急倾斜松软厚煤层复杂构造段综采技术

邓强 周忠国 张孟军 刘建 丁正付 文志祥

（四川省华蓥山煤业股份有限公司绿水洞煤矿，四川华蓥 638600）

0.引言

随着矿井开采水平向深部延深，煤层倾角增大，加之地质条件复杂和煤层赋存条件变差，煤层松软、厚度频繁变化、具有突出危险性，对实施综合机械化开采提出了更加严格的要求[1-6]。矿井+150m水平以上剩余煤炭资源主要分布在313、312、322、321、325、327采区，其中313、312、321、322、325采区煤层起伏变化都较大，312采区受陷落柱影响较大、327采区煤层倾角达到70°以上，且322采区已开采至边界，各采区形成新的回采工作面时均会遇到煤层倾角增大、煤层厚度起伏变化、煤层增厚、工作面收敛变形、瓦斯地质条件变差、煤层自燃等情况，现有回采工艺、设备、治灾手段等都将不再有利于回采，若不能正常回采，将连续影响多个采区、多个工作面的接替，导致矿井年生产能力大幅下降。绿水洞煤矿回采的3251南采煤工作面，从北向南采用俯伪斜综合机械化开采需通过倾向裂隙1条、垮落区3个、煤层分岔带2段、煤层松软带3段、机风巷收敛变形走向长度约400m、煤厚超过采高走向长度约300m，面临液压支架和刮板输送机下滑严重、机械设备故障率高、采高超高接顶困难、工作面底板推底、采空区浮煤容易自燃、开采安全威胁程度高、开采成本高等难题。

1.技术方案

针对矿井遇到此类地质条件和煤层赋存情况的采煤工作面，若重新配置1套全新的适应性装备则需一笔较大投资，面临采煤工作面出现局部段（沿走向或倾斜方向影响）煤层松软且厚度增厚，甚至局部地段超过了现有配套液压支架的最大支撑高度，在利用现有装备条件下，采取适当留设底煤开采的方式解决。若底煤留不住发生推底，则采取提溜垫架的方式，在确保液压支架有效接顶的前提下有序组织推进，遇断层等地质构造带采取提前工程治灾、超前治理，确保采煤工作面煤壁侧顶板不垮冒，断层等构造段支护有效、可靠，确保采面后续安全稳步推进。

2.关键技术

2.1 预抽与注浆加固松散煤岩体

（1）预抽煤层瓦斯。采取向松软厚煤层内施工密集钻孔，通过预抽煤层瓦斯，引起煤层收缩变形，增加煤层透气性和煤的坚固性系数。

（2）注浆加固。对煤层松软采用注浆管注浆加固，快速加固松散煤岩体使其形成整体。采用注浆加固技术，可达到改善围岩力学性质，增强围岩整体性，控制围岩变形的效果。采用注浆管注浆，可利用浆液封堵围岩的裂隙，隔绝空气，防止围岩风化，防止围岩被水浸湿而降低围岩的本身强度。注浆管注浆后将松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体的内聚力、内摩擦角及弹性模量，从而提高了岩体强度，实现利用围岩本身作为支护结构的一部分。注浆浆液在泵压作用下，不但可以将相互连通的岩体裂隙充满，同时在压力的作用下还可将充填不到的封闭裂隙和孔隙压缩，从而对岩体整体起压密作用。压密作用的结果是使岩体的弹性模量提高，强度也相应提高。通过注浆加固使断层破碎带中的煤岩层松散层黏结成整体，并形成较高的抗压强度，回采时不易掉顶和冒顶，给安全回采提供可靠保障。注浆加固方案为采用全液压坑道式钻机施工钻孔后，在孔内下注浆管（包括筛管），然后进行封孔，最后通过注浆泵将矿用无机加固双组份速凝材料通过钻孔注入。注浆工艺：准备好注浆材料、注浆设备、封孔用棉纱、绑丝等；把泵及附件（包括注浆用高压胶管、工具、注浆管、U型卡、连接注浆管用的接头等）、注浆材料等运至施工地点；将泵、搅拌桶与相应动力源连接；检查泵内的液压油、润滑油量是否满足要求，开泵检查泵能否正常运转；对注浆孔封孔情况进行检查；检查泵及注浆管路的连接等情况—打开输出阀门—开始注浆—暂停注浆—继续注浆—结束注浆—用清水清洗泵和注浆管路；在注浆过程中，必须注意观察泵及巷道四周状况，当有返浆（通过多次暂停泵操作仍有浆液流出）出现时候，通过间歇注浆使已经注入煤体内的浆液上硬，泵及注浆管内的浆液不失去流动性，从而封堵漏浆裂隙；对现场进行清理，注意清洗注浆泵、注浆管、料桶、搅拌桶与截止阀等设备。

2.2 断层等构造地段超前工程治灾

（1）将待扩刷点上方液压支架移至最小控顶距，液压支架探梁护壁板全部打开，将采煤机右滚筒牵至断层构造以上顶板完整处停机，将左、右滚筒落地，采煤机、刮板输送机停电闭锁。在采煤机左滚筒前方刮板输送机销排上插专用大横销，防止采煤机跑车。在采煤机上方打设充气挡栏，充气挡栏施工好后，在采煤机右滚筒上方用单体液压支柱配方木打设防飞矸挡矸设施，方木空隙处背严实。

（2）从上向下扩刷，扩刷时将采煤机右滚筒牵引至扩刷处落地并停电闭锁，采用厚度不小于100mm木板铺设操作平台（兼做防坠落设施），扩刷段每间隔3架液压支架撤一扇架前挡矸门及架前挡矸网，确保人员退路畅通。

（3）沿断层面方向进行扩刷，扩刷后高度不低于2.3m，扩刷深度从煤壁开始最深位置不大于2m。扩刷后的顶板先支设临时支护，间距1.5m，再采用φ=18mm、L=2m的树脂锚杆配菱形金属网（若出现顶板破碎，则增加钢筋梯）进行支护，锚杆间排距1m，并沿断层走向在扩刷段断层上下盘各布置一排φ=15.24mm、L=5m的锚索加强支护，且上下盘锚索采用长度为2m钢带连接，钢带间距1.5m，根据现场顶板暴露情况若超过2m，则增加一根φ=15.24mm、L=5m锚索支护顶板。每根锚杆眼孔装填1支CK2370型树脂锚固剂，每根锚索眼孔内装2支CK2370型树脂锚固剂。

（4）若需采用钻爆法落煤施工，使用7655或YT29型凿岩机打眼，同一段煤矿许用毫秒延期电雷管和三级煤矿许用乳化炸药爆破落煤，掏槽眼深度1.5m，每眼装药不超过3条；周边眼深度1.3m，煤层眼孔每眼装药不超过2条，岩石眼孔每眼装药不超过3条，采用正向装药，每次爆破总装药量不超过9.0kg，全断面一次起爆，使用好黄泥及水炮泥，封泥长度不小于0.5m。

（5）每一架扩刷完毕后采用11#矿用工字钢沿走向施工抬棚，长度以满足现场实际需要为准，若工字钢长度不够则使用矿用工字钢配不低于4副圆钢卡搭接，搭接长度不小于500mm，抬棚一端（煤壁侧）采用一根φ=15.24mm、L=5m锚索（钢梁外露长度0.6m）配铁托板固定在扩刷段顶板上（抵拢扩刷后的煤壁），另一端（液压支架探梁侧）放置在支架探梁上（嵌入探梁深度不小于0.6m），若能够采用一组锚索配托板进行锁固在顶板上则施工锚索固定，抬棚间距1.0m。抬棚上方的空漏部分采用半圆木等铺设，再在钢梁上架设“井”型木垛接顶。

（6）支设抬棚时，先将一端伸进液压支架探梁内，并用φ15.5mm钢绳配绳卡固定在液压支架探梁上，另一端采用单体液压支柱升至顶板，待用锚索固定好后方可卸载单体液压支柱。支设2架抬棚后，立即采用15kg/m钢轨配合圆钢卡沿倾向将抬棚连成整体，钢轨均匀布置3根（沿倾向），倾向钢轨的搭接长度不小于300mm，保证所有抬棚连成整体。

（7）在扩刷煤壁侧采用φ≥160mm圆木或半圆木配钢塑网进行护帮，圆木间距不超过1.5m。

（8）每次扩刷前，先将对应液压支架探梁与煤壁间裸露出的顶板采用锚杆配锚索进行支护，待支护完后，立即施工排放孔，每架施工一个排放孔，排放孔孔径75mm，施工深度5m，排放孔施工到位，现场瓦斯数据检查正常，再进行扩刷与架设抬棚支护。

（9）在本架施工永久支护的同时，可安排人员对邻架煤壁进行扩刷作业，扩刷后采用单体液压支柱配方木打设临时支护，临时支护间距1.5m。待本架永久支护完毕后立即对邻架进行支护，扩刷时严格按照此工序循环施工直至扩刷完工。

（10）若液压支架探梁前方垮落高度＞3m，则在施工好抬棚支护后，用方木配抓钉在抬棚下方底板上架设“井”型木垛稳固抬棚。

（11）工作面假顶铺设完成后，工作面推进时，对断层延伸影响以上的液压支架段沿断层层面进行提前扩刷和支护，以减少对回采的影响。

2.3 喷浆充填技术

（1）矿井喷浆支护主要用于围岩加固支护，对于平巷而言喷浆机可以随时移动，而对于斜坡喷浆支护或采煤工作面高冒区域喷浆充填移动喷浆机非常困难，传统斜坡喷浆支护需要将喷浆机和相关材料下放至硐室，需要频繁提升下放存在一定的安全威胁，加之喷浆管路容易堵塞，处理难度大。

（2）由于采煤工作面构造区域靠近中下部，工作面回风巷道距离需要喷浆充填的地点较远，喷浆设备和材料转运都非常麻烦和费力，将喷浆机安置在风巷超前支护范围，采用风筒对上料位置进行遮挡处理，防止粉尘飞扬和材料浪费，从喷浆机处安设管路至喷浆作业点。喷浆作业时，风巷人员将喷浆所需的石粉和水泥按照配合比倒入喷浆机，喷料通过管路辅以重力作用送至喷浆口，然后通过喷枪喷入作业区域，达到安全快速喷浆作业的目的。

（3）采用该装置后减少斜坡提升喷浆物料安全威胁，大大降低职工劳动强度，提高喷浆支护进度和质量，能够使采煤工作面冒顶区域得到快速有效充填处理。

2.4 底煤留设与控制

（1）根据采煤工作面液压支架最大支撑高度，留设合适的底煤厚度，保证液压支架支撑高度留有一定余量。

（2）处于厚煤层或构造段的工作面液压支架连成整体，前后防倒防滑缸全部配齐，至少延伸至完整顶板或正常煤厚5架液压支架。

（3）严格控制采高和工作面用水，包括采煤机割煤时用水，做到停机停水，严防底板或底煤滑移造成采高失控。

（4）增加液压支架柱帽，确保液压支架能够达到最大支撑高度。

（5）加强采煤工作面排架，严控液压支架、刮板输送机下滑，加强综采配套设备检修和维护，及时处理漏窜。

（6）使用好矿压在线监测系统，实施实时在线监测，确保支架初撑力合格。

3.实施效果

（1）通过对工业性试验地点3251采煤工作面的综采配套设备进行改造，从控制工作面俯伪斜程度上入手，强力推行风巷超前机巷俯伪斜开采，解决了采煤工作面片帮难题，特别是人员需要进入机道处理时安全威胁降低，从液压支架的接顶及工作面水量控制上入手，支架接顶严实，确保顶板压力能顺利传递到底板，留设底煤后严控发生推底。液压支架防倒防滑缸、推溜缸等连接装置齐全完好，确保工作面液压支架形成一个整体，在回采过程中实现支架动态调整，上窜下滑调整需逐步开展，防止液压支架下滑或上窜量过大造成设备损坏。

（2）在厚煤层复杂构造地段采用综合机械化回采，平均月产量达到2.5万吨以上，且实现安全回采，避免了搬家倒面，不用重新施工开切眼进行综采配套设备安装，充分利用和发挥现有装备性能和价值。

（3）通过攻克综采工作面过垮落区、裂隙带、煤层急剧增厚、采空区煤炭自燃、煤层松软超高带等复合构造段的回采煤炭资源难题，对327采区、321采区、312采区、313采区煤炭资源的开采创造了条件，延长了矿井+350m水平服务年限，为矿井+150m水平延深争取了建设工期，弥补了+150m水平东翼延深遇地质构造产生的工期耽误，同时也为其他类似矿井急倾斜综采提供了宝贵的经验。

（4）采用综合机械化开采在安全上更能得到保证，液压支架对采煤工作面顶板支护更为安全，有效防止顶板事故，通过对采空区进行预防性注氮可有效遏制煤炭自燃，综合机械化开采利用采煤机割煤，刮板输送机运煤，减轻了职工劳动强度，提高了安全系数。

4.结语

（1）采用在松软厚煤层复杂构造区域内施工密集钻孔加固技术，改善了松散煤岩体强度特征。

（2）提出了采煤工作面煤壁开帮后铺设钢梁、喷浆充填形成假顶和假顶下单体液压支柱与缓冲木垛支护，对构造区域实现了有效支护。

（3）采用严控采高、留设底煤、提溜垫架等措施，实现了急倾斜厚煤层复杂构造区域工作面安全回采，减少了煤炭资源损失约13万吨/年，缓解了矿井采掘接替，避免了冒顶事故和推底现象发生。