三软煤层综采工作面围岩控制实践

2010-08-15何东升韩国栋

山西建筑 2010年17期

何东升韩国栋

永贵五凤煤业五凤矿主采煤层6中煤层,煤层平均厚度为2.5 m,其中顶部约0.8 m为相对坚硬的煤层,下部1.7 m煤层松软。由于煤层埋藏浅,表土松散,基岩薄,开采后容易出现煤层上覆岩土随长壁工作面推进呈整体性垮落,工作面矿压显现强烈。该矿煤巷具有高应力、节理化、遇水膨胀、极易软化等物理特征,遇水后突出表现为非线性大变形、显著的流变的工程特点。在回采过程中工作面上下两巷超前段矿压显现特别强烈,支柱陷底量极大,巷道变形严重,致使回采过程中两巷通风、行人和运料困难。

通过掘进期间及回采期间的矿压观测和分析,得出了围岩变形规律,提出了煤层及围岩变形原因,摸索出一套适合五凤煤矿地质条件的综采工作面管理方法,确保了工作面的安全、高效开采。

1 五凤井田6中煤层围岩变形及运动原因分析

1.1 煤壁处顶板冒落的原因分析

由于支架抽屉式伸缩梁伸出后不能接实顶板,造成煤壁到实际支护作用点的距离大,直接顶在此空间内易离层脱落,离层形成老顶和直接顶之间的空隙,而且老塘侧的矸石没有垮实,因此老顶实际上处于弱支护甚至无支护状态,造成老顶回转、下沉速度加快,再加上由于离层造成的老顶和直接顶接触点在煤体内煤壁附近,老顶在自重和上覆岩层传递下来的力的作用下以及老顶转动过程中的力矩效应作用下很容易使支架上的实际支护点和煤壁之间的顶板破碎,破碎的岩块从支架和煤壁间隙中漏下。随着顶部空间的增大,冒落矸石块度增大,冒落速度加快。因此煤壁处顶板冒落是一个加速渐进的过程,必须以及时封闭为原则进行支护。另外煤壁片帮和顶板冒落是相互关联的[1],往往是由于煤壁片帮造成支架和煤壁的间隙,而使矸石冒落。

1.2 煤壁片帮的原因分析

首先,片帮的原因主要是支架初撑力低导致软弱的直接顶和老顶离层并将压力传递到煤壁处,其次,由于底板受潮湿环境影响,强度极低,支架在升紧后由于陷底,造成支护阻力降低,不能达到能够托起直接顶的支护强度。再次,由于煤壁处煤体处于两向甚至单向受力状态,煤体破坏强度降低,再加上煤体本身的松软特性,因此三软煤层极易片帮。

1.3 巷道围岩变形原因

根据巷道矿压观测,五凤煤矿6中煤层在开挖后迅速风化、潮解崩溃,强度迅速下降,围岩中产生超过3.0 m[2]的极大围岩松动圈。

在围岩压力与泥化膨胀联合作用下,巷道矿压表现为四周全面来压,钢棚严重变形,帮部整体推进,底鼓严重。煤层平均厚度为2.5 m,其中顶部约0.8 m为相对坚硬的煤层,下部1.7 m煤层松软,在巷道开挖后应力重新分布,在煤柱中应力升高,松软煤层表现出流变性,从煤柱中呈塑性挤出。巷道底鼓的内因是岩石见水变软、膨胀,因此巷道中潮湿的环境是低鼓的外因;另外,根据力学分析巷道开挖后,煤体中应力重新分布,松软的底板在两侧煤体的压力传递,造成底鼓,因此上覆岩层的压力及开挖造成的应力重新分布也是底鼓的外因。

2 围岩控制方法

针对上述围岩破坏原因,摸索出如下针对性围岩控制方法。需要说明的是,煤壁片帮和顶板冒落是相互关联的,因此防治煤壁处顶板冒落要和防治片帮共同进行。

2.1 煤壁处顶板冒落及煤壁片帮的防治

由上述煤壁处顶板冒落的原因分析可知,要控制煤壁处顶板冒落必须及时封闭煤壁和支架的间隙,并保持支架和顶板的均匀接触。支护刚度差将导致直接顶与老顶离层。因此提高采面液压支架的初撑力,通过循环升架来保证支护阻力,从而保证支护刚度是防治煤壁片帮的根本方法。及时封闭支架和煤壁之间的空隙,防止碎矸冒落,增加支架和顶板的接触面积,保持支架均匀支护顶板。通过超前移架、快速移架、减小端面距等方法,基本能控制煤壁片帮及煤壁处顶板冒落。采取先移架后推溜的方法,减少梁端与煤壁的空顶距离,防止冒顶发生。如果煤壁片帮比较严重,可采取提前支护,即当煤壁刚发生片帮时,不必等采煤机割煤,支架就利用前柱与输送机间的富余量向前挪移,使煤壁片帮后的顶板得到提前支护,这时回采工艺过程为移架→采煤→推输送机,可大大减少梁端与煤壁的空顶距离和空顶时间。在采煤机割煤后及时移支架再移输送机,这时回采工艺过程为割煤→移架→推输送机。在超前移架仍未见效的前提下,在支架前梁上增设倾向圆木托住顶板。

使煤壁处于两向受力状态的煤体转变为三向受力状态从而提高其破坏强度,可减轻煤壁片帮。根据液压支架无护帮板的特点,在煤壁打锚杆加固煤墙减少片帮,具体要求是:1)倒楔式木锚杆,长不小于2.0 m,直径 38 mm,木托板规格为 200 mm×200 mm×25 mm;2)在煤壁上打两排锚杆,间排距为1 000 mm×700 mm,3花眼布置,锚杆眼直径为42 mm;3)打锚杆处前后3架支架前端背好顶,支架有效接顶,并达到初撑力;4)施工顺序为:敲帮问顶→搭临时脚架→打锚杆眼→支设锚杆、上托板;5)根据煤层上部0.8 m为较硬煤层,下部1.7 m为较软煤层的特点,上排木锚杆打设在硬煤层之下0.5 m处,仰角60°,使木锚杆里端锚固在较硬的煤体内,保证了锚固力;下排木锚杆打设在距离底板0.6 m位置,平行于煤层打设;必要时可用插板插入两根相邻的锚杆托板下。

另外工程技术人员也曾借鉴其他矿的经验[3],采用玛丽散防治煤壁片帮,但由于煤层粒度极小,可注入性差,再加上煤层自稳时间短,注浆工艺复杂等,在五凤煤矿使用效果差,没有得到推广。

2.2 巷道围岩控制

五凤煤矿巷道膨胀性围岩,稳定需要时间长,变形量大,变形速度快[1],几乎能够摧毁一切支护,表现为不可抵抗。通过现场摸索,提出了“松帮让压”的支护对策。具体做法是:1)回采期间成型巷道的“松帮”让压:拆开被松绑支架帮部所有撑木,在距底板1.3 m处开帮,用手镐或钢钎剔除鼓出的煤岩体,刷帮深度以支架腿子与煤岩体不超过100 mm为宜,不影响背帮又不致引起片帮或冒顶为原则。顺序从中间向两端进行,松帮至底角及肩窝部分。2)开挖时“让压”:巷道帮部不背网,且不得使用过粗背木或半圆木(背板),以便保证围岩塑性变形时,通过压断背木,形成支护与围岩的密实接触,又保证支架与围岩间有较大的让压空间,且为成型巷道松帮卸压打下坚实的基础。

通过巷道底鼓原因分析知,要通过内因和外因两个方面治理底鼓,通过在工作面两顺槽的上下帮打卸压调节了围岩中的应力,使顶板压力向煤体深部转移,减轻了巷道附近围岩破坏,减少了压力向巷道底板转移,使巷道底鼓量明显减少。水是巷道底鼓的重要外因,通过将落在巷道底板的水引入排水沟,减轻了底板泥化。我矿曾使用混凝土砌筑水沟,木板构筑水沟等,都由于可缩量小导致破坏,现使用雨布铺在水沟中,便于水沟的维修,能充分适应较快的底板变形,使用效果较好。

对回采期间超前段巷道顶板采用玛丽散注射,取得了较好的效果,虽然在工作面使用玛丽散注射加固煤壁没有起到较好的效果,但在超前支护段顶板由于受到回采动压影响,巷道顶板产生大量裂隙,提高了可注入性,而且顶板块度较大,相对坚硬,使用效果较好。由于玛丽散的固结作用,减轻了工作面上、下端头顶板破碎程度,避免了漏矸,矿压显现程度降低。另外,对超前支护段单体支柱,我矿采用质量较轻的塑料柱鞋,减轻了支柱钻底量,保证了超前支护阻力,控制了顶板下沉。