浅埋深黄泥顶板工作面围岩稳定性控制

2024-05-12李耀晖

同煤科技 2024年1期

李耀晖

（晋能控股集团晋城公司七一煤矿，山西晋城 048406）

顶板事故是我国煤矿安全生产事故的主要类型之一，随着回采工作面尺寸设计的扩大化、回采装备的大型化和地质条件的复杂化，顶板管理的难度也在不断增加。据山西省应急管理厅消息，2022 年，山西省共发生煤矿生产安全事故54 起，其中顶板事故14 起，分别占26%和32%，进入2023年，又发生3起顶板事故[1]，这些事故多发生在采掘工作面、过构造带、遇老空巷道、搬家倒面等变化环节，反映出一些煤矿企业技术力量薄弱、现场管理不到位、安全意识较差、“三违”行为突出等问题[2]。因此，防治顶板事故仍是煤矿企业生产管理的重点工作之一。

在全国范围内，采掘工作面遇到松软岩层比较常见[3-4]，但是遇到大面积黄泥顶板较为罕见。该类顶板支护难度较大，遇水浸泡，呈流态化下泄，若支护不及时或强度不够，很容易出现大面积冒顶，给煤矿正常安全生产带来很大的挑战。山西黄山煤业15#煤层15101工作面遇到稳定性极差的黄泥顶板[5]，加上长时间停产，出现大面积冒顶或空顶现象，采用预注浆+人工刷掘超前小巷等方法，改善了顶板控制难题。为解决黄泥层巷道支护难题，崔永青等提出了打超前撞楔、导硐，加上充填注浆加固等综合方案[6-7]。然而晋能控股集团晋城公司七一煤矿（简称“七一煤矿”）9114 综采工作面回采过程中遇到的浅埋深大面积黄泥顶板比以上案例更为复杂，因此，采用XRD（X射线衍射）和SEM（扫描电子显微镜），开展了黄泥顶板的微观结构成分研究，揭示了浅埋深黄泥顶板大面积冒落产生的原因，提出了针对性的控制方案，并分析了黄泥顶板控制效果，对类似地质条件下工作面具有重要的借鉴意义。

1 工作面概况

1.1 地质条件

七一煤矿9114 综采工作面位于井田中部，工作面北部依次为9#北胶带大巷、9#北轨道大巷、9#北回风大巷，南部为9102 采空区（相距20 m），西部为郭村保安煤柱（相距20 m），东部为南回风大巷。工作面整体为背斜构造，南北低，中间高，无断层、无陷落柱。工作面前178 m左右为上山回采，相对高差为6 m；178 m至停采线为下山回采，相对高差为5 m。工作面推进过程中尾高头底，工作面起伏不大，最大坡度5°。9114 工作面顺槽长352 m，切眼长191 m，采用走向长壁后退式一次采全高综合机械化采煤方法，全部垮落法处理采空区，双滚筒采煤机破煤、装煤，液压支架维护顶板，一部刮板输送机运煤。井田内9#煤层埋深50.28～113.61 m，普遍在80 m 以内，位于太原组中部K4 灰岩之上，煤层厚度1.5～1.7 m，平均厚度1.51 m（图1），厚度变异系数11.92%，可采系数100%，煤层倾角1～4°，结构简单，不含夹矸，普氏系数f=1～2。煤层矿物含量不高，在8.9%～16.2%之间，平均12.9%，多为分散状粘土，有的呈层状分布，也有的呈块状、浸染状、充填状等。9#煤层以亮煤为主，暗煤次之，属一半亮型—半暗型煤。上覆存在3#煤层，平均厚度4.44 m，均已采空。地表赋存平均厚度为30 m 左右的黄土、粘土。9114 综采工作面在回采前未探测到直接顶存在黄泥顶板情况，于2022 年5 月26 日4 点班开始在工作面中部揭露了风氧化煤、黄泥顶板地质构造，黄泥顶板区域沿工作面倾向最大为107 m，沿工作面走向最大为125 m（图2），局部顶底板极为破碎，为工作面正常回采带来了较大的挑战。

图1 9#煤层综合柱状图

图2 9114工作面黄泥冒落区位置图

1.2 顶底板力学性质

根据《煤和岩石物理力学性质测定方法（GB/T 23561）》，开展9#煤层顶底板力学性质测试，获得试样顶底板力学参数如表1所示。

表1 顶底板力学性质汇总表

2 黄泥顶板微观结构测试

2.1 XRD微观成分分析

根据《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X 射线衍射分析方法（SY/T5163-2018）》，采用X 射线衍射（XRD）技术，利用日本理学高分辨率SmartLabX 射线衍射仪，获得9#煤层顶板过构造段深灰色泥岩和黄色砂质泥岩的全岩及粘土矿物定量成分。全岩矿物X-射线衍射分析见表2，黏土矿物X-射线衍射分析见表3。

表2 全岩矿物X-射线衍射分析

表3 粘土矿物X-射线衍射分析

由表2和表3可知，9#煤层顶板深灰色泥岩和黄色砂质泥岩中粘土矿物含量均较高，分别达到59.0%和32.5%，在粘土矿物X-射线衍射分析中，两种试样伊蒙混层的相对含量达到57%和56%。研究表明，凡伊蒙混层含量超过50%，巷道围岩变形量均较大，顶底板移近量超过500 mm，围岩具有较强膨胀性。因此，从岩性微观成分分析，9114 综采工作面过构造段直接顶单轴抗压强度极低，顶板维护极其困难。

2.2 SEM微观结构分析

根据《岩石样品扫描电子显微镜分析方法（SY/T5162-2014）》，采用ZEISSSIGMA500 场发射扫描电子显微镜，开展9#煤层顶板深灰色泥岩和黄色砂质泥岩试样的电镜试验。记录的图像结果如图3所示。

图3 深灰色泥岩和黄色砂质泥岩SEM图

由图3可知，深灰色泥岩试样放大245倍时观察到全貌孔隙发育差（A-01），放大1 920 倍时观察到近定向片状伊利石、伊蒙混层等粘土矿物及微孔缝（A-02），放大4 310倍时观察到碎屑颗粒、粘土矿物及微孔缝（A-03），放大5 710 倍时观察到粒间高岭石、粘土矿物及微孔缝（A-04），放大3 290 倍时观察到土矿物、碎屑颗粒及微孔缝（A-05）以及放大2 850 倍时观察到土矿物、碎屑颗粒及微孔缝（A-06）。黄色砂质泥岩试样放大94倍时观察到试样全貌孔隙较发育（B-01），放大657 倍时观察到近粒间粘土填隙物及粒间残余孔隙（B-02），放大2 040 倍时观察到试样上片局部、粒间高岭石粘土填隙物及晶间孔隙（B-03），放大2 170 倍时观察到粒间粘土填隙物及粒间残余孔隙，粘土矿物晶形差（B-04），放大562 倍时观察到碎屑颗粒溶孔（B-05）以及放大1 290 倍时观察到伊蒙混层、粒间高岭石等粘土填隙物及晶间孔隙（B-06）。因此，从深灰色泥岩和黄色砂质泥岩微观结构来看，顶板岩层中伊蒙混层、伊利石、高岭石等粘土矿物普遍发育是影响9#煤层直接顶稳定性的主要原因。

3 围岩稳定性控制技术

3.1 工作面围岩失稳概况

2022 年5 月26 日，9114 综采工作面在中部揭露风氧化地质构造带。在构造揭露初期，工作面30#~52#支架出现不同情况的风氧化煤及黑土，构造较为简单，黑土地段采煤机组直接可以通过。构造区域只需加强顶板管理，及时追机移架保证液压支架达到规定初撑力即可进行正常循环作业。因此，构造区域对正常生产影响不大。5月28日，随着工作面的推进，工作面中部30#~52#支架部分地段黑土消失，出现黄矸黄泥，局部顶底板破碎，加上割煤过程对顶底板平整度掌握不够、移架不及时、采高不稳定等因素，造成工作面局部地段片帮漏顶严重。中部43#~48#支架出现歪斜、扭架等现象，及时对歪斜支架进行了吊架、调架处理，调整后，保证了正常循环作业。6月2日，构造区46#、47#支架出现了淋水现象，紧接着出现泥浆从支架间及前探梁与迎头处溃出，造成采煤机不能通刀割煤。6 月16 日至7月10 日，随着工作面的推进，工作面构造一直向机尾方向延伸，构造情况变化复杂。30#~38#支架迎头无煤，全为黄矸，底板为泥岩，39#~43#支架迎头无煤，全为黄矸和黄泥混合物，由于底板为泥岩，支架出现陷架现象，44#~52#支架迎头底部均为泥岩，陷架更为严重，以致于支架底板被黄泥吸住拔不出来，30#~52#支架部分区域片帮严重，导致直接顶垮冒，支架不能接顶。工作面现场如图4所示。

图4 工作面顶板冒落照片

3.2 围岩稳定性控制思路

9114 综采工作面过风氧化煤、黄泥顶板地质构造段，从最初几个支架段逐渐延伸至工作面大部分区段。构造从简单的泥岩矸区发展至工作面严重片帮、顶板破碎塌矸，再到工作面全矸等，多因素交织在一起，综合作用导致工作面条件极其恶劣。故提出以“减少扰动+支架接顶”为核心的工作面围岩综合控制技术。具体思路是“留底割顶+短支短护+支架少降快移”。

1）留底割顶

因构造段煤层走向有下降趋势且顶板破碎、局部出现少煤、无煤现象，故采用留底割顶措施。构造段遇坚硬岩石时，采用爆破松动后截割，尽量减少打眼、爆破工作量。构造区域内合理控制好采高，保证构造区平稳过渡，尽量保证设备正常运行。在回采过程中遇到裂隙及节理发育等情况，提前采取预注浆等充填导水裂隙及加固顶板措施，确保回采顺利。

2）短支短护

过风氧化煤、黄泥顶板地质构造段时，构造区内工作面可能出现全断面矸石或顶板疏松破碎，容易片帮、冒顶，且根据原巷道揭露情况，决定采取单体柱配合采煤机割顶通过。当采煤机组通过矸区时，放慢机组速度，多进行仔细观察。若无法通过，则及时停机，并将机组退出，人工进行掏挖，短支短护确保安全后再进行通过。

3）少降快移

严格坚持“少降快移”原则移架，顶板破碎或有水时，必须带压移架，跟机作业，及时顶紧煤帮，防止漏冒顶，当端面距大于0.3 m时要及时采取临时支护。若顶板液压支架难以支护时，采取单体支柱加圆木进行加强支护。过构造段期间，加强构造区域顶板管理。顶板破碎段采取跟机移架，正常段移架滞后机组前滚筒不得大于10 m。移架速度要快，步距要够，支护紧跟机组，接顶保证严实，初撑力达标，按顺序追机作业。

4 现场实践效果

1）实践过程

2022年5月28日，当9114综采工作面支架出现歪斜时，及时进行了吊架、调架处理，调整后，保证了正常循环作业。6 月2 日，在支架构造段出现淋水现象时，及时制定相应措施，开展了抽排水作业，并对支架顶底板垫道木保证支架接顶后再人工清理机道，使采煤机通过构造段能够完成割通刀作业。6 月9 日起实行双跟班管理制度，改变了支护作业方法，增加了支护设备，采取单体柱加道木进行短支短护作业的方式，在漏冒区域用道木接顶支护，加强顶板管理，增加补充支护，严防冒顶发生。加强对片帮、冒落的支护管理，及时增加木梁、木鞋、道木、圆木、单体柱支护。安排有经验的老工人观帮观顶，使用2 m 以上长的撬棍站在安全地点认真全面地对冒顶区进行敲帮问顶，将顶帮的活矸、片帮凿净。安排专人看护冒顶区的支架操作阀，安排2名身体健壮、反应便捷、动作迅速的工人站在安全地点进行勾顶，2 人负责递料，其余人员备料，保证煤壁侧顶板背实，煤壁顶紧，接触严密。7月10日至月底，持续做好顶板管理工作，工作面稳步推进顺利通过构造。8月12日，距停采线还剩15 m，工作面推进至预定上绳上网处，进行末采准备工作。8月18日，上绳上网结束，回撤设备，进行搬家作业，9 月15 日，搬家结束，所有设备全部撤出9114工作面。通过顺利过构造区域，有效保证了9114工作面煤炭资源的回收及采煤设备的安全，为类似工作面的回采提供了宝贵的工程实践经验，具有重要的现场意义。

2）经验总结

遇到向斜背斜构造，一定要提前进行预报分析，采取相应措施。当工作面围岩存在严重裂隙及节理发育等情况时，需要提前采取预注浆等充填导水裂隙及加固顶板措施。为防止构造区域出现塌矸、溃泥现象，过构造区域采取单向作业方式。为防止刮板输送机调斜过度导致断链及大块矸石拌断刮板输送机，在过构造期间派专人看护采煤机组运转，能够有效地减少刮板输送机断链、漂链事故的发生，加强机电设备的检修工作。在过构造期间，提前预防，统一思想，检修班每天对机电设备易损件认真检查，尤其是黄泥顶板漏冒容易砸埋设备，检修班每天派专人负责液压支架的检查工作，保证了过构造期间的安全生产。狠抓现场管理，在整个过构造期间矿领导班子敢于管理，超前指挥，认真细致地应对各种复杂情况，是9114综采工作面顺利通过构造区域的关键因素之一。