回采工作面过陷落柱区域顶板综合控制技术应用实践

张国新

（长治红兴煤业有限公司，山西 长治 047100）

1 工程概况

红兴煤矿150102 工作面位于矿井一采区南部，运输顺槽掘进至距离工作面开切眼619～632 m 处揭露DX1 陷落柱，该陷落柱长17 m、宽8 m，影响范围为赋存区域前后70 m 左右。掘进期间，受陷落柱影响，顶板破碎，巷道支护困难，回采期间，迎头煤壁片帮，部分区域顶板破碎，给工作面安全快速回采造成一定影响。

2 陷落柱影响分析

2.1 陷落柱影响预计

由于陷落柱影响，煤层及煤层上覆岩层完整性遭到破坏，巷道开挖，原岩应力状态改变，陷落柱构造应力释放。工作面回采至陷落柱影响区域时，超前支承压力与陷落柱构造应力叠加，工作面矿压显现明显，如不采取有效措施，会出现大面积冒顶，对工作面安全回采造成极大影响。

2.2 陷落柱影响区域分析

（1）陷落柱构造造成运输顺槽应力集中，精准确定构造影响区域，是采取预防性治理措施的关键。在工作面运输顺槽CT 反演，通过捕捉高波速梯度特征，对巷道周围煤岩体所受应力状态进行精准探测，作为制定针对性治理措施的依据。150102工作面CT 探测区域为构造影响区域前后150 m 范围，施工爆破孔60 个，共接收震波数据986 道。试验过程中，设定采样频率为2000 Hz，检波器工作频段5～10 000 Hz，增益40 dB，采样长度0.5 s，激发孔内每孔200 g 炸药，短断触发，每炮激发，21 道接收。通过CT 探测确定构造导致的应力集中区域为构造前后约70 m 范围，以此作为重点治理区域。如图1。

图1 运输顺槽侧切面波速异常系数分布云图

（2）矿压数据验证。150102 工作面正常回采期间回风顺槽端头周期来压步距14.2～27 m，平均20.6 m；工作面中部周期来压步距12.3～27 m，平均19.7 m；运输顺槽端头周期来压步距11.9～27.8 m，平均19.9 m。邻近陷落柱影响区域，工作面中部及运输顺槽侧端头周期来压步距基本无变化，运输顺槽端头侧周期来压步距为12.6～18.8 m，平均15.7 m，步距明显减小，说明受陷落柱构造切割，煤层及其上覆岩层完整性受到破坏[1]。如何最大程度保证工作面直接顶的完整性，防止漏顶、冒顶，是安全快速通过该区域的关键。

（3）陷落柱影响强度分析。根据150102 工作面顺槽支架工作阻力统计，当工作面回采至陷落柱影响范围内，运输顺槽侧端头支架工作阻力出现小幅增加，支架阻力平均值由25 MPa 升高至34 MPa，整体呈现先波动上升，再平缓波动，随后呈现出波动下降的趋势，最后趋于平缓。工作面正常回采期间运输顺槽端头支架动压系数1.03～1.33，平均1.18；工作面中部液压支架动压系数1.03～1.22，平均1.13；回风顺槽端头支架动压系数1.07～1.31，平均1.19。邻近陷落柱影响区域，工作面中部及回风顺槽侧端头液压支架动载系数基本无变化，运输顺槽侧端头支架动压系数1.21～1.31，平均1.22，略高于未受陷落柱构造影响区域。说明陷落柱构造破坏了原来的应力平衡状态，引起煤岩体内部的应力重新分布，受工作面回采扰动，陷落柱构造应力得到进一步释放，与工作面采动应力叠加出现了应力集中[2]，导致受影响区域顶板及煤壁原生裂隙发育，完整性差，但由于采取了综合措施，陷落柱构造对工作面来压强度影响较小。如图2。

图2 运输顺槽超前支架平均工作阻力变化曲线

3 综合治理

3.1 强化陷落柱影响区域主动支护

鉴于运输顺槽施工至陷落柱构造影响区域时，矿压显现明显、出现冒顶、支护困难的情况，为实现该区域顶板及煤壁有效控制，防止工作面回采扰动导致塑性破坏区域增大，通过缩小主动支护间排距、施工帮部锚索、增大顶板锚索长度等方式增大支护强度，扩大有效支护半径。该区域顶板及帮部均采用锚杆+锚索+W 型钢带+金属网联合支护方式。锚杆选用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格Φ22 mm×2500 mm，选用拱形钢托盘，托盘长×宽×厚=150 mm×150 mm×10 mm；锚索规格Φ22 mm×7300 mm（帮部锚索长度5500 mm），间排距1600 mm×1600 mm，每排2 根锚索。相较于正常区域，锚杆支护间排距由900 mm×900 mm 缩小至800 mm×800 mm，增大支护密度；用W 型钢带代替钢筋梯，增大护表面积和强度；顶板锚索长度由5500 mm 改为7300 mm，可采侧煤帮部增加5500 mm 锚索，增大有效支护半径。

3.2 加固陷落柱影响区域煤体

基于掘进期间矿压显现情况，为防止煤壁受工作面超前支承压力及陷落柱构造应力叠加影响，导致煤壁塑性破坏[3]，工作面回采至距离陷落柱影响区域300 m 前，对陷落柱影响区域运输顺槽侧煤壁加注马丽散进行加固。根据陷落柱实际赋存情况，确定加注马丽散施工参数，加固范围为陷落柱前后40 m范围。注射孔沿巷道腰线布置，注射孔间距5 m，平行于煤层底板布置，孔深6 m。马丽散通过顶板围岩裂隙渗透，在锚杆、锚索孔进行扩散，达到其全场锚固的效果，在提高煤壁完整性的同时，增大煤壁抗压强度，确保对顶板的有效支撑[4]。如图3。

图3 加注马丽散系统设备及工艺图

3.3 强制放顶

工作面回采后，顶板会随工作面的回采垮落，基本顶及基本顶以上岩层垮落不及时形成的岩梁，将产生超前支承压力，会对回采工作面顶板维护造成影响[5]。工作面邻近陷落柱构造前，对回风顺槽侧端头处进行强制放顶，在工作面端头支架顶梁前方向煤壁侧沿工作面走向施工爆破孔，爆破孔直径为85 mm，6 m 一组，每组两个孔，孔间距5 m，孔深32 m，终孔位置岩性为细砂岩，装药长度17 m，封孔长度15 m，装药量42.5 kg，正向连续装药，导爆索串联，毫秒延期电雷管起爆。通过对运输顺槽侧的强制断顶，切断端头悬顶造成的超前支承压力传递，最大程度降低超前支承压力与陷落柱构造应力叠加对端头顶板管理的影响。强制放顶爆破参数见表1。

表1 强制放顶爆破参数表

3.4 优化回采工艺

减小最大空顶面积是解决采煤机截割期间漏顶、冒顶的有效措施。鉴于150102 工作面液压支架端面距为340 mm，采煤机正规截深为800 mm，同时兼顾考虑支架顶梁仰俯对采煤机截深影响，确定在工作面通过陷落柱构造影响区域时，将采煤机截深减小200 mm，控制在600 mm。在此期间，为防止支架倾角变化导致煤机割支架前梁，需确保支架顶梁与顶板平行，最大仰附角不得大于5°，采用紧跟采煤机前滚筒移架的方式，最大程度减小最大空顶面积，缩短空顶时间。

为尽快通过陷落柱影响区域，在保证工作面刮板输送机不上窜下滑的前提下，按照4:1 进行调采，即一个采煤循环截割三个溜尾、一个溜头。调采三个采煤循环后，为防止刮板输送机上窜下滑，进行一个正规循环，按照1:1 进行截割，即一个采煤循环截割一个溜头一个溜尾。实施过程中如出现刮板输送机上窜下滑，调整采煤循环参数。

4 实践成果

强化主动支护、加固煤体的措施，保证构造应力影响区域煤体对顶板进行有效支撑；强制放顶，解决超前支承压力与构造应力叠加问题；减小采煤机截深，改变正规采煤循环，最大程度减小空顶面积，缩短空顶时间，以最快的速度通过构造影响区域。通过以上综合措施的有效实施，150102 工作面通过陷落柱构造影响区域时，除个别支架出现顶板破碎外，未出现大面积冒顶、漏顶现象，最终安全、快速通过构造影响区域。