大采高工作面过陷落柱安全技术研究.pdf

48/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺0 引言陷落柱是煤炭开采时常见地质构造类型，对于采面内发育较小且不导水的陷落柱，一般采用直接推过方式1-2。本文以马兰矿 28309 大采高综采工作面过 S182陷落柱为工程实例，结合以往研究成果，针对采面过陷落柱期间采面矿压显现情况，采用差异化煤壁片帮防治技术，确保了采面过陷落柱期间煤壁及顶板稳定，为采面安全快速过陷落柱创造了良好条件。1 工程概况马兰矿 28309 大采高综采工作面回采的 8 号煤层厚度平均 4.22m，属近水平至缓倾斜稳定可采厚煤层，煤层结构简单，含 1 层厚 0.040.15m 稳定夹矸，煤层普氏硬度 2.1。8 号煤层顶板为 L1 泥灰岩，普氏硬度 7.5；底板为粉砂质泥岩，含透镜状黄铁矿结核，普氏硬度5.0。28309 大采高综采工作面整体呈单斜构造，设计皮带巷长 740m、轨道巷长 713m，切眼长 197m。采面皮带巷、轨道巷断面均为矩形，净宽 净高分别为 5.5m4m、4.5m4m，均采用锚网索支护。结合采面矿压观测数据得知，回采期间超前支承压力峰值约在煤壁前方 7m 位置，显著影响范围以及影响范围分别为 17m、50m。依据已有物探及回采巷道掘进揭露资料，在 28309大采高综采工作面回采范围内发育有多个陷落柱，其中对 S182 陷落柱对采面回采影响较为明显，陷落柱长轴、短轴长度分别为 29m、26m，面积为 587m2,钻孔探测显示陷落柱内部充填物以砂质泥岩、砂岩为主，下部有少量涌水。具体 S182 陷落柱在采面内分布位置如图 1 所示。2 采面过陷落柱期间应力演化规律分析在 S182 陷落柱形成过程中围岩应力会重新分布，结合相关研究成果、本采面矿压显现规律以及邻近矿井8#煤层工作面揭露陷落柱情况，判定 S182 陷落柱周边15m 范围内岩体呈塑性状态；塑性区以外 35m 范围仍受陷落柱影响，此范围岩体呈弹性状态。28309 大采高综采工作面在回采推进过 S182 陷落柱时，采动压力与陷落柱影响应力叠加，会给采面顶板及煤壁稳定带来较大孙月星（山西焦煤西山煤电股份有限公司马兰矿，山西古交 030205）摘要：28309 大采高综采工作面过 S182 陷落柱期间，采面采高较大且煤岩体破碎，容易出现片帮、冒顶等问题，不仅制约采面推进速度而且影响回采安全。为确保采面安全回采，在分析采面过陷落柱期间矿压显现规律基础上，提出分阶段对采面管理，现场应用后，实现了安全高效回采。关键词：大采高综采工作面；陷落柱；矿压显现；注浆加固大采高工作面过陷落柱安全技术研究图1 S182陷落柱位置 2023.8 矿业装备/49影响。当 28309 大采高综采工作面与陷落柱间距 85m 时，采面超前支承压力与陷落柱围岩应力开始出现叠加。根据相关研究成果，当采面与陷落柱间距小于应力增高区一半时，叠加应力会大于两应力之和。因此分析在采面与陷落柱相距 8542m 时受叠加应力影响，但是应力集中程度相对较低。当采面与陷落柱距离缩小至 22m 时，采面超前支承压力与陷落柱周边应力叠加达到最大，陷落柱与采面间煤柱呈塑形分布状态。因此，在采面与陷落柱间距为4222m 时，采面与陷落柱间煤柱内应力明显增高，煤柱内部存在弹性区。当采面与陷落柱间距在 22m 以内时，采面与陷落柱间煤柱完全呈塑性状态，煤柱对顶板支撑作用所有降低，且煤柱内裂隙发育，期间采面煤壁容易出现片帮、顶板容易冒落。综合上述分析结果得出，当采面与陷落柱间距在42m 以内时，采面前方煤柱内应力会明显增加，是采面过陷落柱期间需要重点面临的问题，需要重点进行治理。3 采面过陷落柱安全技术措施3.1 采面分阶段管理应力初步叠加区。在采面与陷落柱相距 4222m 时，采面与陷落柱间煤柱内应力不断增高，在此范围内回采时采取以下技术措施：保持采面推进速度稳定，时刻关注采面顶板及煤壁情况；通过追机移机方式减少顶板空顶时间，同时强化采面液压支架管理，确保液压支架初撑力在合理范围内；液压支架移架完成后及时伸出护帮板，及时给煤壁施加一定支护作用力。应力叠加明显区。在采面与陷落柱间距在 22m 以内时，采面与陷落柱间煤柱压力明显增加且煤柱状态由弹性转换成塑形，采面前方煤柱及顶板内应力环境较为复杂，具体采区的措施为：在回采巷道内提前布置长钻孔对该区域煤体进行注浆，以便充填煤柱内裂隙并提高煤柱承载能力、整体稳定性；保持采煤机割煤速度并确保煤壁平直，以便实现顶板有效支撑，强化采面液压支架管理；制定采面煤壁片帮及冒顶应急技术措施，当煤壁片帮范围超过 3 个支架后，需及时在采面内增设注浆钻孔加固煤体；采面推进过陷落柱期间，应强化采面内靠近陷落柱的煤体控制。3.2 应力叠加明显区注浆加固在采面与陷落柱间距 22m 以内时，在采面回采巷道内布置注浆钻孔提前对煤体及陷落柱内破碎煤岩体进行加固，具体采用浅孔封堵+深孔加固方式提高煤体强度。结合以往注深孔注浆经验，深部注浆钻孔浆液有效扩散半径为 510m，同时采用浅孔封堵后更有利于深孔注浆。在回采巷道内首先布置浅部注浆孔，注浆孔布置如图 2 所示，具体浅部注浆参数为：上排钻孔与巷道底板相距 3m、仰角 10，下排钻孔距巷道底板 1m、垂直煤壁布置；浅部注浆钻孔孔深均为 8m，钻孔间距均为 3m。具体深部注浆钻孔布置情况如图 3 所示。依据采面内煤层赋存情况并为减少注浆钻孔施工工程量，在采面图2 浅部钻孔布置示意图图3 深部注浆钻孔布置图c 钻孔布置剖面b 轨道巷钻孔开孔布置a 皮带巷钻孔开孔布置50/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺皮带巷内布置的深部注浆钻孔按照单排布置，钻孔开孔距巷道底板 2.0m、钻孔孔径 75mm、钻孔间隔均为 5.0m、孔深为 95m，如图 3a 所示，同时对注浆钻孔进行编号。其中，钻孔编号为奇数时钻孔均水平布置(倾角 0)，实现上覆煤体及顶板裂隙加固；钻孔编号为偶数时则按照-1-2俯角施工，实现底部煤体加固。回风巷内深部注浆孔布置成 2 排，上排、下排钻孔距离巷道底板分别 2.5、1.5m，仰角分别为 2.5、1.5，孔深 95m，钻孔间隔 10m，如图 3b 所示。部注浆钻孔施工期间，依据钻孔返渣情况调节后续钻孔施工角度，确保钻孔实际钻进位置与设计孔位一致。浅部钻孔及深部钻孔注浆浆液均选用联邦加固材料，水灰质量比为 0.81。浅部钻孔及深部钻孔封孔深度分别为 2m 和 16m。结合 28309 大采高综采工作面矿压数据，在超前采面 2540m 范围内煤体裂隙发育，同时该位置在超前支护之外，超前支护用单体、工字钢等不会影响钻机布置。因此，注浆选择在超前采面 2540m 范围。注浆压力是保证注浆效果的主要影响因素，浅部、深部注浆钻孔注浆压力分别设计为 48MPa、1215MPa。3.3 现场应用效果分析28309 大采高综采工作面推进过 S182 陷落柱期间，对采面推进速度、煤壁片帮情况以及液压支架工作阻力等进行持续监测。其采面推进速度统计如表 1 所示。采面在陷落柱影响区外回采时，采面推进速度可保持在 3.0m/d，液压支架工作阻力稳定在 2500kN，采面煤壁保持平直、未出现片帮影响生产等情况出现。采面超前揭露陷落柱，由于超前揭露区未进行注浆，期间仅通过强化顶板、液压支架管理等措施，采面在生产期间曾出现多起煤壁片帮情况，片帮最大深度可达2.2m、宽度影响 4 个支架，液压支架工作阻力在 3000kN左右；采面在未注浆区域内回采时推进速度仅为 0.95m/d，仅为正常回采区域的 31.6%。采面在注浆加固区内回采时，采面煤壁片帮问题得以较好的解决，采面回采期间煤壁保持平直，稳定性及强度明显增强，期间呈出现小范围片帮情况，片帮最大深度在 400mm、宽度在 800mm 以内，未有漏顶情况发生，液压支架工作阻力约为 2500kN；采面推进速度保持在2.56m/d，为正常回采区域内的 85.3%，采面推进速度有所降低的主要原因是采煤机割陷落柱内砂质泥岩、砂岩时速度较慢。综合上述分析，28309 大采高综采工作面推进过S182 陷落柱期间分阶段采取不同安全技术措施后，采面在过陷落柱期间煤壁及顶板整体较为稳定，特别是采面在过陷落柱期间，由于超前注浆煤壁及陷落柱内部、周边煤岩体稳定性明显增强，采面得以保持快速回采，顶板及煤壁始终保持稳定。4 结束语结合 28309 大采高综采工作面、S182 陷落柱情况以及采面矿压矿压观测数据，分析了 28309 大采高综采工作面过 S182 陷落柱期间矿压演化规律，明确距离陷落在不同距离时应力变化情况。依据过陷落柱期间矿压显现情况，提出分阶段对采面管理，在采面与陷落柱间距在 42m 以外时，则采用常规的顶板、综采设备管理措施；在采面与陷落柱间距在42m22m 时则应进一步重视煤壁、顶板以及液压支架等管控；再采面与陷落柱间距在 22m 以内时，则采用浅部+深部注浆方式加固煤体、陷落柱内充填物及周边煤岩体，并对注浆钻孔布置方案进行详细设计。28309 大采高综采工作面过 S182 陷落柱时采取文中所述措施后，采面过陷落柱期间煤壁保持平直、顶板保持稳定，期间出现的小范围片帮不会影响采面生产；采煤机截割陷落柱内充填物时牵引速度有所降低，其余位置均可保持正常牵引；采面在过陷落柱期间保持 2.56m/d推进速度，实现了安全高效回采。参考文献1 张奇.大采高综采工作面快速通过陷落柱安全技术研究J.煤,2021,30(6):44-46.2 高兴利.大采高工作面过陷落柱技术研究 J.能源与节能,2021(5):26-27+77.表1 采面推进速度统计表区域推进范围/m推进耗时/d推进速度/md-1正常区域1525981493.0未注浆区（陷落柱影响区）598605.680.95注浆区（陷落柱影响区）605.6644152.56