盐酸软化法在综采工作面过陷落柱时的应用

李军亮

（晋城市煤炭煤层气工业局，山西晋城048000）

盐酸软化法在综采工作面过陷落柱时的应用

李军亮

（晋城市煤炭煤层气工业局，山西晋城048000）

本文基于综采工作面通过陷落柱的问题，以山西兰花集团唐安煤矿3405工作面地质条件为背景，通过理论分析以及现场应用，提出采用向陷落柱内注射盐酸使其内部岩石软化，进而利用采煤机直接过陷落柱方法。工程实践表明，该方案安全、可靠、高效，可为类似条件下的工作面直接过陷落柱提供借鉴和参考。

陷落柱；盐酸溶液；软化；综采工作面

1 工作面概况

山西兰花集团唐安煤矿3405综放工作面开采3＃煤层，煤层平均厚度5.8 m，层理明显，节理、裂隙较发育。煤层倾角3°。3＃煤伪顶为炭质泥岩，厚0.4 m；直接顶为砂质泥岩，厚3.5 m；基本顶为细砂岩，厚5.3 m；直接底为粉砂岩，厚2.8 m；基本底板为砂质泥岩，厚1.4 m。

井田总体呈一单斜构造，地层平缓，走向北东，倾角不大，一般为0~5°，平均3°。井田内主要为单斜构造，伴随有宽缓的向背斜构造。根据三维地震报告该工作面没有发现断层等地质构造。回风顺槽上距开切眼897.6 m、顶层瓦斯巷上距开切眼894 m处有一陷落柱，长轴长25 m，短轴长17 m，对工作面回采有一定影响。

2 过陷落柱的方案

2.1 传统过陷落柱的方案

现阶段，综采工作面在遇到陷落柱时主要采用以下3种方法，即：搬家跳采、直接硬过以及开掘绕巷。这3种方法中，采用搬家跳采时需要另开切眼，导致巷道掘进与支护工程量大，搬家工期长，影响了工作面正常生产，出现煤柱留设尺寸较大、煤炭资源损失量太大等问题；直接硬过法的影响因素主要是采煤机切割较困难，会造成采煤设备的损害。若不采用采煤机直接硬过，则需采用爆破法辅助破岩，但采用爆破时，爆破后崩出大小尺寸不一的岩块，会对液压支架造成严重的损坏。除此之外，爆破过程中，岩石的崩出速度及位置不易控制，不利于外运，同时容易诱发冒顶事故，该方法存在较大的安全隐患；开掘绕巷面临着巷道掘进量与支护工程量加大，同时支架移动、替换以及工作面对接困难的问题。因此，分析并寻找一种经济实用、简便快捷，安全可靠的综采工作面顺利过陷落柱的方案十分必要。

2.2 盐酸软化法过陷落柱的方案

根据理论及现场分析研究，本文给出了一种化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法，在陷落柱岩石中钻孔，并注入化学溶液，利用化学溶液溶解、溶蚀陷落柱岩石矿物成分，改变了陷落柱岩石的内部结构，减小了陷落柱岩石颗粒间的作用力，降低了陷落柱岩石内部的黏结力，弱化了陷落柱岩石的力学强度，使得陷落柱岩石软化，选取合理的采煤机截深与工作面循环进度，使综采工作面可直接通过陷落柱。

具体操作方案如下：

通过对陷落柱岩石的力学强度以及渗透性进行实验分析研究，根据实验研究结果按照设定的间距由两巷向陷落柱内打钻孔。

由于盐酸溶液要对相应的岩石产生软化作用，对岩石就要有一定的浸泡时间。因此，向陷落柱内注盐酸时间需提前工作面推进时进行，即应在该工作面推进至距陷落柱有一定距离时便开始注射盐酸溶液。

通过考虑被盐酸软化后陷落柱内岩石的单轴抗压强度以及对应工作面所配套的采煤机的截割深度及性能，同时还需考虑到工作面支架的护顶性能，最终确定出采煤机在过陷落柱过程中所选择的合理截深。

3 工程应用实例

唐安煤矿3405工作面陷落柱形状近似椭圆形，长轴25 m，短轴17 m。

陷落柱内岩石样品在不同浓度的HCl溶液作用下其单轴抗压强度随时间的变化关系见图1，通过分析计算可得，溶液浓度为2%时强度随时间变化曲线拟合关系为σc=-18.14 ln（t）+39.11。由此可知，岩石的单轴抗压强度随着溶液浸泡时间的增加而降低，以2%浓度的HCl溶液为例，当浸泡时间达12 d时，岩石样品的单轴抗压强度为12.25 MPa，随着浸泡时间的进一步增加，其单轴抗压强度逐渐趋于稳定。

图1 不同浓度HCl浸泡后岩样抗压强度随时间的变化图

3405工作面中陷落柱位置、尺寸以及向陷落柱打注射盐酸钻孔相关参数示意图见图2。实际操作中，在回风巷中向陷落柱打注液钻孔，钻孔直径为42 mm，钻孔距离工作面顶板间距为1.5 m，距离工作面底板间距为2 m，各注液钻孔间距为6 m。结合上述实验分析结果，向注液孔内注射选用浓度为2%的HCl溶液，每孔注射溶液量为2~4 m3，向陷落柱内注射HCl溶液位置选为超前该综采工作面煤壁48 m左右，由于3405工作面推进速度为4 m/d。因此，当3405工作面推进至该陷落柱时，经前期注入盐酸软化的陷落柱内岩石单轴抗压强度为12.25 MPa，该强度接近于该工作面开采煤的单轴抗压强度，此时基本满足采煤机直接割过陷落柱的条件，考虑到工作面顶板管理以及与支架、运输机等设备的配套使用因素，将3405工作面直接过陷落柱期间的截割深度确定为600 mm。

图2 工作面对陷落柱注液孔布置平面示意图

采用上述过陷落柱方案及相应参数后，3405工作面达到了直接推过陷落柱的目的，且其推进速度与割煤推进速度基本一致，取得了较好的经济效益。

4 结论

本文针对唐安煤矿3405工作面陷落柱的具体地质条件，提出并成功实践了回采工作面直接过陷落柱的盐酸软化法，通过分析、测试，揭示了盐酸对砂质泥岩的软化机制，给出了工作面直接过陷落柱的具体参数，并得出以下结论：

1）随HCl溶液浸泡浓度升高，砂质泥岩的孔隙率增加、屈服点变化明显、塑性增强，但弹性模量变化不明显。

2）针对工程具体条件，选取合适的盐酸溶液浓度、合理浸泡时间、注液量、合理采煤机截深，可以确保回采工作面直接通过陷落柱，为类似条件下的工作面过陷落柱工程提供了一定的指导。

该方法减少了综采工作面跳过、绕过与直接硬过陷落柱时的巷道掘进与支护工程量、煤炭损失量和搬家工作量，消除了支架移动、替换与工作面对接困难以及硬过对设备造成的损害等，确保了综采工作面的正常推进，经济实用、简便快捷、安全可靠、煤炭损失少，具有较强的推广与应用价值。

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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

李军亮（1973—），男，山西晋城人，1996年毕业于山西矿业工程学院，高级工程师，主要从事煤矿安全管理工作（E-mail）lijunliang1008@126.com