工作面过陷落柱回采工艺优化及支护技术

郝大伟

（晋能控股煤业集团塔山白洞井，山西 大同 037031）

1 概述

晋能控股煤业集团塔山白洞井8119 工作面位于C5#煤层301 盘区南部右翼，工作面南部为实煤区，东部为本盘区回风、材料、皮带巷，西部靠近矿界煤柱与塔山井田相邻。2119 巷南部为实煤区，5119巷北部与301 盘区西部8105、8107 面采空区相邻，煤柱宽度为8 m。

8119 工作面设计走向长度1724 m，倾向长度221 m。工作面回采煤层为石炭系5#煤层，平均厚度7.95 m，平均倾角3°，煤层普遍有3～8 层夹石，夹石厚一般为0.10～0.30 m，局部达到0.70 m，夹石断断续续，不稳定。煤层顶底板岩性见表1。

表1 8119 工作面石炭系5#煤层顶底板岩性汇总表

8119 工作面采用走向长壁后退式综采低位放顶煤采煤法，采空区顶板采用全部垮落法管理。采煤机从端部斜切进刀→割通三角煤→采煤机正常割煤→滞后采煤机前滚筒3～5 架及时支护→距采煤机后滚筒10 架开始顺序推移前部刮板运输机→放顶煤→拉后部刮板运输机→端部斜切进刀→如此循环往复。截至2021 年7 月12 日工作面已回采680 m。

2 工作面地质现状及回采难题

2.1 工作面地质现状

前期钻探资料以及巷道掘进资料显示，工作面回采687 m 处位于回风顺槽侧揭露X5 陷落柱，陷落柱成不规则凸圆状，如图1 所示。陷落柱长轴沿顺槽走向，长轴长度64 m，短轴长度43 m，陷落柱腔体内以炭质泥岩以及粗砂岩为主，粗砂岩位于陷落柱底部，厚度为2.8 m，陷落柱上部为杂乱无章的炭质泥岩，厚度为4.7 m。根据回风顺槽过X5期间掘进现状来看，巷道在过陷落柱期间围岩稳定性差，顶板冒漏严重，支护难度大，所以X5 陷落柱对工作面回采影响大。

图1 8119 工作面X5 陷落柱平面布置示意图（m）

2.2 回采技术难题

2.1.1 回采效率低

8119 工作面采用低位放顶煤回采工艺，采煤高度为3.5 m，放煤高度为4.45 m。工作面采用MG400/930-WD 双滚筒采煤机割煤，采煤机允许最大破岩强度为50 MPa。根据回风顺槽揭露的陷落柱岩体来看，陷落柱底部岩体为粗砂岩，岩体厚2.8 m，岩体硬度为55 MPa。岩体硬度大，若采用采煤机强行破岩，采煤机截齿磨损严重，截割部负荷大，采煤机故障率可能增加，而且采煤机强行破岩过陷落柱时回采难度大、回采效率低。

2.1.2 围岩控制难度大

8119 工作面回采时采用ZF12000/23/35 型液压支架进行顶板支护。当工作面回采揭露陷落柱后，由于陷落柱腔体内上部岩体主要为炭质泥岩，岩体无稳定结构，整体呈破碎状，工作面回采时受回采超前应力、构造应力等集中应力影响，陷落区围岩稳定性差，特别是顶板承载能力低，过陷落区时顶板出现破碎、垮落现象，支架过陷落区不仅工作阻力不达标，很容易出现倒架、陷架事故，而且严重威胁着工作面回采安全。

3 回采工艺优化及支护技术

3.1 回采工艺优化

为了减少采煤机破岩量，降低采煤机回采期间故障率，决定对陷落柱区采取深孔预裂爆破施工[1-5]。

3.1.1 爆破参数确定

为了提高预裂爆破效果，通过现场试验对不同直径矿用乳化炸药爆破后对围岩产生裂隙情况进行分析。X5 陷落柱岩性参数见表2。

表2 X5 陷落柱岩性参数汇总表

通过现场爆破预裂试验发现，钻孔内炸药爆破后产生的瞬间冲击波逐渐向应力波转化，且随着距离扩展以及爆破能量消耗，应力波呈逐渐衰弱趋势。对爆破后围岩裂隙长度测算发现，炮孔爆破后围岩产生的裂隙区半径约为药卷直径的30～35 倍 ，如表3 所示；而X5 陷落区粗砂岩厚度为2.8 m，由表3可得采用直径为45 mm 的爆破药卷爆破后产生的围岩裂隙能够完全扩展至整个岩面。

表3 不同直径药卷爆破后围岩裂隙扩展半径

3.1.2 爆破施工工艺

（1）爆破预裂孔施工在回风侧煤壁上，钻孔开孔位置距底板距离为1.4 m，钻孔垂直煤壁布置，钻孔直径为55 mm，钻孔深度为25 m，布置间距为3.0 m，第一个钻孔布置在距陷落柱上边缘3.0 m 处，共计施工22 个钻孔，施工长度为66 m。

（2）爆破预裂钻孔施工完后，对钻孔内填装5支矿用乳化炸药。每支乳化炸药长度为0.35 m，直径为45 mm，单孔装药量为1.8 kg，采用正向分段式装药方式。每装完一支药卷后采用黄土与细沙配比为3:1 混合粘性材料进行封孔，封孔深度为1.0 m。每次爆破孔数不超过3 个。

3.2 支护技术

为了防止工作面过陷落柱期间发生顶板垮落事故，决定对陷落柱区顶板采取注浆加固，并施工超前管棚支护。

3.2.1 注浆加固

（1）陷落柱区域爆破预裂后回采前，在工作面煤壁上施工一排注浆钻孔，钻孔开口位置距顶板间距为1.2 m，钻孔深度为5.0 m，直径为40 mm，钻孔布置间距为3.0 m，钻孔布置仰角为50°，如图2 所示，每排布置10 个注浆钻孔。

图2 8119工作面过X5陷落柱联合支护平面示意图（mm）

（2）注浆钻孔施工完后，对钻孔内安装注浆软管，注浆软管外露端连接阀门、压力表以及混合器、注浆泵，并对注浆钻孔孔口处采用膨胀水泥进行封孔处理。

（3）为了降低注浆材料发热现象，缩短注浆液凝固时间，决定采用聚氨酯化学材料作为注浆液，相比马丽散浆液聚氨酯具有反应放热小、凝固速度快、粘接效果好以及凝固体强度高等优点。单孔注浆量为60 kg，注浆压力为3.5 MPa。

3.2.2 超前管棚支护

工作面注浆完成后，在回采期间为了防止支架支护不及时出现端面破碎、冒漏现象，决定对陷落柱区施工一排超前管棚支护。

（1）超前管棚支护体采用长度为4.0 m（两节中空钢管对接）、直径为30 mm 中空钢管，钢管端部设置为削尖状，方便插入钻孔内，削尖状长度为0.5 m。管棚支护体布置在工作面设计顶板位置，与工作面煤壁垂直布置，每个支架前方布置三根，布置间距为0.8 m。

（2）工作面回采至685 m 处（距先陷落柱边缘2.0 m）时开始对工作面顶板施工超前管棚支护，支护施工前先将工作面浮煤清理干净，保证煤壁平直且支架支护到位。支护钻孔布置在107#～127#支架前方。

（3）采用手持式钻机进行钻孔施工，钻孔施工完后依次对钻孔内安装超前管棚支护体，超前支护安装后工作面在后期移架时支架顶梁紧贴超前支护体。当工作面回采3.0 m 后施工第二排超前支护体。

4 应用效果

2021 年7 月25 日早班8119 工作面已回采至752 m，已过X5 陷落柱区。通过对陷落区采取爆破预裂施工以及注浆、超前管棚等联合支护后，效果良好。

（1）对8119 工作面陷落柱采取深孔预裂爆破后，陷落柱腔体内坚硬岩体提前预裂，形成高度发育的裂隙带，降低了后期采煤机破岩难度，提高了采煤机回采速度，采煤机破岩期间设备故障率由原来的14%降低为5%，设备维修费用减少了40 余万元，工作面回采速度提高至6.2 m/d。

（2）对陷落柱采取注浆加固后，提高了陷落区破碎围岩胶结稳定性以及单轴抗压强度。对陷落区顶板施工超前管棚支护，防止了回采期间因支架前移不及时发生顶板冒漏事故，保证了支架初撑力及工作阻力，实测支架在过陷落柱区域时初撑力及工作阻力达95%以上。