孫長斌

(國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司 石圪臺(tái)煤礦，陜西 神木 719315)

神東礦區(qū)位于晉、陜、蒙三省交界處，是我國典型的淺埋深、近水平、易自然、賦存穩(wěn)定、地質(zhì)條件簡單煤層礦區(qū)[1]。隨著綜采技術(shù)的迅速發(fā)展，綜采工作面的安全高效回撤已成為一項(xiàng)至關(guān)重要技術(shù)。在神東礦區(qū)廣泛應(yīng)用輔巷多通道回撤工藝，大大縮短了工作面回撤時(shí)間，由原來30d左右減少為7～10d[2-5]。但是該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用中綜采工作面末采貫通頂板控制尤為關(guān)鍵，要求工作面貫通后處在基本頂斷裂回轉(zhuǎn)形成的穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)下，防止工作面出現(xiàn)沿煤壁切頂、壓架事故，影響設(shè)備回撤[7-12]。因此對(duì)石圪臺(tái)煤礦31305綜采工作面末采貫通及設(shè)備回撤頂板控制進(jìn)行了研究，通過采取等壓開采[2]、長短鉆孔配合的水力預(yù)裂頂板技術(shù)[13-17]、加強(qiáng)主回撤通道支護(hù)、合理控制推采速度[6]等措施取得了良好效果，對(duì)以后綜采工作面的末采貫通頂板控制具有一定借鑒意義。

1 工程概況

石圪臺(tái)煤礦31305綜采工作面上部為22303綜采面采空區(qū)，層間距為30m左右，直接頂為砂巖，層理發(fā)育，老頂為鈣質(zhì)膠結(jié)，致密堅(jiān)硬的細(xì)粒砂巖，工作面煤巖柱狀圖如圖1所示。31305工作面寬度285.2m，推進(jìn)長度4583.6m，煤層賦存穩(wěn)定，煤厚平均3.5m，傾角1°～3°。采用長壁式采煤方法，后退式采煤。工作面設(shè)備配套主要有采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等，設(shè)備規(guī)格和主要參數(shù)見表1。

圖1 31305工作面煤巖柱狀圖

表1 31305綜采面配套設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

2 綜采面末采頂板控制工程技術(shù)

2.1 長短鉆孔高壓水預(yù)裂頂板技術(shù)

針對(duì)石圪臺(tái)煤礦31煤三盤區(qū)工作面上部巨厚層堅(jiān)硬頂板在末采貫通過程中壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈的現(xiàn)象，31305工作面同時(shí)采用了短鉆孔高壓水預(yù)裂和定向長鉆孔高壓水預(yù)裂頂板的工程技術(shù)措施。依據(jù)工作面頂板柱狀圖、鉆孔壓裂施工工藝及影響范圍、工作面寬度、煤巖體結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)結(jié)合以往工作面末采在回撤通道施工短鉆孔水力壓裂頂板和定向長鉆孔在工作面過上部集中煤柱時(shí)超前弱化治理頂板的實(shí)際應(yīng)用情況，進(jìn)行了鉆孔參數(shù)和數(shù)量的設(shè)計(jì)。

31305工作面貫通前一個(gè)月在主回撤通道，利用ZDY1200S型鉆機(jī)垂直主通道正幫向工作面方向施工仰角35°和50°、孔深40m和36m、?56mm的短鉆孔預(yù)裂基本頂，短鉆孔水力壓裂布置如圖2所示，根據(jù)以往工作面預(yù)裂經(jīng)驗(yàn)可知，短鉆孔預(yù)裂影響范圍為20m左右。從工作面回風(fēng)巷向未受通道預(yù)裂影響的基本頂繼續(xù)施工短鉆孔預(yù)裂卸壓存在施工量大、有效卸壓面積小的問題，故利用定向鉆孔軌跡可控、鉆孔深度大，覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，在工作面回風(fēng)巷距離主回撤通道正幫55m處施工與工作面平行的定向長鉆孔，定向長鉆孔水力壓裂布置如圖3所示，在鉆孔內(nèi)采用雙封單拖的方式進(jìn)行分段壓裂。根據(jù)定向鉆孔在石圪臺(tái)煤礦31煤二盤區(qū)和22煤三盤區(qū)工作面過集中煤柱時(shí)對(duì)基本頂?shù)某叭趸卫砬闆r，同時(shí)結(jié)合施工單位的理論計(jì)算及數(shù)值模擬可知，定向長鉆孔在堅(jiān)硬頂板的預(yù)裂影響范圍約為40m(鉆孔兩側(cè)各20m)，加上短鉆孔預(yù)裂影響范圍，工作面在貫通前75m范圍內(nèi)老頂均受到了高壓水壓裂裂縫的影響，整體完整性遭到了破壞。從而達(dá)到減小周期來壓步距，降低礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。

圖2 31305工作面主回撤通道施工短鉆孔水力壓裂布置(m)

圖3 31305工作面施工定向長鉆孔水力壓裂布置(m)

2.2 等壓開采

等壓開采技術(shù)[1]是根據(jù)貫通前最近2～3次工作周期來壓步距，同時(shí)結(jié)合工作面末采剩余推進(jìn)距離等因素確定等壓位置。工作面推采至等壓位置時(shí)未來壓，通過停采讓壓，縮短來壓步距，使貫通前老頂最后一次來壓提前，確保貫通前頂板壓力釋放，貫通后設(shè)備回撤過程中，頂板無壓，安全回撤。

石圪臺(tái)煤礦31305綜采工作面末采通過觀測、分析總結(jié)受高壓水壓裂影響段頂板來壓規(guī)律，周期來壓步距平均12.8m，來壓持續(xù)距離4m，無壓距離8.8m。工作面推采至距貫通剩余6m時(shí)，工作面未來壓，而此時(shí)距離上次來壓12.6m，根據(jù)推采計(jì)劃停采等壓6h后工作面壓力顯現(xiàn)，正常推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了順利貫通。

2.3 合理控制推進(jìn)速度

根據(jù)末采期間鋪網(wǎng)工序和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律合理控制工作面推進(jìn)速度，保證均衡生產(chǎn)。若工作面推進(jìn)速度較快，則基本頂懸頂面積增大，周期來壓步距延長，頂板斷裂釋放的彈性能增大，工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。反之減緩工作面推進(jìn)速度，不僅可以降低儲(chǔ)存在巖層中的彈性能還可以讓基本頂斷裂回轉(zhuǎn)形成穩(wěn)定的梁式鉸接結(jié)構(gòu)，降低來壓強(qiáng)度和來壓持續(xù)時(shí)間，防止強(qiáng)礦壓下可能出現(xiàn)壓架或沿工作面煤壁切頂事故。

但是需要進(jìn)一步說明的是合理放緩末采推采速度同時(shí)要結(jié)合工作面超前應(yīng)力影響情況，根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]結(jié)論來看，當(dāng)工作面推進(jìn)速度過慢，超前應(yīng)力峰值向工作面煤壁前方煤體移動(dòng)，受超前應(yīng)力的影響，工作面煤壁片幫嚴(yán)重，阻礙正常推進(jìn)；當(dāng)工作面快速推進(jìn)時(shí)，超前應(yīng)力峰值向工作面煤壁移近，形成應(yīng)力集中區(qū)域，工作面易發(fā)生漏頂事故。故工作面末采期間合理選擇推進(jìn)速度，必須要結(jié)合采場實(shí)際情況來確定。石圪臺(tái)煤礦31305綜采面末采期間推進(jìn)速度由正?；夭善陂g13.5m/d調(diào)整為10.5m/d，確保了工作面末采安全掛網(wǎng)，更是實(shí)現(xiàn)末采頂板壓力成功管控的重要因素。

2.4 加強(qiáng)主回撤通道支護(hù)

31304-2綜采面末采貫通后主回撤通道頂板下沉量最大達(dá)720mm，幫部鼓出、片幫深度最大1000mm，通過分析總結(jié)礦壓顯現(xiàn)情況，對(duì)31305工作面主回撤通道支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行了增強(qiáng)，與31304工作面主通道支護(hù)強(qiáng)度相比在原通道支護(hù)的基礎(chǔ)上沿主通道頂板中線補(bǔ)打了一排?28.6mm×8000mm錨索，原采用的15000kN垛式支架變?yōu)?8000kN垛式支架，通過計(jì)算31305主通道支護(hù)強(qiáng)度為1.6MPa，是31304綜采面主通道支護(hù)強(qiáng)度的1.3倍。

31305綜采工作面主回撤通道頂板被動(dòng)支護(hù)采用兩排18000kN垛式支架，主動(dòng)支護(hù)方式為“螺紋鋼錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)片+鐵絲網(wǎng)+W鋼帶”支護(hù)，正幫側(cè)采用玻璃鋼錨桿，負(fù)幫側(cè)采用“圓鋼錨桿+金屬網(wǎng)+錨索+W鋼帶”，如圖4所示，通過加強(qiáng)主回撤通道的支護(hù)，貫通后主通道頂板下沉量100～200mm，幫部出現(xiàn)輕微鼓出、片幫深度300～500mm。通過31305綜采面的實(shí)踐證明了主通道支護(hù)增強(qiáng)后基本滿足要求，保證了設(shè)備的安全回撤。

圖4 主回撤通道支護(hù)(mm)

3 應(yīng)用效果分析

石圪臺(tái)礦31305工作面末采段60m范圍內(nèi)與正?；夭善陂g的平均周期來壓步距、來壓持續(xù)長度、動(dòng)載系數(shù)、頂板下沉量等礦壓顯現(xiàn)指標(biāo)見表2，31305工作面末采和正?；夭善陂g支架壓力分布如圖5所示。由表2和圖5可知，在理論分析和結(jié)合以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，末采期間工程技術(shù)人員比較準(zhǔn)確地掌握了頂板的來壓情況和長短鉆孔高壓水預(yù)裂堅(jiān)硬基本頂?shù)挠绊懛秶?，為工作面的順利貫通、設(shè)備回撤提供了可靠的保障；在淺埋深礦區(qū)巨厚層堅(jiān)硬基本頂下綜采面末采貫通礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，通過采取增強(qiáng)主通道支護(hù)、高壓水鉆孔壓裂超前弱化治理頂板、等壓開采、控制推采速度等工程技術(shù)措施是可以有效控制巨厚層堅(jiān)硬頂板。

表2 末采期間和正常回采期間礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5 31305工作面末采和正?；夭善陂g支架壓力分布

4 結(jié) 論

1)等壓開采技術(shù)的應(yīng)用可以縮短周期來壓步距，讓老頂提前來壓釋放壓力，避免了工作貫通和設(shè)備回撤過程中頂板來壓可能發(fā)生壓架的風(fēng)險(xiǎn)。

2)合理選擇推采速度與同時(shí)對(duì)基本頂進(jìn)行短鉆孔水預(yù)裂和定向長鉆孔水力預(yù)裂超前弱化頂板有效降低了基本頂?shù)膩韷簭?qiáng)度，來壓持續(xù)距離。

3)主回撤通道支護(hù)的增強(qiáng)，有效控制了工作面回撤過程中頂板鱗皮、局部冒落、頂板下沉量大，幫部片幫嚴(yán)重的現(xiàn)象。

4)建議低采高綜采面末采貫通時(shí)在采取前述措施的同時(shí)還需加大工作面采高，合理選擇掛網(wǎng)位置，不能按照柔性網(wǎng)的尺寸來確定掛網(wǎng)位置。