综采工作面过断层漏顶控制技术研究

蔺 剑

(山西煤炭运销集团 吕梁有限公司,山西 孝义 032300)

随着煤矿采掘深度增加以及开采范围不断增大,煤炭回采期间受地质构造、顶板破碎、地应力等因素影响更趋显著,虽然采用先进的采掘设备及灾害治理技术能在一定程度提高煤炭安全生产保障能力,但是煤矿生产过程中顶板事故仍未完全杜绝[1-3]。特别是采面回采过断层构造时,由于断层影响范围内煤岩体破碎、承载能力差及构造应力发育等,容易导致采面液压支架出现架前或者架间等位置漏矸、漏顶问题,制约采面生产并存在较大的安全隐患[4-6]。山西某矿现阶段采掘深度已达到600 m,煤层开采受到较大的地应力影响,加之回采的煤层顶底板强度较低、裂隙发育,导致顶板管理难度大,特别是回采过断层时液压支架上覆岩破碎矸石容易通过架前、架间漏矸,严重影响采面生产。为此,本文以该矿11303综采工作面过断层为工程实例,结合现场情况针对性提出采面过断层期间漏顶控制技术,以期提高采面煤炭生产效率及安全保障能力。

1 工程概况

11303综采工作面位于3采区东部,设计推进长度、倾向斜长分别为980 m、186 m,采面西侧为已回采完毕的11301综采工作面,东侧及北侧均为实体煤,南侧为采区集中巷道,采面下覆为圈定的13305工作面(该采面回采11号煤下覆的13号煤)。11303综采工作面回采的11号煤层埋深均值为680 m,煤层厚度2.76～4.31 m(均值3.5 m),煤层结构较为复杂、含2～3层炭质泥岩夹矸。11号煤下覆35 m为13号煤,煤厚2.7 m,赋存稳定。11号煤层顶底板岩性以炭质泥岩、泥岩及粉砂岩为主,煤层上方有厚度0.2～0.6 m不等的炭质泥岩,随采随垮。采面布置的主要综采设备包括MG300/700-WDK采煤机、SGZ730/400型刮板输送机、ZY6700/20/40液压支架等。11303综采工作面回采范围内地质构造较为复杂,回采巷道掘进期间揭露有f1～f8等多条断层,断层落差在1.2～3.1 m,在断层影响范围内煤层松软、承载能力差,同时顶底板岩层破碎、裂隙发育。采面在过断层影响区时,受构造应力、地应力、围岩破碎以及煤体松软等多因素影响,采面出现煤壁片帮、支架出现漏顶问题,影响生产。具体采面位置及断层构造大致分布情况见图1.

图1 采面位置及断层构造大致分布示意

2 采面过断层漏顶分析

11303综采工作面过断层期间漏顶主要发生在液压支架顶梁前端,且在周期来压期间片帮、漏顶情况加剧。结合现场条件分析,导致采面漏顶的主要原因有:

1) 采面回采深度大、地应力影响明显。11303综采工作面回采的11号煤层埋深均值为680 m,采面回采受地应力影响明显,且在采动动压影响下,采面前方煤体及煤体内夹矸在地应力、采动压力等叠加作用下容易出现压缩情况;采面采高平均为3.5 m,开采高度大会降低煤壁稳定性,同时导致顶板剧烈运动,增大采面片帮、漏顶发生几率。

2) 煤岩体裂隙发育。在断层破碎带内,煤体及顶底板裂隙均较为发育,顶板完整性较差且整体强度较低;加之煤层内、顶板上的炭质泥岩、泥岩岩体呈现脆性、强度低等特点,在构造应力及地应力影响下容易破碎,从而导致部分矸石从支架间隙位置下落,导致漏顶问题发生。

3) 采面液压支架侧护与梁端间距为900 mm,邻近的2架液压支架前梁侧护间有长×宽=900 mm×200 mm孔隙,同时支架前方有340 mm端面空顶距,支架顶板无法实现顶板全覆盖支护,导致顶板破碎矸石沿着梁端、架间孔隙掉落,严重时甚至出现大范围片帮、冒顶问题。

3 漏顶控制技术

11303综采工作面过断层期间,受开采煤层埋深大、地应力高、断层影响区内构造应力发育、煤岩体破碎等因素影响,采面液压支架采用传统的顶板管理措施时仍出现一定程度漏顶情况,影响煤炭生产[7-9]。为此,结合现场实际情况,从提高煤壁及顶板稳定性方面考虑,提出采用超前注浆、顶板铺网、穿管子方式进行漏顶治理。

3.1 超前注浆

由于断层斜穿整个11303综采工作面回采空间,为避免采面煤壁片帮、漏顶情况发生,对顶板及煤壁进行注浆,注浆钻孔分别布置在采面运输巷、回风巷内,布置间隔均为5 m,孔深统一为90 m.钻孔开孔高度均为2.0 m、仰角均为2°,通过适当提高开孔高度、采用一定仰角,确保注浆浆液可覆盖11号煤层上部煤体及顶板破碎岩体,以便同时加固煤壁及破碎顶板。注浆浆液选择马丽散,注浆压力控制在5～8 MPa,浆液在裂隙内充填、固结后,可提高煤岩体稳定性及整体承载能力,降低开采扰动下出现片帮、漏顶概率。注浆钻孔布置见图2.

图2 注浆钻孔布置示意

3.2 顶板铺网

待对煤壁及顶板岩体注浆后,煤壁及顶板承载能力明显提升,在不受外力或者外力作用较小时煤岩体在一定时间内可保持稳定,但是当受到较大作用力时顶板完整性容易被破坏。如液压支架在升架或者采面来压期间,顶板岩体容易破碎,从而出现漏顶问题,为此,在注浆完成后铺网。根据现场条件,在顶板铺设双层网,第一层网为网格50 mm×50 mm的菱形金属网,第二层网为网格60 mm×60 mm的塑性网。塑性网网格与菱形金属网存在差异,从而避免两层网网格出现重叠,增加铺网密度,可阻止顶板漏矸;同时塑性网有光滑、平整等优点,可减少液压支架移架期间阻力,利于移架。

3.3 穿管子

铺网后为避免顶板坠落矸石挤压网片形成“网兜”,导致液压支架移架期间出现撕裂、搓网情况,待铺设后及时穿管子托网,以便降架移架期间管子两端分别搭接到邻近的支架上,通过管子托起网片,确保液压支架移架期间网片处于完好状态。

穿管子时采用长度4.0 m、孔径5 cm或10 cm钢管,在铺设网片下方以支架护帮板为端点将管子固定到网片上。通过护帮板将管子、网片一同托起。液压支架移架采用交错拉架方式。

3.4 采面“三直”控制

输送机、支架等弯曲会引起支架挤架、错台或者咬架的问题,进而加剧顶板破碎程度及管理难度。为此针对性制定采面“三直”控制措施:①采取措施确保刮板输送机每次能够移动1个步距,避免出现累积位移给后续调整带来困难;②采用拉线移架,在交接班时拉通线校正;③测量人员每间隔10 d对采面煤壁、支架、刮板输送机“三直”情况进行验收,并将验收结果当作区队质量标准化考察的项目之一,通过采取有力措施确保采面煤壁、输送机及支架均平直。

4 结 语

1) 断层等地质构造是影响11303综采工作面安全、高效回采的不利因素,采用钻探、物探等技术手段对断层类型、延展方向及落差等参数进行分析,并针对性采取措施对断层影响区进行处理,是实现采面安全高效过断层、避免回采期间冒顶事故发生的有效技术方法。

2) 在断层构造作用、构造应力、地应力及采动等多因素影响下,11303综采工作面顶板岩体裂隙发育、破碎,采面在过断层期间面临较大的漏顶问题。为此提出在超前注浆基础上,通过铺设双层网、穿管子最大程度减少空顶时间及空顶面积,从而有效避免采面过断层期间出现片帮、漏顶等问题。