柔性支护在地质构造区围岩控制中的应用实践

2016-01-31张广云

采矿与岩层控制工程学报 2015年6期

关键词：优越性

张广云

(晋城煤业集团凤凰山煤矿，山西晋城 048007)

柔性支护在地质构造区围岩控制中的应用实践

张广云

(晋城煤业集团凤凰山煤矿，山西晋城 048007)

[摘要]综采工作面过陷落柱等地质构造，传统方法是以上木料接顶辅助支架控制工作面顶板围岩的稳定性，在传统技术工艺基础上探索出了一种柔性支护技术方法，其核心是用金属网与钢丝绳组合而成的网状结构对顶板围岩形成整体控制。实践表明，该柔性支护技术对综采面过地质构造能表现出极佳的优越性并带来巨大的社会经济效益。

[关键词]柔性支护；围岩控制；优越性

Application of Flexible Support in the Control of Surrounding Rocks in Geological Structure Zone

[引用格式]张广云.柔性支护在地质构造区围岩控制中的应用实践[J].煤矿开采，2015，20(6)：72-75，55.

晋煤集团凤凰山矿是一座具有50余年开采历史的矿井，核定生产能力4Mt/a，井田内地质条件复杂，断层、陷落柱等构造发育。目前矿井已进入衰落期，为了更好地解决资源浪费以实现煤炭回收最大化、减少顶板事故与材料浪费实现效益最大化以及缓解生产衔接紧张等问题，在生产实践中，探索出了一种“金属网+钢丝绳”控制顶板围岩的柔性支护技术手段。此柔性支护技术通过在XV5302综采工作面过陷落柱的应用试验，取得了良好效果，有效预防了顶板事故，提高了综采面过构造的安全性与时效性，为今后综采面过地质构造区的围岩控制探索出了新的技术方法。

1工作面概况

XV5302综采工作面设计倾斜长175.50m、走向长761.71m，沿15号煤布置，平均煤厚2.38m，坚固性系数为2，煤层倾角1～8°，上覆岩层平均厚度140m，煤层无伪顶。直接顶、基本顶均为K2石灰岩，致密坚硬，单向抗压强度为80.88MPa，单向抗拉强度为3.24MPa，坚固性系数为8.09，平均厚度8.46m，属于稳定坚硬顶板。煤层直接底为泥岩，平均厚度0.70m,单向抗压强度为30.0MPa，单向抗拉强度为1.57MPa，坚固性系数为3.0；基本底为铝质泥岩，平均厚度8.41m，单向抗压强度为22.71MPa，单向抗拉强度为0.76MPa，坚固性系数为2.28,底板比压为6.15～7.38MPa。东为巴公、官庄保护煤柱，南为东四义村及水泥厂保护煤柱，西为一五五盘区轨道巷、胶带巷、回风巷(均已掘)，北为XV5303工作面(已采)，上覆为9号煤95310工作面采空区及小窑破坏区。煤层赋存较稳定，水文地质条件简单。瓦斯绝对涌出量为2.3m3/min，属于Ⅱ级自燃煤层，无爆炸危险性。

2陷落柱基本情况

XV5302综采工作面内陷落柱相对较发育，其中在工作面走向中部有一陷落柱(命名为X46)，为尽可能减少煤炭资源损失，决定以强制末采的方式通过此陷落柱。X46陷落柱位于原设计停采线向外10～90m范围，初步推断其形态在平面上为椭圆状，长轴80m，短轴45m，陷落角85°，岩性为砂岩、砂质泥岩、泥岩并含有少量石灰岩。预计工作面推进至原设计停采线向外10m时， 26～53号架处将揭露此陷落柱。XV5302工作面X46陷落柱相对位置示意见图1。

图1　XV5302工作面X46陷落柱相对位置示意

3X46陷落柱安全回采可行性分析

由陷落柱的形成机理可知，煤系下伏可溶性岩层经地下水强烈溶蚀后，在各种地质因素综合作用下，导致上覆岩层发生结构性失稳与塌陷，对地下工程，特别是对煤炭采掘工程影响极大[1]。根据相关资料表明，陷落柱一般都会有伴生断层，故而陷落柱柱体及柱边围岩均为地质体的薄弱环节，加强工作面的防治水管理及顶板控制是安全通过陷落柱、实现高效开采的关键所在[2]。因此，重点从以下三方面探讨安全通过陷落柱的可行性。

3.1陷落柱范围探测

采用钻探方法对陷落柱进行探测，以初步确定陷落柱的发育范围及其内部结构特征。当XV5302工作面推进至距X46陷落柱15m时，在工作面内的22号、30号、35号、45号、55号、65号架处共施工6个探测孔，在XV5203巷施工8个探测孔、XV5204巷施工6个探测孔对陷落柱边界及中心进行锁定。综合钻探结果分析：陷落柱在平面分部上近似椭圆，沿工作面推进方向最大影响范围约76m(长轴)，在平行于工作面方向上影响范围为23～58号架，约50m(短轴)。同时，根据钻探岩芯取样得知X46陷落柱内岩石多为砂质泥岩，胶结性较差，当工作面揭露构造后需加强顶板维护。

X46陷落柱预测及实探平面见图2。

图2　X46陷落柱预测及实探平面

3.2陷落柱的含水性和导水性

在探查X46陷落柱的20个钻孔施工过程中，均无涌水，同时从工作面两巷陷落柱所在段观测顶帮也无淋、滴水现象；另外在工作面即将揭露构造时，利用瞬变电磁探测法进行了赋水性确认，根据探测结果，顶底板70m范围内视电阻率等值线图横向平缓且变化稳定，大致呈平行分布，数值均大于4Ω·m，说明含水裂隙不发育，赋水性较弱，对陷落柱的回采不构成威胁。

3.3顶板岩性分析

一般来讲，陷落柱在硬度不同的岩层垮落具有不同的特点，在松软的煤层或泥岩处凹入，而在坚硬的岩层处则相对凸出[3-4]。根据XV5302工作面煤层顶底板岩性特征(见图3)及其赋存深度分析认为：在煤及其顶底板中陷落柱的赋存状态应是上小下大、类似于锥柱体的结构，且垂直应力小于水平应力；由于陷落柱柱体内多为砂质泥岩、泥岩并含少量石灰岩，故而从胶结性上分析岩块间压实会比较紧密，其在垂向方向上能够承受一定的载荷，但在回采过程中要加强顶板控制且尽可能地加快推进速度可防止柱体冒落深度的扩大化。

图3　XV5302工作面煤岩层综合柱状

4过X46陷落柱的技术方案

4.1主要施工工序

4.1.1施工总体要求

工作面推进至距陷落柱10m时开始介入柔性支护，揭露陷落柱后，根据陷落柱对安全、生产的影响情况做出综合判断；陷落柱区影响较小、明显收缩时，停止上网，进入正常回采工序；陷落柱区影响较大时，立即调整工作面、进入末采调整、定架环节。

4.1.2过X46陷落柱强制末采施工作业程序

距X46陷落柱10m时，先上一趟片网，再上单层金属顶网，并开始调整工作面采高至2.4～2.5m→至第3茬网与第4茬网搭接处开始联设钢丝绳(进行柔性支护)→末采陷落柱区综合判断→末采定架前的调整(工作面直线达标、采空区压网达1m以上、采高达2.7～2.8m)、两巷施工槽钢锚索补强支护→定架、机尾施工绞车硐→随挂联网，推2次溜割3刀煤，施工末采通道(含圆弧角、上梁、支柱、封帮、锚索施工)→工作面起底、清煤。

4.1.3过X46陷落柱施工作业程序

陷落柱区矸体较软时，机组直接扫矸通过；矸体较硬时，需进行放震动炮。

采煤机割至距爆破区域15m时停机，闭锁工溜并停电→安全检查(保护设备)→维护顶帮→打眼→装药→联线→爆破→安全检查(安全检查贯穿全过程)→机组扫矸通过。

4.2柔性支护技术要求及操作方法

4.2.1上片网

(1)片网规格：长×宽=1500mm×1200mm，网孔规格为50mm×50mm的单层金属网(片网由10号铅丝编制而成，10号铅丝直径3.4mm，抗拉强度295～540MPa，伸长率不小于12%)。

(2)上片网技术要求：顺工作面每隔1架上到双号架上，片网在支架上搭接长度不小于500mm，片网下垂500mm，片网在支架上要压紧。

(3)上片网方法：先将片网短边固定到2800mm(长)×200mm(宽)×50mm(厚)的木板中间卷1圈，并用2个钯钉固定。先将某一双号架降下拉过，再将木板平行于工作面放在降下的支架顶梁上，然后将该架所上木板托起升紧，然后将相邻单号架拉过升紧，同理按顺序逐架进行。

4.2.2铺设金属顶网

(1)金属网规格：长×宽=10m×1.2m，网孔规格为50mm×50mm的单层金属网(金属顶网由10号铅丝编制而成，10号铅丝直径3.4mm，抗拉强度295～540MPa，伸长率不小于12%)，联网丝的规格为16号双股镀锌铅丝。

(2)铺设顶网技术要求：当片网上完后，紧接着上第1，2茬顶网，要求第1茬网的长边与片网搭接长度不小于500mm，搭接处联单排，每米联4道，从第2茬网开始，网与网沿工作面推进方向交错搭接0.1m，交错处联单排，每米不小于8道，以上2处要求每道拧够3圈；沿工作面倾斜方向网与网短边搭接长度不小于500mm，搭接处联双排，排距为0.3～0.5m，每排每米不小于8道，每道拧够3圈，并且相邻两趟网的网头要错开1m以上。

(3)铺设顶网方法：联网时机组让出联网区域10～15个架，停机进行联网施工，每2刀煤联1趟，联好网后正常情况下网长与溜子挡煤板圆钢齐，并且用10号铅丝或自制网钩每隔1个架将顶网挂在支架顶梁下，以便机组通行，割煤后，拉架前再将影响拉架的网依次解下。

4.2.3铺设钢丝绳

(1)钢丝绳规格：φ15.5mm钢丝绳(其结构为6×19+FC，公称抗拉强度1670MPa，最小破断力123kN)。

(2)铺设钢丝绳技术要求：从第2茬与第3茬网搭接处开始铺设平行于工作面的钢丝绳，其长度视现场实际情况截取，2趟钢丝绳间距为(550±50)mm。网边搭接处的钢丝绳随联网同步进行，每米均匀联设8道，网中间钢丝绳，每米均匀联设4道。相邻两段钢丝绳搭接长度为5m，搭接处要紧靠联好，每米8道，上下两趟钢丝绳的搭接段要错开不少于5m，钢丝绳在联网区域两端支架上搭接长度不少于1m。

(3)铺设钢丝绳方法：随着联网将钢丝绳与网联为一体，铺设时几人配合将截好的钢丝绳拖直，不得扭结。

柔性支护布置示意见图4，图中L为钢丝绳间距，此处取(550±50)mm；M1为网长边搭接量，取100mm；M2为网短边搭接量，取500mm；F为钢丝绳搭接量，取5m。所有参数可根据工程实际需要而进行合理选取。

图4　柔性支护布置示意

4.3重点环节把控

4.3.1顶底板管理

(1)在即将揭露且在通过X46陷落柱时，工作面的底板要割平，不得留顶煤，架间距要均匀，工作面支架要拉成一直线，煤壁平直，支架要升紧升平，加强顶板管理。

(2)过陷落柱期间要严格控制好采高：若由于局部片帮冒顶导致采高超高，必须在支架与柔性支护间上料进行压顶，确保支架接顶严实；若顶板上仰幅度较大，正常的推溜拉架无法控制采高时或底板较软，溜子推出后发生持续下钻现象时，及时进行吊溜、吊架作业。

(3)机组过后，要及时带压擦顶拉架，严禁支架大起大落，移架后将支架升紧达初撑力，支架错差不超过侧护板高的2/3，顶板破碎地段要拉超前架并打出护帮板及时支护顶帮。

4.3.2防治水管理

(1)揭露陷落柱之前必须确保工作面两巷的排水系统及设备等完善可靠，距工作面不大于50m范围内热备1台5.5kW潜水泵，并冷备1台15kW潜水泵及配套开关(开关热备)等设备；备用应急软管及接头等全部准备到位。

(2)过陷落柱期间，每班派专人对工作面顶、帮的淋水情况及其变化进行水情监测，若发现工作面水量突然增大，要及时通知专职排水人员做好排水准备，并向队值班室和矿调度台进行汇报。

(3)实际上，工作面揭露陷落柱后只有顶板出现少量淋头水，约0.2m3/h，在工作面低洼处热备1台5.5kW潜水泵进行排水。

5应用效果及其优势分析

在长达19d的过陷落柱过程中，柔性支护技术试验应用条件下没有发生一起顶板垮、漏事故，也没有出现片帮伤人事故，更无台阶下沉、烂网等现象发生，真正实现了安全过构造之目的。

综合实践效果表明，柔性支护技术条件下，过X46陷落柱时矿山压力无明显显现，围岩变形量不大，顶板变形量最大不超过5mm，采用柔性支护配合支架能确保顶板处于稳定状态，比传统的板梁支护具有很大的优越性。

通过网片和钢丝绳以强制末采的形式通过X46陷落柱，可以充分实现进可攻退可守，即随时都可以停下来进行末采，这既是技术层面上的大敢尝试又是战略上的一次有效探索，同时通过大型构造采用金属网与钢丝绳配合替代木料维护顶板的工艺革新彰显出了巨大优势：

(1)相较运板梁而言，柔性支护更宜于搬运，更能有效避免磕手碰脚现象的发生。

(2)采用柔性支护能随时根据实际需要调节联网及钢丝绳的支护参数以提高强度防止移架时漏顶、掉矸伤人或冒顶事故的发生，安全性更高。

(3)柔性支护条件下，可进一步减小割矸厚度，提高回采效率，相传统板梁护顶而言可实现全断面，全方位覆盖顶板，提供更为可靠的作业空间。

(4)柔性支护技术在施工过程中各环节均在架前操作，相对上木料来讲，可效避免频繁进煤壁侧作业的危险，极大提高了安全性。

(5)钢丝绳与网的配合使用把整个工作面顶板锁在了一起，即使顶板破碎也可将其控制成一个整体，易于维护[5-7]。

6技术及经济效应

(1)柔性支护技术，操作工艺简便，网(钢丝绳)联好后，割煤、推溜和移架能协同作业，加快了机组通过速度，是传统板梁支护条件下通过速度的2～3倍，有利于高产高效。

(2)柔性支护范围可随时进行有效调控，亦可根据不同的顶板类型与维护需要进行适时参数优化。

(3)废旧钢丝绳相对廉价，而且其具有弹性好、柔韧性强等优点，比木料可靠度要高出许多，最主要的是能够促使支架与顶板实现面接触，减小应力集中，压力可以均匀地进行传递、分布与释放，充分发挥顶板的自承能力。

(4)在XV5302工作面进行柔性支护试验以前，过陷落柱日均2刀煤，顶板维护困难且工作量巨大，严重制约生产进度，现在此种柔性支护技术大力推广使用后，过大型构造日均可割8～9刀煤，效率提高了4倍以上。该支护技术在过X46陷落柱取得的巨大成功，不仅在一定程度上锻炼了队伍，同时也增强了广大干部职工攻艰克难的信心与决心。

(5)XV5302综采工作面总布置回采长度为1440m，原设计可采长度761.71m。强制通过X46陷落柱后，在此技术基础上又顺利通过了X44陷落柱，在回采方向上总进度又多走出了318.18m，增加可采储量168.5kt，工作面可采储量提高了41%，创造直接经济价值约7077万元，经济效益显著；同时推迟了该面收尾时间1.8个月，有效缓解了矿井安装接替紧张的局面。

7结束语

柔性支护技术在XV5302综采工作面过X46陷落柱的成功应用，是凤凰山矿在回采面过大型构造中对顶板围岩控制取得巨大突破进行的一次有益探索。方案的成功实施不仅在本工作面创造了可观的经济效益，而且在凤凰山矿经过连续几个综采面过陷落柱、断层等构造的印证实践中，都取得了良好效果。同时，对金属网及钢丝绳的布设参数进行合理优化后，还使得在支架回撤过程中对顶板的管理和维护变得更加容易，改善了工作环境，有效提高了撤架速度与劳动生产效率。事实证明，该支护技术对地质构造区的回采围岩控制在安全及社会经济效益方面都展示出了巨大的优越性，值得在全国同

类条件下的矿井中大力推广应用。

[参考文献]

[1]徐永圻．采矿学 [M]．徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[2]李振华，徐高明，李见波．我国陷落柱突水问题的研究现状与展望[J]．中国矿业，2009，18(4):107-109.

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[4]尹尚先，武强，王尚旭．北方岩溶陷落柱的充水特征及水文地质模型[J]．岩石力学与工程学报，2005,24(1).

[5]冯清.浅谈综采工作面快速过无炭柱技术[J]．科技情报开发与经济，2009，19(31):204-205.

[6]袁中帮．综采工作面安全过陷落柱技术实践[J]．同煤科技，2013(3):40-43.

[7]蒋金泉，石永奎，韩继胜．巷道围岩结构稳定性与控制设计[M]．北京：煤炭工业出版社，1998.

[责任编辑：姜鹏飞]

[作者简介]张广云(1976-)，男，山西泽州人，晋煤集团凤凰山矿生产矿长，现为中国矿业大学(北京)在读博士。

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.019