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        馬脊梁礦綜放工作面壓架漏頂原因分析及治理方法

        2021-08-02 02:31:56臧功卿
        2021年8期
        關(guān)鍵詞:支架施工

        臧功卿

        (大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 大同 037003)

        大同礦區(qū)石炭系C3-5號(hào)層特厚煤層埋深在200~500 m,煤層厚度大(10~30 m)、夾矸層數(shù)較多(2~13層),普遍受火成巖不規(guī)則侵入,因而煤體整體結(jié)構(gòu)完整性較差,硬度呈現(xiàn)下大上小的變化;同時(shí)煤層上覆有多層堅(jiān)硬頂板,巖性以砂巖和礫巖為主;因而受C3-5號(hào)煤層原生環(huán)境的影響,再疊加其他地質(zhì)構(gòu)造的影響,在開(kāi)采過(guò)程中,往往會(huì)遇到工作面漏頂和壓架的情況,本文以礦區(qū)內(nèi)馬脊梁礦綜放工作面為例,對(duì)其發(fā)生壓架和漏頂?shù)脑蜻M(jìn)行分析并提出對(duì)策。

        1 工作面概況

        馬脊梁礦C3-5號(hào)層8103綜放工作面設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度400 m,傾向長(zhǎng)度200 m,煤層平均厚12.75 m,共使用118架ZF13000/25/38型支架,工作面采高為3.5 m,放高9.25 m,采放比為1∶2.64,放煤方法為多輪分組間隔放煤法,采空區(qū)頂板采用自然垮落法處理。工作面直接頂為泥巖,老頂以砂巖和礫巖為主,底板為泥巖和砂巖,煤層傾角平均9°(6°~12°),煤厚(含矸)10.45~15.5 m,其中純煤厚7.6 m,正常煤層中含夾矸2~6層,夾矸巖性為碳質(zhì)泥巖,煤層上部有天然焦,天然焦含3~4層火層巖侵入體,導(dǎo)致頂煤疏松破碎,煤層整體f值由下向上變小,變化區(qū)間為2~0.5。工作面為三巷布置,分別為:2103膠帶巷、5103回風(fēng)巷和8103頂抽巷,通風(fēng)方式為“U+I”型。

        2 壓架漏頂現(xiàn)象

        8103工作面在回采期間周期來(lái)壓頻繁,來(lái)壓步距為10~15 m,來(lái)壓期間壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈,造成頂板管理困難,嚴(yán)重影響工作面正?;夭伞F渲械?次周期來(lái)壓最為明顯,來(lái)壓位置為140 m,來(lái)壓步距為17 m,工作面20~100號(hào)支架壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈,整體頂煤破碎嚴(yán)重,80%的支架安全閥開(kāi)啟;23~45號(hào)架前探梁垂頭,無(wú)法通過(guò)采煤機(jī);采煤機(jī)在54號(hào)架處被支架壓住無(wú)法行走;62~66號(hào)架壓死,前立柱無(wú)行程;66號(hào)架前立柱雙柱底座箱打通;67號(hào)架前立柱雙柱柱窩損壞,支架主梁上方蓋板與柱窩結(jié)構(gòu)件開(kāi)焊裂縫;30~80號(hào)架支架前探梁背大矸,其中68~73號(hào)架對(duì)應(yīng)煤壁超前1~1.5 m片幫,支架前探梁垂頭,頂煤破碎嚴(yán)重;前部刮板輸送機(jī)壓死,工作面不能正常推進(jìn),見(jiàn)圖1。

        圖1 工作面來(lái)壓現(xiàn)狀

        3 壓架漏頂原因分析

        3.1 工作面切頂線前移

        工作面為仰斜開(kāi)采,仰斜角度最大超過(guò)10°,支架上方頂煤容易滑落,初撐力管理困難。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤壁片幫1~1.5 m,可判斷基本頂斷裂線在煤壁前方1~1.5 m外破斷,破斷形成的結(jié)構(gòu)塊作用在煤壁或支架前端,從而引起支架前端受力栽頭,導(dǎo)致支架失效,并加速頂煤和頂板的不穩(wěn)定,以及頂煤上部大塊巖石沿支架端垮落下來(lái)。具體為周期來(lái)壓前,基本頂為懸臂結(jié)構(gòu),周期來(lái)壓后,懸臂結(jié)構(gòu)斷裂形成結(jié)構(gòu)塊體,該塊體長(zhǎng)度一般為基本頂來(lái)壓步距,上方不穩(wěn)定巖層的載荷同時(shí)作用在該結(jié)構(gòu)塊體上方,該結(jié)構(gòu)塊的前端作用在煤壁和支架前部,導(dǎo)致煤壁片幫和支架前端過(guò)載而后端空載,從而導(dǎo)致支架栽頭,使支架上方失穩(wěn)的大塊巖石通過(guò)支架前端向機(jī)道漏冒,從而造成生產(chǎn)的被動(dòng)局面。

        3.2 工作面開(kāi)采達(dá)到充分采動(dòng)條件

        8103工作面平均埋深超過(guò)520 m,埋深較大,且為單翼連續(xù)開(kāi)采的第三個(gè)工作面,達(dá)到了該條件下的充分采動(dòng)條件,采場(chǎng)壓力最大。具體為:工作面南部分別為8101采空區(qū)和8101-1采空區(qū),開(kāi)采順序?yàn)?101工作面—8101-1工作面—8103工作面,3個(gè)工作面斜長(zhǎng)總和為623 m。8101工作面和8101-1工作面開(kāi)采后地表巖層未達(dá)到充分采動(dòng),8103開(kāi)采后,工作面斜長(zhǎng)達(dá)到623 m,為埋深的1.2倍,地表巖層達(dá)到充分采動(dòng),充分采動(dòng)條件為:開(kāi)采范圍/埋深等于1.2~1.5。

        3.3 工作面受上覆高位關(guān)鍵層影響

        煤層上方50 m范圍內(nèi)賦存有3層厚度超過(guò)11 m的砂巖和砂礫巖,為堅(jiān)固完整的巖層,不容易破斷,在采場(chǎng)空間易形成較長(zhǎng)的懸臂梁結(jié)構(gòu),屬于高位關(guān)鍵層,見(jiàn)圖2。

        圖2 地質(zhì)鉆孔柱狀圖

        4 壓架及漏頂綜合治理方法

        4.1 臨時(shí)處理方法

        在液壓支架前端,采用單體液壓柱臺(tái)棚輔助支撐方法,對(duì)支架進(jìn)行逐架修復(fù)至正常狀態(tài);支架狀態(tài)以頂梁向上10~15°為宜,此時(shí)支架受力最為有利,當(dāng)支架恢復(fù)到正常狀態(tài)后,單體支柱即可拆除;在恢復(fù)支架的過(guò)程中要確保運(yùn)輸機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),能夠隨時(shí)處理片幫以及垮落的大塊煤矸;要嚴(yán)格支架管理,確保采高不超3.3 m(最小過(guò)機(jī)高度);嚴(yán)格控制最小控頂距,必要時(shí)要在極破碎區(qū)域固結(jié)煤壁。

        4.2 長(zhǎng)期治理方法

        為了從根本上解決礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題,提出弱化關(guān)鍵層頂板的治理思路,目前煤礦常用的頂板弱化方法有:地面鉆孔水力壓裂頂板、同層水平鉆孔水力壓裂頂板、巷道步距預(yù)裂爆破頂板和施工工藝巷預(yù)裂爆破頂板。由于工作面一側(cè)為采空區(qū),另一側(cè)工作面已回采140 m,巖體結(jié)構(gòu)完整性破壞,水壓致裂容易發(fā)生高壓水泄露,達(dá)不到壓裂效果,宜采用頂板預(yù)裂爆破方式弱化頂板的方案。

        5 頂板預(yù)裂爆破方案及比較

        5.1 兩巷打孔預(yù)裂爆破方案

        在兩巷進(jìn)行打孔預(yù)裂爆破頂板,鉆孔長(zhǎng)度較長(zhǎng),且需穿過(guò)煤層,根據(jù)以往長(zhǎng)鉆孔預(yù)裂爆破施工經(jīng)驗(yàn),鉆孔深度超過(guò)60 m后受鉆孔偏鉆、炸藥重量增加、鉆孔變形等影響,裝藥施工困難,因此鉆孔深度不宜超過(guò)60 m。

        鉆孔工程量:按照鉆孔垂距或終孔間距不超過(guò)12 m進(jìn)行設(shè)計(jì),每組需要8個(gè)爆破鉆孔,爆破鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1,每組鉆孔進(jìn)尺為375.2 m,末采30 m不放煤,兩巷207 m范圍內(nèi)需要施工爆破鉆孔,需施工30組鉆孔,合計(jì)鉆孔進(jìn)尺11 256 m。兩巷預(yù)裂爆破鉆孔布置見(jiàn)圖3。

        圖3 兩巷預(yù)裂爆破鉆孔布置示意

        表1 爆破鉆孔參數(shù)

        5.2 施工工藝巷打孔預(yù)裂爆破頂板方案

        工藝巷工程量:沿煤層頂板在工作面65號(hào)支架上方施工一條工藝巷,巷道沿煤層頂板掘進(jìn),巷道斷面4 m×3 m,巷道自5103巷通尺101 m開(kāi)口,與5103巷夾角45°水平施工33 m至8103頂抽巷下部,然后按6°仰角施工80 m揭露煤層頂板,最后沿5103巷平行施工285 m,共計(jì)需要483 m煤巷。

        鉆孔工程量:按照鉆孔垂距或終孔間距12 m進(jìn)行設(shè)計(jì),每組需要8個(gè)爆破鉆孔,爆破鉆孔參數(shù)見(jiàn)表2,每組鉆孔進(jìn)尺為357.3 m,末采30 m不放煤,共計(jì)有207 m工藝巷需要施工爆破鉆孔,需施工30組鉆孔,合計(jì)鉆孔進(jìn)尺10 719 m,工藝巷預(yù)裂爆破鉆孔布置見(jiàn)圖4。

        表2 爆破鉆孔參數(shù)

        5.3 方案對(duì)比分析及建議

        通過(guò)表3方案比較可知,采用工藝巷預(yù)裂爆破弱化頂板效果較好,每組鉆孔進(jìn)尺357.3 m,鉆孔總進(jìn)尺10 719 m,煤巷總進(jìn)尺483 m,該方案鉆孔淺,裝藥容易,不易出現(xiàn)炸藥無(wú)法送入孔底的情況。在工藝巷內(nèi)施工,不受其他設(shè)備管路影響,并且能夠有效弱化最易出現(xiàn)漏頂壓架的中部支架頂板,但施工483 m工藝巷,預(yù)計(jì)需要約20 d時(shí)間;而在兩巷預(yù)裂爆破無(wú)法有效對(duì)中部頂板進(jìn)行弱化,煤柱鉆孔進(jìn)尺375.2 m,鉆孔總進(jìn)尺11 256 m,雖然不用掘進(jìn)煤巷,但煤層中的鉆孔容易出現(xiàn)變形影響裝藥,且施工受膠帶、單體柱等設(shè)備管路影響嚴(yán)重。

        表3 工藝巷打孔預(yù)裂爆破與兩巷打孔預(yù)裂爆破方案對(duì)比

        6 結(jié) 語(yǔ)

        1) 工作面發(fā)生壓架及漏頂?shù)脑蛑饕怯捎谑苊簩由细哺呶魂P(guān)鍵層斷裂、開(kāi)采達(dá)到充分采動(dòng)條件、仰斜開(kāi)采切頂線前移及煤層本身結(jié)構(gòu)整體完整性較差綜合影響造成的。

        2) 為治理壓架及漏頂,應(yīng)首先在液壓支架前端采用單體液壓柱臺(tái)棚輔助支撐方法逐架將受壓支架修復(fù)至正常狀態(tài),但為了從根本上解決礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題宜采用弱化關(guān)鍵層頂板的治理方法。

        3) 建議采用施工工藝巷的方式對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破,能夠有弱化工作面中部頂板巖層,減小周期來(lái)壓步距,降低周期來(lái)壓強(qiáng)度,解決采場(chǎng)中部壓架漏頂問(wèn)題,且施工便利、安全性高、預(yù)期效果好。

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