何東升 韓國棟

永貴五鳳煤業(yè)五鳳礦主采煤層6中煤層,煤層平均厚度為2.5 m,其中頂部約0.8 m為相對堅硬的煤層,下部1.7 m煤層松軟。由于煤層埋藏淺,表土松散,基巖薄,開采后容易出現(xiàn)煤層上覆巖土隨長壁工作面推進呈整體性垮落,工作面礦壓顯現(xiàn)強烈。該礦煤巷具有高應力、節(jié)理化、遇水膨脹、極易軟化等物理特征,遇水后突出表現(xiàn)為非線性大變形、顯著的流變的工程特點。在回采過程中工作面上下兩巷超前段礦壓顯現(xiàn)特別強烈,支柱陷底量極大,巷道變形嚴重,致使回采過程中兩巷通風、行人和運料困難。

通過掘進期間及回采期間的礦壓觀測和分析,得出了圍巖變形規(guī)律,提出了煤層及圍巖變形原因,摸索出一套適合五鳳煤礦地質條件的綜采工作面管理方法,確保了工作面的安全、高效開采。

1 五鳳井田6中煤層圍巖變形及運動原因分析

1.1 煤壁處頂板冒落的原因分析

由于支架抽屜式伸縮梁伸出后不能接實頂板,造成煤壁到實際支護作用點的距離大,直接頂在此空間內易離層脫落,離層形成老頂和直接頂之間的空隙,而且老塘側的矸石沒有垮實,因此老頂實際上處于弱支護甚至無支護狀態(tài),造成老頂回轉、下沉速度加快,再加上由于離層造成的老頂和直接頂接觸點在煤體內煤壁附近,老頂在自重和上覆巖層傳遞下來的力的作用下以及老頂轉動過程中的力矩效應作用下很容易使支架上的實際支護點和煤壁之間的頂板破碎,破碎的巖塊從支架和煤壁間隙中漏下。隨著頂部空間的增大,冒落矸石塊度增大,冒落速度加快。因此煤壁處頂板冒落是一個加速漸進的過程,必須以及時封閉為原則進行支護。另外煤壁片幫和頂板冒落是相互關聯(lián)的[1],往往是由于煤壁片幫造成支架和煤壁的間隙,而使矸石冒落。

1.2 煤壁片幫的原因分析

首先,片幫的原因主要是支架初撐力低導致軟弱的直接頂和老頂離層并將壓力傳遞到煤壁處,其次,由于底板受潮濕環(huán)境影響,強度極低,支架在升緊后由于陷底,造成支護阻力降低,不能達到能夠托起直接頂?shù)闹ёo強度。再次,由于煤壁處煤體處于兩向甚至單向受力狀態(tài),煤體破壞強度降低,再加上煤體本身的松軟特性,因此三軟煤層極易片幫。

1.3 巷道圍巖變形原因

根據(jù)巷道礦壓觀測,五鳳煤礦6中煤層在開挖后迅速風化、潮解崩潰,強度迅速下降,圍巖中產(chǎn)生超過3.0 m[2]的極大圍巖松動圈。

在圍巖壓力與泥化膨脹聯(lián)合作用下,巷道礦壓表現(xiàn)為四周全面來壓,鋼棚嚴重變形,幫部整體推進,底鼓嚴重。煤層平均厚度為2.5 m,其中頂部約0.8 m為相對堅硬的煤層,下部1.7 m煤層松軟,在巷道開挖后應力重新分布,在煤柱中應力升高,松軟煤層表現(xiàn)出流變性,從煤柱中呈塑性擠出。巷道底鼓的內因是巖石見水變軟、膨脹,因此巷道中潮濕的環(huán)境是低鼓的外因;另外,根據(jù)力學分析巷道開挖后,煤體中應力重新分布,松軟的底板在兩側煤體的壓力傳遞,造成底鼓,因此上覆巖層的壓力及開挖造成的應力重新分布也是底鼓的外因。

2 圍巖控制方法

針對上述圍巖破壞原因,摸索出如下針對性圍巖控制方法。需要說明的是,煤壁片幫和頂板冒落是相互關聯(lián)的,因此防治煤壁處頂板冒落要和防治片幫共同進行。

2.1 煤壁處頂板冒落及煤壁片幫的防治

由上述煤壁處頂板冒落的原因分析可知,要控制煤壁處頂板冒落必須及時封閉煤壁和支架的間隙,并保持支架和頂板的均勻接觸。支護剛度差將導致直接頂與老頂離層。因此提高采面液壓支架的初撐力,通過循環(huán)升架來保證支護阻力,從而保證支護剛度是防治煤壁片幫的根本方法。及時封閉支架和煤壁之間的空隙,防止碎矸冒落,增加支架和頂板的接觸面積,保持支架均勻支護頂板。通過超前移架、快速移架、減小端面距等方法,基本能控制煤壁片幫及煤壁處頂板冒落。采取先移架后推溜的方法,減少梁端與煤壁的空頂距離,防止冒頂發(fā)生。如果煤壁片幫比較嚴重,可采取提前支護,即當煤壁剛發(fā)生片幫時,不必等采煤機割煤,支架就利用前柱與輸送機間的富余量向前挪移,使煤壁片幫后的頂板得到提前支護,這時回采工藝過程為移架→采煤→推輸送機,可大大減少梁端與煤壁的空頂距離和空頂時間。在采煤機割煤后及時移支架再移輸送機,這時回采工藝過程為割煤→移架→推輸送機。在超前移架仍未見效的前提下,在支架前梁上增設傾向圓木托住頂板。

使煤壁處于兩向受力狀態(tài)的煤體轉變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)從而提高其破壞強度,可減輕煤壁片幫。根據(jù)液壓支架無護幫板的特點,在煤壁打錨桿加固煤墻減少片幫,具體要求是:1)倒楔式木錨桿,長不小于2.0 m,直徑 38 mm,木托板規(guī)格為 200 mm×200 mm×25 mm;2)在煤壁上打兩排錨桿,間排距為1 000 mm×700 mm,3花眼布置,錨桿眼直徑為42 mm;3)打錨桿處前后3架支架前端背好頂,支架有效接頂,并達到初撐力;4)施工順序為:敲幫問頂→搭臨時腳架→打錨桿眼→支設錨桿、上托板;5)根據(jù)煤層上部0.8 m為較硬煤層,下部1.7 m為較軟煤層的特點,上排木錨桿打設在硬煤層之下0.5 m處,仰角60°,使木錨桿里端錨固在較硬的煤體內,保證了錨固力;下排木錨桿打設在距離底板0.6 m位置,平行于煤層打設;必要時可用插板插入兩根相鄰的錨桿托板下。

另外工程技術人員也曾借鑒其他礦的經(jīng)驗[3],采用瑪麗散防治煤壁片幫,但由于煤層粒度極小,可注入性差,再加上煤層自穩(wěn)時間短,注漿工藝復雜等,在五鳳煤礦使用效果差,沒有得到推廣。

2.2 巷道圍巖控制

五鳳煤礦巷道膨脹性圍巖,穩(wěn)定需要時間長,變形量大,變形速度快[1],幾乎能夠摧毀一切支護,表現(xiàn)為不可抵抗。通過現(xiàn)場摸索,提出了“松幫讓壓”的支護對策。具體做法是:1)回采期間成型巷道的“松幫”讓壓:拆開被松綁支架幫部所有撐木,在距底板1.3 m處開幫,用手鎬或鋼釬剔除鼓出的煤巖體,刷幫深度以支架腿子與煤巖體不超過100 mm為宜,不影響背幫又不致引起片幫或冒頂為原則。順序從中間向兩端進行,松幫至底角及肩窩部分。2)開挖時“讓壓”:巷道幫部不背網(wǎng),且不得使用過粗背木或半圓木(背板),以便保證圍巖塑性變形時,通過壓斷背木,形成支護與圍巖的密實接觸,又保證支架與圍巖間有較大的讓壓空間,且為成型巷道松幫卸壓打下堅實的基礎。

通過巷道底鼓原因分析知,要通過內因和外因兩個方面治理底鼓,通過在工作面兩順槽的上下幫打卸壓調節(jié)了圍巖中的應力,使頂板壓力向煤體深部轉移,減輕了巷道附近圍巖破壞,減少了壓力向巷道底板轉移,使巷道底鼓量明顯減少。水是巷道底鼓的重要外因,通過將落在巷道底板的水引入排水溝,減輕了底板泥化。我礦曾使用混凝土砌筑水溝,木板構筑水溝等,都由于可縮量小導致破壞,現(xiàn)使用雨布鋪在水溝中,便于水溝的維修,能充分適應較快的底板變形,使用效果較好。

對回采期間超前段巷道頂板采用瑪麗散注射,取得了較好的效果,雖然在工作面使用瑪麗散注射加固煤壁沒有起到較好的效果,但在超前支護段頂板由于受到回采動壓影響,巷道頂板產(chǎn)生大量裂隙,提高了可注入性,而且頂板塊度較大,相對堅硬,使用效果較好。由于瑪麗散的固結作用,減輕了工作面上、下端頭頂板破碎程度,避免了漏矸,礦壓顯現(xiàn)程度降低。另外,對超前支護段單體支柱,我礦采用質量較輕的塑料柱鞋,減輕了支柱鉆底量,保證了超前支護阻力,控制了頂板下沉。

3 強化管理、落實到位

冒頂事故主要是沒有得到及時控制片幫,支護質量差造成的,因此樹立煤壁片幫,冒頂?shù)痊F(xiàn)象在三軟煤層綜采工作面可以避免的意識,通過制定制度,加強職工教育培訓,提高職工的責任心和操作水平是綜采工作面安全、高效開采必不可少的條件。

[1]朱俊福,何國益,劉 剛,等.五鳳煤礦軟巖支護技術研究[R].畢節(jié):永貴五鳳煤業(yè)有限責任公司,北京:中國礦業(yè)大學,2008:38-39.

[2]夏永學.屯留礦大采高綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與煤壁穩(wěn)定性研究[D].北京:煤炭科學總院,2009:1-3.

[3]郭明星.如何預防綜放工作面的片幫和冒頂[J].經(jīng)營管理者,2008(13):24-25.