综采工作面过陷落柱安全支护技术应用

门 前

（山西省煤炭运销集团掌石沟煤业有限公司，山西 高平 048400）

陷落柱是煤矿生产过程中常见地质构造之一，陷落柱侵入煤层后破坏了煤层连续完整性，形成一个独立的煤岩区，陷落柱附近煤体稳定性相对较差，工作面回采过陷落柱期间会出现煤壁片帮、顶板破碎现象，不仅降低了工作面回采效率，增加了设备故障率，而且很容易发生安全事故。所以对陷落柱附近煤岩体进行有效控制，是工作面回采过陷落柱期间重要技术环节，对工作面安全高效回采具有重要意义。本文以掌石沟煤矿15103 工作面为例，对工作面过X2 陷落柱期间存在主要技术难题进行分析，并根据实际生产情况提出了行之有效的安全技术措施。

1 概 况

15103 工作面位于+860 m 水平，是一采区第三个工作面，该工作面标高为+825～+877 m，走向长度1527 m，倾向长度150 m。15103 工作面位于井田一采区西部，东部为未开拓的实体煤，西为15102 工作面和15103 工作面间保护煤柱，南部与一采区三条大巷相连，北部为矿井保护煤柱。该工作面标高为+825～+877 m，走向长度1527 m，倾向长度150 m。

15103 工作面回采煤层为15#层，煤层厚度为3.1～4.75 m，平均厚度4.03 m，煤层厚度稳定，结构较简单，内生裂隙发育，硬度系数1.5，煤层顶底板岩性情况见表1。

2 工作面地质情况及问题分析

2.1 工作面地质情况

15103 工作面地质条件相对简单，主要以小断层以及陷落柱为主，断层平均落差为0.5 m，平均倾角为47°，对工作面回采影响较小。工作面回采至870 m 处揭露一条X0 陷落柱，陷落柱距回风顺槽水平间距为27 m，陷落柱水平投影成椭圆状，陷落柱长轴长32 m（液压支架118#～99#之间），短轴长24 m，陷落柱高度为5.7 m，且从工作面顶板侵入煤层，陷落柱长轴与工作面成12°夹角。通过钻探发现，X0陷落柱腔体内主要填充杂乱无章的泥岩、砂岩，填充岩体无稳定成型结构，腔体内局部可见块状煤。X0 陷落柱对工作面回采影响较大，影响回采长度达31 m。

2.2 问题分析

（1）移架阻力大。由于X0 陷落柱腔体内岩体不稳定且岩体整体平整性差，工作面在过陷落柱期间支架与陷落柱腔体内顶板岩体接触不严实，在进行移架时移架阻力大，且顶梁出现“托空”现象，支架对顶板无法产生足够的工作阻力，支架支护效果差，导致支架倒架、倾架等事故发生。

（2）顶板破碎严重。15103 工作面一次采全高，采煤机割煤深度为0.8 m，工作面回采过X0 陷落柱时由于陷落柱腔体内充填岩体不稳定、岩体间摩擦系数小、胶结度低，在构造应力、回采应力集中作用下陷落柱区域顶板极易破碎，很容易发生顶板垮落事故。

（3）煤体片帮。X0 陷落柱腔体内以泥岩等混合岩体为主，陷落柱与煤体间存在裂隙带，随着工作面推移，当工作面回采至距陷落柱10～15 m 范围内时，受应力作用，在煤体与陷落柱之间裂隙中产生应力释放现象，导致陷落柱附近煤体产生剥离破坏作用，产生煤壁大面积片帮现象，加大了断面控顶距，增加顶板维护难度。

表1 15103 工作面回采煤层（15#层）顶底板岩性汇总表

3 过X0 陷落柱联合支护技术

3.1 煤体注浆加固

为了提高陷落柱附近煤体胶结稳定性，决定对陷落柱前10 m、过陷落柱后5.0 m 范围内煤体进行注浆加固。

（1）当工作面回采至860 m（距陷落柱10 m）处对工作面煤壁施工一排仰斜注浆钻孔，钻孔深度为5 m，钻孔直径为50 mm，钻孔仰角为60°，钻孔距顶板1.2 m，钻孔间距3.0 m，每排施工12 个注浆钻孔。

（2）钻孔施工完后，在钻孔内安装一根长度为3.0 m、直径为30 mm 射浆钢管，钢管上均匀焊制四排射浆孔，孔直径为10 mm，间距为0.3 m。射浆钢管安装后对孔口0.3 m 范围内采用膨胀水泥进行封孔处理。

（3）注浆材料采用聚氨酯化学材料，注浆压力控制在1.0～1.5 MPa 范围内，注浆完成5 h 后工作面继续回采，工作面回采5.0 m 后继续施工第二排注浆钻孔，当工作面过陷落柱后施工一排注浆钻孔，如图1。

3.2 过陷落柱顶板联合支护

3.2.1 撞楔超前支护

（1）工作面回采至865 m 处时及时调整工作面伪斜，在工作面煤壁与顶板之间施工一排超前支护钻孔，钻孔垂直煤壁布置，钻孔深度为3.0 m，钻孔间距为0.5 m，孔径为30 mm。钻孔施工完后在钻孔内锚注一根长度为3.2 m、直径为28 mm 中空钢针。

（2）同一排超前支护施工完后，工作面回采时缩小采煤机割煤深度至0.5 m，采用分段割煤移架回采工艺。当采煤机下行割煤回采至97#支架时及时对1#～99#支架进行移架，移架到位后再回采陷落柱影响区域煤柱，回采再进行移架，从而解决了传统整刀割煤时陷落柱影响区域顶板暴露时间，造成顶板破碎、垮落等技术难题。

（3）工作面在移架时支架顶梁紧贴超前支护体，当第一排超前支护施工完且工作面回采2.5 m后施工第二排超前支护，依次类推直至工作面完全过陷落柱。

3.2.2 “JW”型锚索吊棚施工

（1）锚索吊棚长度为3.5 m，锚索吊棚主要由一根JW 钢梁及两根长度为3.0 m 锚索组成，吊棚与工作面平行布置，锚索吊棚布置间距为1.0 m，每排施工8 架锚索吊棚。

（2）第二排锚索吊棚与第一排迈步式布置，排距2.0 m，在两架锚索吊棚之间铺设长度3.0 m、宽度2.4 m 钢筋网，防止工作面顶板陷落柱填充岩体冒漏。

图1 15103 工作面过X0 陷落柱顶板联合支护断面示意图

4 效果

截至2020 年3 月11 日，15103 工作面已完全过X0 陷落柱影响区，工作面过陷落柱期间采取联合支护技术后，取得显著成效：

（1）对陷落柱附近煤体采取注浆加固后，控制了煤体裂隙进一步发育，防止了集中应力破坏作用导致煤体大面积片帮现象。现场观察发现煤体注浆加固后提高了煤体整体胶结强度，煤壁片帮深度控制在0.9 m 以下，端面距控制在0.3 m 以下。

（2）工作面过陷落柱期间对顶板采取联合支护措施后，提高了支架初撑力、工作阻力，保证了支架支护效果。同时，陷落柱处顶板下沉、破碎现象得到有效控制，在过陷落柱期间未发生顶板垮落现象。