization and application.

1工作面概况

1.1工作面开采条件

范围：11223工作面位于淮南矿业集团潘二煤矿东一采区，回风巷长1 590 m,进风巷长1 760 m，工作面可采走向长1 470 m，倾斜长183 m，可采储量约203万t.

标高：回风巷-460.1～-498.6 m，进风巷-500.1～-554.8 m.

煤层倾角：最大倾角28°，工作面切眼平均倾角14°，东段平均倾角为18°.

涌水量：预计工作面开采底板灰岩最大涌水量为59.13 m3/h，顶板砂岩最大涌水量为17.8 m3/h，合计76.93 m3/h.

其它条件：11223工作面位处突出危险区内，瓦斯涌出主要来源于3、1煤层，预计回采期间瓦斯绝对涌出量36.41 m3/min.3、1煤层自燃等级均为自燃，自然发火期45天。

回采方向：自西向东回采。

1.2煤层顶底板状况

工作面直接顶:回风巷切眼向东349 m，进风巷切眼向东531 m范围内3煤直接顶板为3.8～22 m，平均10 m的细砂岩。回风巷切眼向东349 m处直接顶开始发育泥岩，进风巷切眼向东531 m处直接顶开始发育泥岩。泥岩的厚度为0.2～8.2 m，平均厚约5.0 m，薄～中厚层状，浅灰色，细腻，有滑感，裂隙及滑面发育，含少量植物化石碎片，已炭化。工作面两巷掘进过程中，泥岩顶板经常发生漏顶现象。

老顶大部为细砂岩，灰白色，石英为主，细粒结构，最厚达22.7 m，平均厚10 m，f=5.88.局部老顶为砂质泥岩。

根据取芯和安徽理工大测试报告，11223切眼处3煤直接顶板为平均16.4 m厚的中粗砂岩，层理发育，抗压强度为58.8 MPa，抗拉强度为7.0 MPa.

工作面直接底：泥岩灰～深灰色，泥质胶结,见植化碎片，厚度 1.36～2.0 m，平均1.5 m.

1.3煤层状况

1) 工作面3煤西段为1层，厚3.0～8.4 m平均5.5 m， 3煤与1煤层间距1.2～3.5 m,平均为1.5 m.

2) 工作面东段走向200 m范围内3煤开始分为上、下两层，上分层平均厚度为5 m，下分层平均厚度为4.5 m，1煤平均厚度为3.6 m,3煤与1煤层间距平均厚度为1.5 m.局部3煤最厚处上分层厚5.3 m，下分层厚8.8 m，上分层与下分层夹矸厚0.8 m；3煤与1煤层间距平均厚1.2 m.煤体松软，硬度f值0.2～0.3.

1.4构造状况

工作面地质构造复杂，中小断层发育，工作面回采范围内共发育断层55条，正断层45条，逆断层10条。其中落差>3 m的断层有12条，落差<3 m的43条；沿回采方向，使煤层下降的27条，使煤层抬升的26条。

1.5采煤方法

工作面采用后退式走向长壁综合机械化采煤方法，一次采全高，自然垮落法管理顶板；东段煤层结构异常区采用倾斜分层后退式走向长壁综合机械化采煤方法，分两层回采。

工作面主要装备：选用ZZ13000/28/65四柱支撑掩护式型液压支架105架(其中6架ZZG13000/24/50端头支架), MGTY750/1800-WD型采煤机，SGZ1000/1400型中双链刮板机。

2工作面顶板治理技术

2.1砂岩直覆顶板治理技术

2.1.1超前深孔预裂强制放顶技术

计算机模拟11223工作面初次放顶步距为50～55 m，初次来压期间矿压显现剧烈，存在严重安全威胁，为确保安全回采，决定在初采阶段采用超前深孔预裂爆破技术对顶板进行强制放顶，减小初次来压对工作面的影响。

2.1.2深孔预裂爆破方案

在工作面切眼向东5～10 m处布置第一组炮眼，覆盖全工作面。切眼向东25～30 m位置按照第一组炮眼布置方式布置第二组炮眼。在工作面开采前将2组炮眼全部起爆。

从进、回风巷同时施工炮眼，炮眼终孔间距20～30 m，开孔间距1～2 m.采用钻孔直径为75 mm的钻机打眼，使用煤矿瓦斯抽采水胶药柱爆破，药柱直径63 mm，长度1 000 mm.同段毫秒延期电雷管起爆。

为保证冒落顶板能完全充填采空区，爆破的有效顶板深度按下式计算:

H=M/(KP-1)

式中：

M—采高，m，取5.5；

KP —岩石破碎后的体积膨胀系数，取1.3.

计算得到爆破有效深度为18.3 m，因此，炮眼终孔位置与煤层顶板的距离应>18.3 m.

2.1.3效果分析

回采过程中，采用KBJ-60-Ⅲ-1型矿用综采液压支架压力计算机监测系统测定液压支架工作阻力，在整个工作面布置21条测线，每条测线布置1个测站，共装21块压力表，采用采集器现场采集数据。整个工作面支架压力数据形成压力分布立体示意图,见图1.

图1　工作面压力分布立体示意图

根据回采过程中工作面支架压力数据及现场帮、顶状况，判断11223工作面顶板的初次垮落步距平均约为37.2 m(加9.5 m切眼)。工作面自开切眼向外40 m范围内，初采期间采高平均控制在4.5～5.5 m，在初次来压期间基本无片帮漏顶现象发生，只是在工作面中上部的80#支架至90#支架之间出现了一定程度的片帮现象，但片帮程度较轻，不影响生产。工作面无淋水及出水现象发生，同时由于工作面顶板坚硬，在回采期间也无漏顶事故的发生。

2.2泥岩顶板治理技术

2.2.1顶板预注水泥浆加固技术

工作面自泥岩发育开始向东至收作线1 026 m范围内，采用全覆盖预注水泥浆加固顶板。从工作面进、回风巷内做顶板钻场，施工钻孔，钻孔呈扇形布置，在3煤顶板中开孔，终孔位置在煤层顶板内，距煤层1～5 m，终孔间距10 m.

2.2.2钻孔施工工艺

钻具选择：钻机使用ZDY-3200S型全液压钻机，钻具使用d73.5 mm肋骨钻杆,带d75 mm或d94 mm复合片钻头钻进，使用d127 mm、d133 mm复合片钻头扩孔。固孔管使用d108 mm或d127mm岩芯管对孔口进行固孔，外口封盘采用焊有法兰盘的岩芯管。

钻孔施工工艺流程：开孔—固孔—扫固孔段—固孔效果检验—扫孔至设计深度。

2.2.3注浆参数

超前预注浆使用压力不低于10 MPa的注浆泵。

注水泥浆位置超前工作面回采位置不低于200 m.

采用P·S32.5R矿渣硅酸盐水泥。

配制浆液时，先加水再加水泥，边加水泥边搅拌，且必须搅拌均匀，放浆口应设置过滤网，防止结块水泥或杂物进入输浆管，制配的浆液应及时使用，尽量缩短搁置时间，不得使用失效水泥。

2.2.4 注浆过程

首先注水冲孔，泵压不低于2 MPa，时间不少于5 min， 5 min后，改注水灰比为0.75～0.5∶1(重量)的水泥浆液，水泥浆配比先稀后稠，待泵压稳定在10 MPa时间达到5 min后，注浆结束。

注浆反复进行，第一次注浆钻孔，深度可以达到设计孔深的1/3或2/3，注浆结束封孔48 h后，启封钻孔达设计孔深再次注浆。注浆逐孔进行，一个孔注完后，才能启封下一个注浆孔。注浆造成孔口或周围附近大量漏浆时，必须采用低压、浓浆、限量、限流、间歇注浆的方法，间歇时间为10～30 min，间歇期间对漏浆处用水泥浆或树脂堵漏。对单孔如严重漏浆无法封堵时，可结束该孔注浆。从其他孔窜浆时，应对窜浆孔和在注浆孔进行同时注浆，采用分浆器，利用1台注浆机对多孔进行注浆，难以多孔注浆时可结束该孔注浆。

2.2.5 注浆效果检验

通过对150 m(工作面已回采的泥岩顶板段)的泥岩顶板加固段回采期间顶板状况观察，结合注浆情况分析，见浆点附近3～5 m范围复合顶板较稳定，局部钻孔未覆盖处有掉顶情况出现，但未出现大面积片帮掉顶的现象，不影响工作面正常回采，工作面自进入泥岩顶板段后，日产5 000～5 500 t，平均日进尺3.2 m，生产均衡，超前预注水泥浆达到了预期的效果。

3工作面煤壁加固技术

3.1煤层注水

从回风巷在煤体内部施工钻孔，超前工作面回采位置20～60 m进行煤层注水，以增加煤层内摩擦系数，提高煤体硬度，并起到降低煤尘的效果。

3.1.1注水参数

回风巷内施工注水钻孔直径75 mm，长度90～120 m，间距15 m，固孔管使用d108 mm岩芯管，采用聚氨酯配合速效膨胀水泥封孔，外口封盘焊接快速接头。

倾斜方向上，钻孔覆盖不到的地方在工作面内部施工走向浅孔，间距3.5 m，孔深6～8 m，采用FKSS-40-15专用煤层注水封孔器封孔。

注水压力：泵压4～10 MPa，使用BRW80/20型乳化泵，间歇注水。当工作面出水后，工作面浅孔注水孔即停止注水，回风巷内施工的长注水孔停止注水一个班，下一班降低注水压力，继续注水，直至注水孔距离工作面10 m以内停止注水。

3.1.2注水效果

工作面煤层注水前取样全水分为2.5%，注水后，2014年1月10日在工作面选10个点取样，最高全水分4.5%，最低为2.9%，工作面煤层注水后平均全水分3.34%，比注水前提高0.84%.提高了瓦斯抽采效果，工作面回采期间回风流中瓦斯浓度不超过0.3%；提高了煤体硬度系数，注水之后，工作面自砂岩直覆段到顶板发育泥岩段回采过程中未发生严重片帮掉顶现象，无地质构造区域内，回采期间块煤含量增加。

3.2浅孔注化学浆

工作面在过断层时，尤其是在回采方向上将煤层抬起的断层，由于顶板破碎，煤体松软，容易出现片帮掉顶的情况，顶板注水泥浆及煤层注水不能满足生产需要，为使工作面正常推进，采用了浅孔注久米纳煤岩体加固剂对煤壁、顶板进行加固，确保不片帮、掉顶。

3.2.1注浆参数

在工作面底板以上2 m左右布置钻孔，钻孔间距5 m(浆液扩散半径3 m)，孔深6～8 m，孔径d42 mm，倾角15°～30°，注浆压力2 MPa，单孔注浆量不超过500 kg.对顶板破碎、容易片帮地点实行循环注浆，循环步距4～6 m.浆液凝固时间120 s.

3.2.2注浆工艺流程

按照钻孔设计进行打钻，然后往钻孔里面下注浆管，在钻孔的孔口安装封孔器，封孔器的一端和钻孔内的注浆管相连，另一端用高压管和注射枪与注浆泵相连，同时将2根吸管分别插入久米纳两组份桶内，分别通过气动泵的A、B两个活塞缸把两种原料抽出，通过高压胶管，在注射枪内部混合均匀，混合液进入钻孔内部。如果注浆过程中发现钻孔四周的裂隙开始有浆渗出或达到预定注浆量，则停止注浆换下一个孔，注完后快速冲洗机具并拆卸注射枪，待孔内浆液凝固后起到加固煤岩的作用。

3.2.3注浆效果

浆液在煤体裂隙内发生化学反应，短时间内能迅速凝固，将破碎的煤(岩)体凝结起来，形成一个相互交织的网状结构，提高了煤(岩)体强度，从而增加了自身承载能力，减少了片帮掉顶的程度，保证了工作面在过断层期间，能够正常推进，安全高效。

4结语

随着采煤装备的不断升级，采煤工作面的采高不断增加，常规的顶板治理措施不能满足生产需要，砂岩顶板深孔预裂爆破强制放顶，超前预注水泥浆加固顶板，煤层注水，煤层注化学浆加固帮、顶等技术将是大采高工作面顶板治理的有效措施。实施了以上措施后，11223工作面已经安全回采500 m，该工作面的安全高效回采证明，在砂岩直覆顶板工作面的回采过程中，采用深孔爆破技术处理顶板能减小工作面的矿压显现，防止工作面大面积来压影响安全生产；在复合顶板工作面回采时，采用超前预注水泥浆加固顶板能达到较好的效果；煤层注水是增加煤层硬度，改变煤体物理性质最有效的措施之一。在工作面顶板破碎及片帮掉顶的地点注化学浆加固顶板，可以有效增加煤(岩)体的承载能力，施工便捷，是防止顶板事故发生的有效途径。

Large Mining Height Working Face Side and Roof Treatment

Application Technology in Complex Condition

YAO Wenhong, WEN Xin, TANG Xiaohong

Key wordsGeologic structure; Large mining height; Roof reinforcement