強(qiáng)濟(jì)江 孟國(guó)勝 孫占成

馬脊梁礦綜采面應(yīng)力集中冒頂區(qū)治理技術(shù)研究

強(qiáng)濟(jì)江 孟國(guó)勝 孫占成

以大同煤礦集團(tuán)公司馬脊梁礦14-2#層305盤(pán)區(qū)8505綜采面應(yīng)力集中區(qū)冒頂問(wèn)題為研究對(duì)象，首先分析了工作面情況，在此基礎(chǔ)上得出該工作面冒頂?shù)脑?，并制定出治理冒頂?shù)募夹g(shù)方案，詳細(xì)闡述了治理工藝過(guò)程及注意事項(xiàng)，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證了工藝的先進(jìn)性，減少了該工作面應(yīng)力集中區(qū)的冒頂問(wèn)題。

綜采面；應(yīng)力集中區(qū)；片幫冒頂；馬麗散；羅克休

馬脊梁礦是一座年產(chǎn)400萬(wàn)t的大型礦井，隨著礦井戰(zhàn)場(chǎng)逐步向深部轉(zhuǎn)移，礦山壓力顯現(xiàn)明顯，回采巷道極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，頂板及煤壁周圍應(yīng)力集中區(qū)域明顯增大，綜采工作面煤壁片幫及漏垮冒頂問(wèn)題嚴(yán)重，嚴(yán)重阻礙工作面正常有序安全生產(chǎn)。所以，有必要采用科學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行綜合防治，有效控制工作面煤壁片幫及漏垮冒頂問(wèn)題，遏制頂板事故的發(fā)生，使馬脊梁礦安全高效生產(chǎn)，提高礦區(qū)的整體效益。

1 工程概況

馬脊梁礦14-2#層305盤(pán)區(qū)8505綜采工作面位于馬脊梁井田第二水平。該工作面地形地貌為溝谷相間的丘陵、臺(tái)地，有長(zhǎng)溝、海青溝穿越部分工作面，地面大部分為耕地、幼樹(shù)，地面無(wú)建筑物。地面標(biāo)高1 327 m～1 430 m，井下標(biāo)高1 112 m～1 166 m，位于井田深部。該工作面北東為14-3#層406盤(pán)區(qū)大巷，北西為本盤(pán)區(qū)實(shí)煤區(qū)，南東為本盤(pán)區(qū)8602工作面采空區(qū)，南西為萬(wàn)家咀村莊煤柱，上覆為14-2#層406盤(pán)區(qū)8608面采空區(qū)。工作面開(kāi)采14-2#煤層。該工作面煤層賦存穩(wěn)定性較差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜；煤層厚度0.6 m～4.4 m，平均為 2.5 m；煤層傾角為 20°～40°，平均30°，屬近水平煤層。

2 8505綜采面冒頂情況及原因分析

2.1 冒頂情況

根據(jù)工作面日常觀察發(fā)現(xiàn)，8505綜采面冒頂大多是局部冒頂。局部冒頂主要發(fā)生在巷道煤壁、切眼附近區(qū)域，應(yīng)力集中、回采面兩端 (機(jī)頭機(jī)尾部)、地質(zhì)破壞帶 (斷層面、含水裂隙)區(qū)域。這部分區(qū)域易發(fā)生冒頂，局部冒頂發(fā)生前常伴有煤壁片幫、頂板出現(xiàn)裂縫逐漸離層發(fā)生垮落漏頂、頂板掉渣、發(fā)出響聲等明顯征兆，在采動(dòng)影響下局部冒頂逐步發(fā)展成為大面積冒頂，頂板持續(xù)斷裂聲響越來(lái)越大，有時(shí)產(chǎn)生悶雷聲，煤壁片幫嚴(yán)重，頂板淋水加劇，極易發(fā)生冒頂事故。所以，要找出冒頂原因，采取合理有效治理手段治理冒頂，防止冒頂事故發(fā)生。

2.2 冒頂原因分析

該工作面處于井田深部，礦山壓力較淺部工作面明顯增大，頂板應(yīng)力更易集中，煤壁片幫及漏垮冒頂現(xiàn)象明顯。對(duì)于8505工作面，由于處于井田深部，礦山壓力大，煤壁周圍及頂板上方應(yīng)力集中明顯，煤壁及頂板所受的支撐壓力大。隨著工作面推進(jìn)，煤壁處于不穩(wěn)定狀態(tài)，垂直方向所受的應(yīng)力急劇變大，煤體節(jié)理裂隙變大，并且向巷道中央擴(kuò)張，加上基本頂?shù)姆磸?fù)斷裂，當(dāng)支撐壓力達(dá)到極限時(shí)，煤壁發(fā)生片幫。隨著片幫增大，空頂距變大，從而引起頂板冒落，而且煤壁片幫越嚴(yán)重，冒頂越嚴(yán)重。

該面冒頂區(qū)域煤巖層層理發(fā)育、裂隙明顯、極易破碎，基本頂巖塊緩慢運(yùn)動(dòng)時(shí)，基本頂與直接頂產(chǎn)生離層，基本頂巖塊向下運(yùn)動(dòng)，沖擊工作面液壓支架，支架載荷加大容易被壓壞導(dǎo)致冒頂。基本頂沖擊來(lái)壓時(shí)支架將可能被壓壞、壓死壓入煤層底板，導(dǎo)致冒頂事故。

從工作面相互關(guān)系來(lái)看，14-2#層305盤(pán)區(qū)8505工作面頂板受11#層8521工作面的影響，14-2#層305盤(pán)區(qū)8505工作面與11#層8521工作面空間影響關(guān)系見(jiàn)圖1。11-2#層305盤(pán)區(qū)8513工作面停采煤柱距離305盤(pán)區(qū)皮帶巷180 m，煤柱寬度30 m，兩層間距23 m。由于回采過(guò)程中上覆承壓煤柱應(yīng)力過(guò)于集中，導(dǎo)致8505工作面回采過(guò)程局部應(yīng)力明顯增加，煤壁易片幫，并且11#層采空區(qū)已平衡的應(yīng)力受采動(dòng)影響重新分布，煤壁出現(xiàn)大面積片幫，無(wú)法有效控制端面距，導(dǎo)致冒頂。當(dāng)8505面推進(jìn)到距11#煤層采空區(qū)約18 m～22 m區(qū)域時(shí)，來(lái)壓反應(yīng)明顯，老頂在支撐壓力作用下大面積失穩(wěn)，導(dǎo)致大面積冒頂。

從工作面回采工藝來(lái)看，8505綜采面采用留頂煤沿底板開(kāi)采，采煤機(jī)采煤高度為2.3 m～3.2 m，比煤層厚度低，頂煤垮落后支架不能正常接頂，造成冒頂。同時(shí)，回采過(guò)程中不及時(shí)移架也容易造成冒頂。此外，回采管理不合理也引發(fā)冒頂。為了安全生產(chǎn)，必須采用技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行治理。

3 8505綜采面應(yīng)力集中區(qū)巷道片幫冒頂治理技術(shù)

3.1 治理方案

針對(duì)馬脊梁礦14-2#層305盤(pán)區(qū)8505綜采面實(shí)際情況，結(jié)合本礦在多年生產(chǎn)中預(yù)防片幫冒頂?shù)慕?jīng)驗(yàn)及對(duì)其冒頂原因的分析結(jié)論可以得出：治理冒頂問(wèn)題重在加固煤體，加大煤體的抗壓能力。對(duì)于8505綜采面應(yīng)力集中冒頂區(qū)冒頂治理，采用綜合治理方案：羅克休泡沫充填巷道、馬麗散固化圍巖及煤體及改革道夾板傳統(tǒng)的連接方式3種技術(shù)手段相結(jié)合的方法。該方案最關(guān)鍵的是技術(shù)材料：羅克休泡沫及馬麗散兩種化學(xué)材料。

羅克休泡沫是一種具有高膨脹性的樹(shù)脂產(chǎn)品，由于該材料具有反應(yīng)速度快、膨脹系數(shù)大、性能穩(wěn)定、抗水性好、受力性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的高冒巷道充填。

馬麗散加固是一種新穎的化學(xué)加固方法，它由樹(shù)脂和催化劑兩種基本成分組成，注入煤巖層幾秒鐘后，經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)就可生成聚亞膠脂產(chǎn)品，開(kāi)始膨脹，對(duì)圍巖松動(dòng)圈裂隙進(jìn)行充填，對(duì)破碎松散體進(jìn)行粘結(jié)，使之成為整體，提高了圍巖的穩(wěn)定性和抗壓承載能力。治理工藝過(guò)程見(jiàn)圖2。

3.2 治理工藝過(guò)程

從圖2可以看出治理過(guò)程應(yīng)分為兩個(gè)階段?？傮w來(lái)說(shuō)，清理漏頂矸石，先把機(jī)組放在尾上，在清理漏頂矸石前檢查漏頂范圍內(nèi)支架工況，工況差的及時(shí)修理，不能及時(shí)修好的必須在其前探梁下支設(shè)單體柱，并且在漏頂區(qū)兩側(cè)的機(jī)道處支設(shè)帶帽單體支柱，待漏頂區(qū)四周維護(hù)好后，設(shè)專人站在安全地點(diǎn)將漏頂區(qū)的活石、零石用長(zhǎng)柄工具從兩頭向中間由下及上將其徹底清理干凈，待確認(rèn)安全后工作人員在支架前探梁下清理矸石。首先在漏頂區(qū)兩側(cè)溜子上搭蓋板，將漏下的矸石清理在蓋板上，使溜子開(kāi)啟，然后逐漸將其拉出，大塊經(jīng)人工破碎后拉出。詳細(xì)技術(shù)過(guò)程如下：

(1)待漏頂區(qū)矸石徹底清理干凈后，控制漏頂區(qū)頂板，采取穿鋼針用圓木剎頂，然后在其上方注羅克休充填，在煤體注馬麗散。

①穿鋼針由漏頂區(qū)兩旁向中間穿。鋼針采用4.5 m～5 m11#工字鋼，每個(gè)支架中間穿1根。支架端面距較大時(shí)，用氣焊在工字鋼上吹眼使用道夾板把兩根工字鋼連接起來(lái)使用。

②穿鋼針打孔前必須做臨時(shí)掩體。臨時(shí)掩體的施工方法為在相鄰的兩個(gè)支架前方，用4 m長(zhǎng)圓木一端斜頂在煤幫上，另一端用錨鏈將其與支架頂梁固定牢固，然后在其上鋪一層半圓木，并將其用把矩固定牢固。

③操作鉆機(jī)打孔人員必須在臨時(shí)掩體下工作。鉆孔布置在工作面頂板下方煤體下（便于支架前探梁挑起鋼針的地方）。鉆孔與煤體向上保持仰角，角度視漏高而定。端面距較大時(shí)，相鄰布置兩個(gè)孔，一個(gè)孔深3.5 m～4 m，使所穿鋼針外漏1 m；另一個(gè)孔深1 m～2 m，使鋼針外漏3 m～4 m，將緊靠的兩根鋼針用直徑12.7 mm鋼絲繩及蛤蟆卡固定牢固。

④穿鋼針前，將支架上方漏矸全部放下。操作時(shí)只能操作一架支架，待漏矸拉空后再操作下一架支架。然后穿鋼針并在其上順工作面鋪一層3 m～4 m圓木剎頂。以此方法打完所有鋼針，鋪完剎頂木。剎頂木排列要嚴(yán)密，剎頂木全部用把矩固定牢固。

⑤在剎頂木上方充填羅克休。

(2)待人工假頂全部做完后，采煤機(jī)從尾向頭掃底刀割煤，再將采煤機(jī)放到尾上，將工作面溜子推向煤壁，然后開(kāi)始移架。移架先移漏頂區(qū)兩側(cè)支架，再移漏頂區(qū)支架。移架時(shí)每次設(shè)專人只移一架，移過(guò)的支架必須接頂嚴(yán)密，端面距盡可能最小，支架初撐力符合要求。

3.3 羅克休及馬麗散加固施工工藝

圖3 鉆孔布置

羅克休及馬麗散加固施工，首先確定打孔位置（見(jiàn)圖3），要求孔直徑為42 mm，深度為3 m～5.5 m，方位角20°～60°，然后鉆孔，經(jīng)注漿泵及注射槍打入破碎冒落空間，完成一次注漿。然后沖洗管路循環(huán)注漿，施工工藝流程見(jiàn)圖4。注漿設(shè)備采用氣動(dòng)注漿泵，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.4 冒頂治理注意事項(xiàng)

在本方案施工治理14-2#層305盤(pán)區(qū)8505綜采面應(yīng)力集中區(qū)冒頂過(guò)程中，一定要注意以下安全事項(xiàng)：

圖4 工藝流程

表1 氣動(dòng)注漿泵技術(shù)參數(shù)

①處理漏頂期間，刮板機(jī)必須慢速開(kāi)，采取搭蓋板等方法控制溜子上的煤矸量，避免壓住刮板機(jī)，或戧斷大鏈；

②做人工假頂時(shí)，必須將溜子閉鎖；

③處理漏頂期間采煤機(jī)盡可能放在尾上，盡量將溜子拉空，以免壓住溜子；

④漏頂區(qū)移架和其他工序不能同時(shí)進(jìn)行，每次只能移1架支架；

⑤大塊矸石采用放炮、小塊錘打方式破碎；

⑥放炮前必須用廢舊皮帶將放炮點(diǎn)前后10 m以內(nèi)的液壓支架及支柱內(nèi)的儀表、機(jī)電設(shè)備、電纜、水管等遮掩好，以防打壞；

⑦放炮必須嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢制”和“3人連鎖放炮制”。

4 結(jié)論

通過(guò)綜采一隊(duì)連續(xù)兩個(gè)月的礦壓觀測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)人工觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)冒頂現(xiàn)象明顯減小，有效控制了原有的大面積冒頂，取得了很好的治理效果。

①采用新型假頂支護(hù)材料羅克休，安全高效、節(jié)省物料和人力、減少人員在漏頂區(qū)作業(yè)時(shí)間，提高安全系數(shù)；

②改革傳統(tǒng)的道夾板連接方式，11#工字鋼在漏頂區(qū)快速對(duì)接縮短作業(yè)時(shí)間；

③首次在煤體嘗試注射馬力散，上覆煤柱集中應(yīng)力得到有效控制；

④減少了由頂板事故引起的事故損失，提高了礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 溫運(yùn)峰，高永格.對(duì)厚煤層綜采面煤壁片幫冒頂嚴(yán)重的原因分析[J].河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(6)：69-71.

[2] 劉俊儒，趙樹(shù)軍.注馬麗散超前加固采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)圍巖實(shí)踐[J].煤，2008(1)：25-26.

[3] 錢(qián)鳴高，劉聽(tīng)成.礦山壓力及其控制 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1991：123-125.

Research on Treatment Technology of Stress Concentration Roof Caving Zone under Fully Mechanized Mining Face in Majiliang Coal Mine

Qiang Jijiang Meng Guosheng Sun Zhancheng

This paper is based on the14-2#Majiliang mine 305 disc region 8505 fully mechanized coal face roof fall area of stress concentration problem as the research object,first introduced the analysis of the conditions of the working face,on the basis of the working face roof fall cause,formulate management roof technology solutions,elaborate the management process and need attention,through production practice validation of advanced technology,to reduce the stress concentration zone of working face roof fall.

fully mechanized mining face;stress concentration zone;slide and roof fall;Marithan;ROCSIL FOAM

TD323

A

1000-4866（2012）02-0029-04

強(qiáng)濟(jì)江，男，1989年8月出生，2009年太原理工大學(xué)畢業(yè)，采礦工程專業(yè)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)公司馬脊梁礦工作，助理工程師。

孟國(guó)勝，1987年出生，采礦工程學(xué)士學(xué)位，內(nèi)蒙古科技大學(xué)采礦工程工學(xué)碩士在讀。

孫占成，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司工作。

2012-02-09

2012-02-23