工作面安全快速过陷落柱支护体系研究

褚乾鑫

(汾西矿业安监局，山西 介休 032000)

引 言

煤炭回采时遇陷落柱会给顶板管理、防治水等工作开展带来较大安全威胁[1-2]。现阶段矿井使用的过陷落柱技术方法依据陷落柱位置、是否导水等可分为留设保护煤柱、另开切眼以及平推硬过等[3-5]。若陷落柱影响范围不大且无导水性时可使用平推硬过法降低陷落柱给煤炭回采影响并提高煤炭采收率[6]。但是采面在过陷落柱期间由于陷落柱内岩体破碎、裂隙扩展等常出现顶板冒落、涌水等问题[7]。文中以山西某矿6503工作面过X02陷落柱为工程实例，提出采用加固方式提高陷落柱内破碎煤岩体强度及稳定性，并通过强化采面顶板控制确保煤炭安全回采。

1 工程概况

山西某矿6503综采工作面位于5采区西侧，采面设计走向、倾向长度分别为1 025 m、245.3 m，开采的6#煤层厚度3.0 m，倾角5°、埋深360 m。6#煤层顶底板岩层以泥岩、粉砂岩以及砂质泥岩等为主，裂隙较为发育。

根据已有的物探、钻探以及回采巷道掘进揭露资料显示，在工作面回采空间范围内发育有X02陷落柱，预计陷落柱规格为29.4 m×32.9 m，陷落柱内主要充填物为被泥质胶结的粉砂岩，具有一定的导水性。采面内陷落柱发育位置，如图1所示。陷落柱与运巷、风巷以及切眼间间距分别为100.5 m、114.8 m以及126.5 m。

图1 陷落柱位置示意图

由于X02陷落柱位于采面中部，若采用调采法过陷落柱不仅需要留设较宽的保护煤柱，而且采面搬家也会占用大量的回采时间以及人力资源，显然经济性不合理。为此，矿井提出采用平推硬过方式过陷落柱，并在陷落柱影响范围内通过注浆方式加固陷落柱内破碎岩体，从而为采面顶板管理创造相对良好条件。

2 注浆加固技术

注浆不仅可提高陷落柱内岩体强度、避免出现渗水事故，而且可预防陷落柱内煤体片帮、冒顶等事故。具体选用的注浆材料为矿井常使用的TWK化学高分子材料，由于陷落柱与运巷、风巷间距较大，若在回采巷道内施工注浆钻孔进行注浆，不仅注浆钻孔施工难度大而且注浆浆液浪费严重。为此，提出在采面内对陷落柱进行注浆加固，具体当采面推进至与陷落柱间距6 m时，在采面煤壁上施工注浆钻孔对陷落柱两侧各10 m范围进行注浆，具体注浆钻孔。

为避免3603综采工作面回采过X02陷落柱期间顶板冒落、突水等安全事故发生，并预防煤壁片帮，决定使用化学浆液对陷落柱进行加固。通过化学注浆不仅可充填陷落柱内破碎岩裂隙而且可封堵涌水通道，从而避免采面过陷落柱期间出现顶板淋水、冒落以及煤壁片帮等问题。具体在采面推进至与陷落柱间距6 m时，在切眼内布置钻孔进行加固。加固钻孔布置在采面切眼中部位置，控制陷落柱边缘外侧各10 m范围内。具体切眼内注浆钻孔布置，如图2所示。

图2 采面内注浆孔布置示意图

钻孔开孔位置位于顶板下方1.5 m处，钻孔间距2.5 m，注浆孔长度、孔径均为6 000 mm、42 mm，钻孔仰角15°。在采面内按照5 m间距布置注浆孔，注浆孔数量共计11个。注浆孔封孔长度均为2.5 m，注浆压力设计为4 MPa～5 MPa。根据陷落柱范围以及注浆经验公式计算，预计采面过X02陷落柱时注浆量约为86.3 m3。

3 采面顶板强化支护技术

3.1 铺设柔性纤维网

X02陷落柱内主要为泥质胶结的粉砂岩，虽然通过注浆可提高陷落柱内岩体稳定性，但是在回采过陷落柱期间仍可能出现煤壁严重片帮、掉顶等问题，因此需要强化顶板支护。具体采用的顶板支护技术为用柔性纤维网对控制陷落柱内破碎岩体。支护使用的柔性纤维网具有抗拉强度大、整体性好等优点，在柔性纤维网交接位置通过缝合可避免出现漏矸问题。

在采面过陷落柱时采用柔性纤维网控制注浆加固后的顶板，避免陷落柱内破碎岩体沿着液压支架前端、架间等掉落，不仅可保护回采设备而且避免冒顶事故发生。

3.2 采面管理

3.2.1 减少采面用水

对陷落柱内胶结物成分分析得知，内部主要为泥质胶结砂岩，其中泥岩中含有较多的黏土成分，遇水后容易弱化、崩解。因此，需要控制采面用水避免顶板松软导致综采设备钻底事故发生。将采面电机冷却水用专用管路排出到陷落柱影响区之外；对采煤机喷雾降尘程序进行重新制定，采煤机回采至陷落柱位置时停止喷雾，从而降低水对泥岩影响。

3.2.2 底板管理

在采面过陷落柱期间通过顶板注浆、铺设柔性纤维网以及减少过陷落柱期间用水等方式可实现对顶板岩层控制，但是由于陷落柱影响区域内底板较为松软，为此提出铺设垫地梁(规格：3 400 mm×250 mm×250 mm)对底板进行补强，地梁使用钯钉连接成一个整体。

若过陷落柱期间综采设备有钻底趋势时则可在液压支架下方垫设方木，并用钯钉固定牢固，以便保证液压支架可平稳移动。支架移动过后对方木铺设情况进行检查，避免翘起的方木影响后驱刮板输送机运行。

4 结语

采煤工作面回采过程中遇陷落柱时如何确保顶板、煤壁等稳定是实现煤炭高效回采过程中需要重点解决的问题。6503综采工作面回采范围内存在有X02陷落柱，且陷落柱分布在采面中部，若采用跳采或者留设保护煤柱方式过陷落柱则存在煤炭损失量大、经济效益低以及作业人员劳动强度高等问题。为此，依据陷落柱发育情况以及采面开采情况，提出采用平推硬过方式过陷落柱。

依据陷落柱发育情况以及采面顶底板岩性，提出采用化学注浆、铺设柔性纤维网、强化采面用水、底板管理等方式过陷落柱。在过陷落柱期间，采面保持正常的推进速度，期间未出现顶板漏矸问题，现场取得较好应用成果。