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采煤工作面过陷落柱技术研究

2024-01-12 74 上传者：管理员

摘要：针对3605采煤工作面现场地质条件、X116陷落柱分布位置及特征，采用工程类比法确定采用平推硬过方式过陷落柱。针对X116陷落柱影响范围内煤岩体破碎，采面回采期间容易出现冒顶、片帮等问题，提出使用管棚构建人工假顶、采用注浆加固采面上部的破碎煤岩体，为过陷落柱创造良好的条件。现场应用后，3605采煤工作面过X116陷落柱期间顶板、煤壁始终保持稳定，未出现片帮、冒顶、顶板下沉量大等问题，为采面安全高效回采创造了良好条件。

关键词：
人工假顶
注浆加固
破碎煤岩体
管棚
陷落柱
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煤层中发育的陷落柱常常影响到煤层的连续性及稳定性，在陷落柱周边应力分布不均衡，不仅会影响采掘工作面布置，还会影响煤炭生产效率[1,2]。在陷落柱周边煤岩体破碎、陷落柱内部为充填物，一般裂隙较为发育，若附近存在含水层时陷落柱往往是良好的导水通道。现阶段，采煤工作面过陷落柱的方法一般有留设煤柱、平推硬过等方式。采用留设煤柱的方式可提高过陷落柱的安全性，但是也存在采面需要搬家、煤炭资源损失量大以及影响生产等问题；平推硬过陷落柱时，则存在顶板管理难度大、异常涌水等问题[3,4,5,6]。文中以山西某矿3605采煤工作面过陷落柱为工程背景，采用工程类比法确定采面过陷落柱方式并给出过陷落柱技术措施。

1、工程概况

3605采煤工作面设计推进长度1 678 m、切眼斜长160 m.采面开采的6号煤层煤层松软，厚度均值4.6 m、倾角0°～6°,赋存稳定，全区可采。6号煤层顶板岩性以砂质泥岩以及炭质泥岩为主，直接顶为厚度2.5～3.2 m的炭质泥岩、泥岩互层，基本顶为砂质泥岩，顶板岩体承载能力差；底板以粉砂岩、泥岩为主。受到6号煤层自身松软且顶板承载能力差等因素影响，采面回采巷道掘进期间曾出现顶板下沉量大、护顶金属网出现网兜等情况。3605采煤工作面回采范围内水文地质条件简单，顶底板无影响生产的含水层且底板隔水层厚度较大。

3605采煤工作面回采巷道掘进揭露及采面瓦斯抽采钻孔钻进显示，在采面推进至910 m位置处发育有X116陷落柱，该陷落柱短轴长20 m、长轴长60 m, 走向位于采面推进910～970 m、倾向与回风巷有20～60 m间距，具体位置如图1所示。由于6号煤层松软、顶板承载能力差，预计在X116陷落柱影响范围内顶板及煤体更为破碎，采面回采期间容易面临冒顶、片帮等各类问题。

图1 陷落柱位置示意

2、采面过陷落柱技术

2.1 过陷落柱方法确定

结合邻近矿井6号煤层采煤工作面过陷落柱方法，通过分析各采面及陷落柱情况，最终采用工程类比法确定3605采煤工作面过X116陷落柱技术方法。

矿井邻近的范各庄煤矿2672采煤工作面回采范围内有X12陷落柱，该陷落柱长轴×短轴=75 m×55 m, 且陷落柱位置存在DF12断层(H=123 m、45°∠75°),陷落柱附近地质构造发育。通过探测发现，X12陷落柱内部胶结性较差，具有一定的导水性，预计与邻近的DF12断层有一定的水力联系。为确保2672采煤工作面安全回采，采面通过留设煤柱方式过陷落柱。

徐庄矿3603综采工作面开采范围内有X103陷落柱，该陷落柱长轴×短轴=67 m×23 m, 采面使用采煤机截割+震动放炮方式过陷落柱，并通过多循环作业、采面注浆、降低采高方式控制顶板，取得了较好的应用效果。

通过上述分析发现，当陷落柱分布区域地质构造简单且不含水、不导水时，矿井多采用平推硬过方式过陷落柱；而当陷落柱所在位置地质构造本身复杂、陷落柱导水或者富水、陷落柱尺寸大时，为确保采面回采安全，往往采用留设保护煤柱的方式过陷落柱。3605采煤工作面回采范围内的X116陷落柱不含水，不具备导水性，若留设煤柱过陷落柱虽可行，但是采面需另掘切眼、综放设备需要搬家、采面通风需要调整，整个过程较为繁琐。为此结合采面现场情况提出采用平推硬过方式过X116陷落柱，并针对陷落柱影响范围内顶板破碎、煤体松软等问题，提出在回风巷内向陷落柱施工管棚维护顶板稳定、向陷落柱注浆避免出现片帮引起顶板冒落问题。

2.2 过陷落柱技术方法

2.2.1 加固钻孔布置

3605采煤工作面平推硬过X116陷落柱面临的主要难题为陷落柱内及影响范围内顶板、煤壁控制。为此提出采用管棚加固技术构造人工假顶，确保采面过陷落柱期间顶板稳定；向陷落柱内注浆，提高陷落柱内岩体稳定性，避免过陷落柱期间出现片帮问题[7,8]。

钻探探测结果显示，X116陷落柱中部结构较为完整、密实，而边缘位置较为破碎、松软，为此管棚及注浆应强化陷落柱与煤层边缘位置控制。在采面过X116陷落柱期间不再放顶煤。

在采面回风巷内布置上下2排钻孔，其中上排钻孔位于巷道顶板下方500 mm处、钻孔应穿越陷落柱边缘10 m并送入管棚，钻孔均有3°仰角、开孔间距为1 000 mm、孔深均为70 m; 下排钻孔位于巷道顶板下方1 200 mm处，主要用以加固采面不破碎岩体，钻孔要超过陷落柱边缘5 m, 孔深控制在25～70 m、钻孔间距为5 m、仰角1°.具体钻孔布置如图2所示。

采面内上排钻孔主要用以改造顶板，采用管棚加固，钻孔内插入管径73 mm、壁厚6 mm的无缝钢管，单节长度2 000 mm, 所有的钻孔均插入35节无缝钢管，钢管间采用扣丝连接。下排钻孔主要用以陷落柱内加固，为确保采煤机顺利截割，在下排钻孔内插入PVC胶管进行注浆。

图2 注浆钻孔布置示意

2.2.2 注浆材料

3605采煤工作面过X116陷落柱时混合使用缓凝、速凝两种注浆材料，具体为：

1) 缓凝注浆材料主要成分为52.5级普通硅酸盐水泥、添加剂(XPM纳米灌注剂),注浆材料水灰质量比控制在1∶(1～0.15)间，浆液水灰质量比依据现场注浆区域裂隙扩展情况确定。缓凝材料胶结时间为5～12 h, 固结后抗压强度在5 MPa以上，可充填较小缝隙。

2) 速凝注浆材料为水泥、水玻璃混合浆液，其中水泥、水玻璃按照体积比(1∶0.5)～(1∶0.8),速凝注浆材料初凝时间为1～3 min.

3、现场应用效果分析

在3605回风巷向X116陷落柱施工钻孔进行加固，其中上排、下排钻孔分别施工81个、17个，钻孔钻进总深度为6 380 m, 上排钻孔共使用5 600 m无缝钢管。上排钻孔、下排钻孔平均单孔注浆量分别为0.5 t、5.0 t, 钻孔共计消耗注浆材料约155 t.

3605采煤工作面回采至X116陷落柱影响范围时，采面揭露下排注浆钻孔，钻孔周边2 m范围内裂隙被注浆浆液充填，同时注浆浆液胶结区岩体稳定，表明注浆浆液扩散性能较好、胶结能力较强。在采面过陷落柱期间顶板始终保持稳定，仅有少量下沉，未出现片帮或者冒顶等情况。3605采煤工作面在地质条件正常情况下推进速度为3.0 m/d, 在陷落柱影响范围内推进速度为2.7 m/d, 虽然有所减小，但是整体推进速度仍较快，采面耗时30 d通过X116陷落柱影响区。

4、结语

3605采煤工作面回采范围内发育有X116陷落柱(短轴长20 m、长轴长60 m),且该陷落柱不含水，不具备导水性，采用工程类比法确定采面过陷落柱方法，最终确定采用平推硬过方式。由于3605采煤工作面开采的煤层及顶板松软，在X116陷落柱影响范围内煤体及顶板裂隙更为发育，制约3605采煤工作面高效过X116陷落柱的主要问题是顶板控制难度大。

结合现场情况及X116陷落柱在采面内发育位置，提出在回风巷内布置钻孔进行加固，其中上排钻孔插入管棚并注浆，从而构建人工假顶，避免过陷落柱及影响区时出现冒顶或者顶板下沉量大的问题；下排钻孔用以采面中上部破碎煤岩体加固，避免片帮引起冒顶问题，同时钻孔内下放PVC管注浆，便于采煤机截割。现场应用后，3605采煤工作面过陷落柱期间可保持2.7 m/d的推进速度，顶板保持稳定，未出现片帮或者冒顶等问题。

参考文献:

[1]郭长明.陷落柱导水性综合探查技术在采煤工作面中的应用[J].煤,2022,31(9):106-108.

[2]吉艳平.对采煤工作面快速过陷落柱技术的探讨[J].煤,2022,31(6):107-108.

[3]池津维.采煤工作面过陷落柱深孔预裂爆破技术的应用研究[J].山东煤炭科技,2022,40(3):41-44.

[4]张钰.复合顶板条件下工作面过陷落柱矿压显现规律研究[D].贵阳:贵州大学,2021.

[5]鲁蒙,舒梅,周横全.综采工作面过陷落柱安全技术研究[J].中国矿山工程,2021,50(1):42-43,51.

[6]司马遥.采煤工作面内隐伏陷落柱的综合探测与治理技术探究[J].内蒙古石油化工,2020,46(11):101-102.

[7]任鹏.采煤工作面过陷落柱支护技术研究[J].自动化应用,2019(8):107-108.

[8]高成波,余杰,邹海军,等.采煤工作面过陷落柱支护体系研究[J].煤炭科技,2017(2):82-84.

文章来源:李承康.采煤工作面过陷落柱技术研究[J].煤,2024,33(01):94-96.