李軍亮

（晉城市煤炭煤層氣工業(yè)局，山西晉城048000）

鹽酸軟化法在綜采工作面過(guò)陷落柱時(shí)的應(yīng)用

李軍亮

（晉城市煤炭煤層氣工業(yè)局，山西晉城048000）

本文基于綜采工作面通過(guò)陷落柱的問(wèn)題，以山西蘭花集團(tuán)唐安煤礦3405工作面地質(zhì)條件為背景，通過(guò)理論分析以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提出采用向陷落柱內(nèi)注射鹽酸使其內(nèi)部巖石軟化，進(jìn)而利用采煤機(jī)直接過(guò)陷落柱方法。工程實(shí)踐表明，該方案安全、可靠、高效，可為類似條件下的工作面直接過(guò)陷落柱提供借鑒和參考。

陷落柱；鹽酸溶液；軟化；綜采工作面

1 工作面概況

山西蘭花集團(tuán)唐安煤礦3405綜放工作面開采3＃煤層，煤層平均厚度5.8 m，層理明顯，節(jié)理、裂隙較發(fā)育。煤層傾角3°。3＃煤偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0.4 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚3.5 m；基本頂為細(xì)砂巖，厚5.3 m；直接底為粉砂巖，厚2.8 m；基本底板為砂質(zhì)泥巖，厚1.4 m。

井田總體呈一單斜構(gòu)造，地層平緩，走向北東，傾角不大，一般為0~5°，平均3°。井田內(nèi)主要為單斜構(gòu)造，伴隨有寬緩的向背斜構(gòu)造。根據(jù)三維地震報(bào)告該工作面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷層等地質(zhì)構(gòu)造?；仫L(fēng)順槽上距開切眼897.6 m、頂層瓦斯巷上距開切眼894 m處有一陷落柱，長(zhǎng)軸長(zhǎng)25 m，短軸長(zhǎng)17 m，對(duì)工作面回采有一定影響。

2 過(guò)陷落柱的方案

2.1 傳統(tǒng)過(guò)陷落柱的方案

現(xiàn)階段，綜采工作面在遇到陷落柱時(shí)主要采用以下3種方法，即：搬家跳采、直接硬過(guò)以及開掘繞巷。這3種方法中，采用搬家跳采時(shí)需要另開切眼，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)與支護(hù)工程量大，搬家工期長(zhǎng)，影響了工作面正常生產(chǎn)，出現(xiàn)煤柱留設(shè)尺寸較大、煤炭資源損失量太大等問(wèn)題；直接硬過(guò)法的影響因素主要是采煤機(jī)切割較困難，會(huì)造成采煤設(shè)備的損害。若不采用采煤機(jī)直接硬過(guò)，則需采用爆破法輔助破巖，但采用爆破時(shí)，爆破后崩出大小尺寸不一的巖塊，會(huì)對(duì)液壓支架造成嚴(yán)重的損壞。除此之外，爆破過(guò)程中，巖石的崩出速度及位置不易控制，不利于外運(yùn)，同時(shí)容易誘發(fā)冒頂事故，該方法存在較大的安全隱患；開掘繞巷面臨著巷道掘進(jìn)量與支護(hù)工程量加大，同時(shí)支架移動(dòng)、替換以及工作面對(duì)接困難的問(wèn)題。因此，分析并尋找一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、簡(jiǎn)便快捷，安全可靠的綜采工作面順利過(guò)陷落柱的方案十分必要。

2.2 鹽酸軟化法過(guò)陷落柱的方案

根據(jù)理論及現(xiàn)場(chǎng)分析研究，本文給出了一種化學(xué)軟化巖石使綜采工作面通過(guò)陷落柱的方法，在陷落柱巖石中鉆孔，并注入化學(xué)溶液，利用化學(xué)溶液溶解、溶蝕陷落柱巖石礦物成分，改變了陷落柱巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減小了陷落柱巖石顆粒間的作用力，降低了陷落柱巖石內(nèi)部的黏結(jié)力，弱化了陷落柱巖石的力學(xué)強(qiáng)度，使得陷落柱巖石軟化，選取合理的采煤機(jī)截深與工作面循環(huán)進(jìn)度，使綜采工作面可直接通過(guò)陷落柱。

具體操作方案如下：

通過(guò)對(duì)陷落柱巖石的力學(xué)強(qiáng)度以及滲透性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果按照設(shè)定的間距由兩巷向陷落柱內(nèi)打鉆孔。

由于鹽酸溶液要對(duì)相應(yīng)的巖石產(chǎn)生軟化作用，對(duì)巖石就要有一定的浸泡時(shí)間。因此，向陷落柱內(nèi)注鹽酸時(shí)間需提前工作面推進(jìn)時(shí)進(jìn)行，即應(yīng)在該工作面推進(jìn)至距陷落柱有一定距離時(shí)便開始注射鹽酸溶液。

通過(guò)考慮被鹽酸軟化后陷落柱內(nèi)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度以及對(duì)應(yīng)工作面所配套的采煤機(jī)的截割深度及性能，同時(shí)還需考慮到工作面支架的護(hù)頂性能，最終確定出采煤機(jī)在過(guò)陷落柱過(guò)程中所選擇的合理截深。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

唐安煤礦3405工作面陷落柱形狀近似橢圓形，長(zhǎng)軸25 m，短軸17 m。

陷落柱內(nèi)巖石樣品在不同濃度的HCl溶液作用下其單軸抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖1，通過(guò)分析計(jì)算可得，溶液濃度為2%時(shí)強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線擬合關(guān)系為σc=-18.14 ln（t）+39.11。由此可知，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度隨著溶液浸泡時(shí)間的增加而降低，以2%濃度的HCl溶液為例，當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)12 d時(shí)，巖石樣品的單軸抗壓強(qiáng)度為12.25 MPa，隨著浸泡時(shí)間的進(jìn)一步增加，其單軸抗壓強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。

圖1 不同濃度HCl浸泡后巖樣抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化圖

3405工作面中陷落柱位置、尺寸以及向陷落柱打注射鹽酸鉆孔相關(guān)參數(shù)示意圖見圖2。實(shí)際操作中，在回風(fēng)巷中向陷落柱打注液鉆孔，鉆孔直徑為42 mm，鉆孔距離工作面頂板間距為1.5 m，距離工作面底板間距為2 m，各注液鉆孔間距為6 m。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，向注液孔內(nèi)注射選用濃度為2%的HCl溶液，每孔注射溶液量為2~4 m3，向陷落柱內(nèi)注射HCl溶液位置選為超前該綜采工作面煤壁48 m左右，由于3405工作面推進(jìn)速度為4 m/d。因此，當(dāng)3405工作面推進(jìn)至該陷落柱時(shí)，經(jīng)前期注入鹽酸軟化的陷落柱內(nèi)巖石單軸抗壓強(qiáng)度為12.25 MPa，該強(qiáng)度接近于該工作面開采煤的單軸抗壓強(qiáng)度，此時(shí)基本滿足采煤機(jī)直接割過(guò)陷落柱的條件，考慮到工作面頂板管理以及與支架、運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備的配套使用因素，將3405工作面直接過(guò)陷落柱期間的截割深度確定為600 mm。

圖2 工作面對(duì)陷落柱注液孔布置平面示意圖

采用上述過(guò)陷落柱方案及相應(yīng)參數(shù)后，3405工作面達(dá)到了直接推過(guò)陷落柱的目的，且其推進(jìn)速度與割煤推進(jìn)速度基本一致，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本文針對(duì)唐安煤礦3405工作面陷落柱的具體地質(zhì)條件，提出并成功實(shí)踐了回采工作面直接過(guò)陷落柱的鹽酸軟化法，通過(guò)分析、測(cè)試，揭示了鹽酸對(duì)砂質(zhì)泥巖的軟化機(jī)制，給出了工作面直接過(guò)陷落柱的具體參數(shù)，并得出以下結(jié)論：

1）隨HCl溶液浸泡濃度升高，砂質(zhì)泥巖的孔隙率增加、屈服點(diǎn)變化明顯、塑性增強(qiáng)，但彈性模量變化不明顯。

2）針對(duì)工程具體條件，選取合適的鹽酸溶液濃度、合理浸泡時(shí)間、注液量、合理采煤機(jī)截深，可以確?；夭晒ぷ髅嬷苯油ㄟ^(guò)陷落柱，為類似條件下的工作面過(guò)陷落柱工程提供了一定的指導(dǎo)。

該方法減少了綜采工作面跳過(guò)、繞過(guò)與直接硬過(guò)陷落柱時(shí)的巷道掘進(jìn)與支護(hù)工程量、煤炭損失量和搬家工作量，消除了支架移動(dòng)、替換與工作面對(duì)接困難以及硬過(guò)對(duì)設(shè)備造成的損害等，確保了綜采工作面的正常推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、簡(jiǎn)便快捷、安全可靠、煤炭損失少，具有較強(qiáng)的推廣與應(yīng)用價(jià)值。

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The Application of Hydrochloric Acid Softening Method on Fully Mechanized Mining Face Passing Collapse Column

Li Jun-liang

Bases on the problem of fully mechanized mining face passing collapse column，and takes the geological condition of Tang'an coal mine 3405 working face in Shanxi Lanhua Group as the background，through theoretical analysis and field application，puts forward the method of passing collapse column that injects hydrochloric acid into collapse column to make internal rock softening，and then utilizes coal cutter cutting directly. Practical application shows that the scheme is safe，reliable and efficient，it can provide a reference for the working face directly passing collapse column under similar conditions.

Collapse column;Hydrochloric acid solution;Softening;Fully mechanized mining face

TD823.8

B

1672-0652（2014）11-0016-03

2014-10-20

李軍亮（1973—），男，山西晉城人，1996年畢業(yè)于山西礦業(yè)工程學(xué)院，高級(jí)工程師，主要從事煤礦安全管理工作（E-mail）lijunliang1008@126.com