文/马良慧 王建军
华亭煤业集团山寨煤矿矿井为一井两面生产格局,单水平上下山开拓,采用走向长壁综采放顶开采方法,全部垮落法管理顶板。矿井25021综采工作面为矿井二采区第21个工作面,主采煤层为煤5层。因煤5层抗压强度及坚固性差,松软易垮落,在工作面末采期间,前方形成孤岛煤柱,煤柱应力集中程度高,裂隙发育,回采期间全段顶煤薄厚不均,加之工作面上段顶煤变薄,煤顶易碎,无法沿稳定层位推进,同时部分支架初撑力不足,致使顶板垮冒严重,回撤通道挂网支护难度大,顶板管理十分困难。为保证顶板稳定,实现安全高效回撤,山寨煤矿逐渐探索出采取压注马丽散、组合锚索加强支护的方案,有效控制了靠近煤柱薄厚不均、破碎的顶板煤层,为安全回撤创造了条件。
山寨煤矿25021综采工作面设计开采煤层为煤5层,煤层结构简单,倾向在SW70°~75°之间,倾角7°~12°,煤层厚度29~32m,平均煤厚30.7m,上分层平均厚度约为12m。含夹矸1~3层,厚度在0.05~0.3m,岩性以泥岩、炭质泥岩为主。
25021工作面倾向长度为190m,推进长度为900m,主采煤层抗压强度在2.68~19.28Mpa之间,平均为10.77M p a;抗拉强度为0.26~1.53Mpa,平均为0.62Mpa;坚固系数为1.3~2.9,平均为1.9。煤层硬度f为2~3,层理发育,节理发育,煤质疏松,易垮落。煤层伪顶以薄层状砂质泥岩、泥岩及炭质泥岩为主,松软易垮落,机械强度及坚固性都很差,易风化破碎,遇水变软膨胀。直接顶板多以中——薄层状灰黑色泥岩、砂质泥岩为主,偶夹薄层灰黑色粉砂岩。老顶为深灰色粉砂岩、各粒级的浅灰——灰白色砂岩及含砾砂岩,厚度不稳定。
2018年4月22日,25021综采工作面回采至864m,距离回撤通道26m时,工作面煤壁突然破碎,整个冒落过程分为三个阶段:第一阶段是78#-95#液压支架前探梁前部、上部矸石垮落,大块矸石冒落高度为2m;第二阶段为扩大阶段,38#-52#支架出现小范围破碎顶板,69#-106#支架上部冒落高度最高达到8m;第三阶段为措施控制阶段,4月29日左右冒顶得到逐步控制,直到5月3日,通过采取注浆加固、加强支护措施,顶板全部得到控制,后期在回撤通道施工时采用组合锚杆使顶板得到进一步控制。
究其顶板冒落原因,是由于在25021工作面末采期间,前方形成孤岛煤柱,煤柱应力集中程度高,裂隙发育,工作面全段顶煤薄厚不均,无法沿一稳定层位推进,加之部分支架初撑力不足,导致支架上方顶板极易发生垮冒现象,同时挂网支护也非常困难。
采用3轮压注马丽散加固顶板。注浆工艺流程:打注目标注浆孔——固定注浆泵——注浆——停止——依次循环。
第一轮注浆为开始挂网时,在工作面架前顶板破碎区域打注目标注浆孔,孔深6m,角度与水平夹角为30°~45°,预计注浆量10t。第二轮注浆为距离煤壁10.4m(第7网支护后),在工作面60#支架以上段注浆,间距6m,孔深6m,角度与水平夹角为30°~45°,注浆压力不小于6MPa,预计注浆量10t。第三轮注浆为距离煤壁5.6m(第13网支护后),注浆参数同第二轮。
为解决回撤通道顶板破碎的问题,确保顶板支护稳定,对回撤通道支护分3段进行支护。
(1)工作面开始挂网至第13网,工作面6 0#支架以上段采用长短锚索“一、一”插花布置,同一型号锚索间距为1600mm,排距为800mm长锚索型号为φ22×8300mm,短锚索型号为φ22×4500mm;工作面6 0#支架以下段采用锚杆+长锚索“一、一”插花布置,锚杆采用φ20×2800mm,锚索采用φ22×8300锚索,锚杆间距为1600mm,锚索间距为1600mm,排距为800mm。在支架顶梁前端顶板上铺单层金属网,挂五孔托梁,打注的锚索、锚杆要求全部打注在托梁上面,挂网期间,金属网长边搭接100~150mm,短边搭接200~300mm,用14#铁丝绑扎联网,双丝双扣,孔孔相联。如图1所示。
图1 回撤通道支护设计图
(2)第14至第20网,工作面全段采用长短锚索“一、一”插花布置进行加强支护,锚索型号为Φ22×8300mm及Φ22×4500mm矿用锚索,间距1600mm,排距800mm,该段要求采用4mm钢带代替五孔托梁,锚索全部打注在钢带上。重点是在第16和第17网之间沿回撤通道方向布置一排组合锚索,组合锚索间距为8m,共23组,每组由4根φ22×8300mm锚索配合厚12mm、尺寸600×600mm的钢板及锚杆托板组成,锚索施工角度为斜向四角各60°,如图2所示。
图2 组合锚索设计图
(3)工作面上出口打设8组锚索梁,每组采用废旧11#工字钢配合3根φ22×8300mm锚索打设,正中间锚索垂直向上,两侧锚索各向两侧带75°打设。另外,每根锚杆配1支K2335和1支Z2360锚固剂锚固,每根锚索配1支K2335和2支Z2360锚固剂锚固,锚杆预紧力不小于100KN·m,锚索预紧力不小于150KN。
根据本研究与实践,可以得出以下结论。
1.经过第一轮压注马丽散后,顶板破碎冒落现象明显稳定,经过第二轮、第三轮压注后,顶板再无破碎现象,为回撤通道顶板支护创造了很好条件。
2.通过采取分段实施支护工艺技术,减少了材料消耗,降低了职工劳动强度,提高了破碎顶板处理工作效率,最重要的是破碎顶板在挂网至第7网时得到了控制,为实现安全回撤创造了条件。
3.通过采用组合锚索加强支护技术,使原本煤层薄的顶板稳定性更好,增强了巷道的稳定性,在设备回撤期间没有发生顶板垮落变形现象。
总之,面对工作面末采期间前方形成孤岛煤柱,致使顶板垮冒严重,回撤通道挂网支护难度大,顶板管理十分困难的问题,为保证顶板稳定,实现安全高效回撤,山寨煤矿逐渐探索出采取压注马丽散、组合锚索加强支护的方案,有效控制了靠近煤柱薄厚不均、破碎的顶板煤层,为安全回撤创造了条件,也为今后回撤相同地质煤层积累了技术经验。