晋华宫矿遗留煤柱下坚硬顶板冒顶机理与治理技术

2021-12-14丁勇

山东煤炭科技 2021年11期

丁勇

（晋能控股煤业集团有限公司安全监管五人小组，山西大同 037000）

我国煤矿的开采逐渐向深部转移，在上部煤层开采过程中遗留了大量煤柱，易出现应力集中现象，给下煤层工作面和巷道布置带来不利影响[1-5]。晋华宫矿12#煤8204 工作面位于7#煤采空区遗留煤柱下方，受遗留煤柱的影响，易产生应力集中，加上8204 回风平巷邻近8206 采空区，工作面处于邻近采空区应力集中影响范围内，顶板岩层破碎，片帮现象严重，直接威胁到工作面的正常生产。为此，以12#煤8204 工作面为工程背景，开展坚硬顶板冒顶机理与控制技术研究[1-5]，具有重要的研究意义和现实意义。

1 工程概况

1.1 生产地质条件

晋华宫矿于山西省大同市，目前，开采7#、9#、12-2#煤层。8204 工作面位于南山井12-2#煤层402 盘区，地质构造简单。8204 回风平巷邻近8206采空区（保护煤柱20 m），上覆7#、9#煤采空区。12#煤层与7#、9#煤层层间距分别为89 m、50 m，其中7#煤采空区中遗留煤柱位于试验工作面正上方（煤柱范围150 m 垂直于试验工作面）。工作面赋存煤层倾角在2°～10°，平均6°，属于近水平煤层。12-2#煤层硬度系数2.5～3.1，煤层厚度4.6 m，较稳定，含1～3 层夹矸。煤层直接顶为平均厚度10.94 m 的浅灰色细砂岩，岩性以石英为主，次为长石、云母，水平层理；基本顶为平均厚度9.44 m的粉、细砂岩互层结构，上部以浅灰色细砂岩为主，下部以灰色粉砂岩为主，水平层理发育；直接底为平均厚度5.23 m 的灰色粉砂岩，贝壳状断口；基本底为平均厚度4.38 m 的杂色粉砂岩，局部有滑感，易碎。

1.2 工作面冒顶特征

8204 工作面采用走向长壁采煤法，工作面推进长度1700 m，工作面长度160 m，布置97 架液压支架。工作面回采至1 297.4 m 时，工作面大范围冒顶，造成停产，回采期间也曾发生多次冒顶现象，较大的有3 次。较大冒顶现象如下：

（1）回采至452.3 m 时，回风巷端头三角区域冒顶（95#～97#支架范围），冒顶范围长为4.0 m、宽为3.5 m、高5.0 m，回风巷顶板来压明显、剧烈底鼓，出现严重变形。

（2）回采至544.0 m 时，工作面70#～84#支架范围内出现冒顶，煤壁片帮现象严重，漏顶高度10.0～15.0 m，煤壁片帮2.5～3.0 m。

（3）回采至1 295.4 m 时，工作面27#～87#支架范围内出现冒顶，煤壁片帮现象严重，漏顶高度2.0～10.0 m，煤壁片帮2.5～4.0 m，工作面停产。

2 遗留煤柱下坚硬顶板冒顶机理

8204 工作面顶板属于坚硬顶板，易出现长悬顶断裂造成的压架事故，但该工作面频繁出现端面冒顶现象，判断工作面多次冒顶是由于12#煤层8204工作面处于上覆7#煤采空区遗留煤柱支承应力影响范围内，受邻近8206 采空区侧向支承应力及本工作面周期来压叠加影响，支架没有及时维护空顶区域，导致顶梁无法严密接顶，前后支柱出现前高后低，坚硬顶板采动应力传递至工作面煤壁，切顶线前移，从而导致工作面频繁冒顶，即上覆采空区遗留煤柱产生的支承应力影响，改变了坚硬顶板运移规律是12#煤层8204 工作面频繁冒顶的主要因素。

3 遗留煤柱下坚硬顶板冒顶治理技术

采用注浆充填、钻孔卸压的方式是治理遗留煤柱下坚硬顶板冒顶现象的有效手段。由于试验工作面冒顶区域范围大，无法直接布置充填系统，因此，设计一条超前临时治理巷用于治理冒顶现象，具体技术措施如下：

（1）超前临时治理巷

超前8204 工作面10 m 位置施工一条超前临时治理巷，超前临时治理巷垂直于进、回风巷布置，断面尺寸设计为8.8 m×4.2 m（宽×高），设计采用木垛和单体液压支柱支护，木垛规格为长1.2 m、厚0.2 m、宽0.2 m，中心距设计0.8 m，木垛之间布置1 根单体液压支柱用于加强支护。超前临时治理巷相对位置如图1。

图1 超前临时治理巷相对位置

（2）注浆加固

超前临时治理巷内设计钻场，钻场内面向冒顶区域布置注浆孔，采用注浆方式加固工作面围岩，加固范围为25#～89#架支架区域（包括冒顶区域）。在加固区域范围内布置注浆孔22 个，注浆孔间距设计4.0 m，仰角设计22°～26°，注浆材料选择固结抗压结强度不小于50.0 MPa 的超细水泥注浆材料，水灰比设计1:1.5，注浆压力设计2.0 MPa。注浆充填钻场布置示意图如图2。

图2 注浆充填钻场布置示意图

（3）钻孔卸压

在超前临时治理巷对工作面煤层进行卸压，卸压采用大孔径钻孔方式，即采用直径97 mm 钻头向前方煤壁施工卸压钻孔。钻孔深度设计为12 m，钻孔角度设计为5°～6°，卸压孔采用三花布置，排距设计2.0 m，间距设计0.4 m，如图3。

图3 卸压钻孔布置示意图

4 工程应用

图4 中0～10 d 为冒顶后液压支架工作阻力的监测值，10～20 d 为进行治理后液压支架工作阻力的监测值。工作面产生冒顶后，基本顶垮落线前移，工作面顶板来压剧烈，支架最大工作阻力高达1.5×104kN；冒顶治理技术应用后，工作面顶板来压逐渐释放，支架工作阻力，在9×103kN 范围波动，支架工作阻力降低40%，属于正常水平。