工作面过陷落柱软弱顶板加固技术研究

2020-12-16李聪

山东煤炭科技 2020年11期

李聪

（同煤集团忻州窑矿，山西大同 037000）

陷落柱是存在底板灰岩矿井常见的地质构造。陷落柱会破坏煤系地层的结构，并使周围应力分布不均，造成煤层和其顶底板破碎软弱，工作面回采通过时极易出现片帮冒顶情况，影响工作面的正常生产[1-2]。忻州窑煤矿陷落柱构造发育，为了保证工作面能够顺利通过陷落柱，需要对陷落柱采取必要的措施。本文以8939 工作面为例，研究其回采通过陷落柱破碎顶板的加固技术。

1 概况

忻州窑煤矿8939 工作面为走向长壁回采工作面，综采放顶煤工艺，全部垮落法管理顶板。走向长度1600 m，倾斜长度160 m，回采9#煤层，煤层厚度平均4.6 m，该工作面煤层为近水平煤层。回采高度为2.8 m，放煤高度为1.8 m，布置上下巷两条顺槽，沿顶板进行掘进。通过地震槽波勘探成果，该工作面在切眼向外910 m 处存在一个陷落柱JDX16，走向范围为切眼向外910～970 m，倾向范围为下巷以上20～60 m，如图1 所示。

图1 8939 工作面陷落柱位置关系图

根据以往回采和工作面掘进情况分析，8939 工作面9#煤层抗压能力差，节理、裂隙较发育。直接顶板为易风化的复合泥岩，厚度2.2～2.8 m，易出现下沉，乃至冒落，在上下巷掘进时发生多次冒顶。预计回采推进至JDX16 陷落柱时，将对正常回采产生较大影响，需要对其进行加固。

2 陷落柱治理方案

目前常见的陷落柱治理方案有两种：第一种是预处理，即对工作面进行超前处理，在上下巷向陷落柱方向施工钻孔，利用超细水泥浆进行加固，提高煤层和顶板的完整性及强度，以减少工作面片帮和冒顶情况[3]；第二种是即时处理，当工作面揭露或即将揭露陷落柱时，或工作面在出现片帮情况时，利用化学浆液对煤层和顶板进行加固，依靠化学浆液强大的粘结性，提高煤层和顶板的承载性能[4]。第二种方法成本较高且影响正常生产，相较而言，第一种更有优势。但多数工程经验表明，对破碎软弱顶板采取超前预注浆加固无法取得较好的效果。由于超细水泥系无机材料，其粘结性能较差，在采动影响下，煤体易沿结构面发生滑动，使裂隙在此张开，易造成片帮，其顶板软弱破碎，抗压强度较低，发生片帮后顶板失去支撑，易导致顶板冒落。所以，确保工作面安全通过陷落柱的根本方法是保证顶板的自身稳定。

3 管棚超前加固技术原理

管棚加固技术是利用管棚制造人工假顶，提高承载性，确保工作面回采通过顶板破碎区域。该技术的核心是制造人工假顶，提高承载性能。在工作面上下顺槽向陷落柱区域顶板施工定向钻孔，并根据顶板的破碎程度合理设计管棚的间距。钻孔施工完成后，将无缝钢管送入孔中，然后对其进行注浆加固，形成全锚固结构，制造人工假顶，提高顶板承载性。软弱顶板施压在管棚结构上，二者保持同步变形，无缝钢管强大的韧性可以大大提高顶板抗压能力。该结构能利用稳定区对破碎区提供承载力，提高构造区域的整体抗变形能力，原理图如图2 所示。

图2 管棚结构原理图

4 管棚超前加固参数

（1）合理的管棚层位。通过长期工程实践，破碎顶板厚度小于3 m 时，可将管棚设置在顶板的中部位置；当破碎顶板厚度大于3 m，应将管棚设置在距顶板底部1.5 m 处。若管棚设置层位过高，则管棚下方顶板受控较小，易出现冒顶；若层位设置过低，则容易导致管棚一起冒落。

（2）管棚设置间距。管棚的间距越大，则钢管间的联系越小，效果越差，可适当减小其间距，利于管棚发挥作用；但管棚过密，会对顶板产生破坏，降低原始强度。根据以往工程经验，管棚的间距范围为0.5～1.5 m。

（3）管棚材质。为提高管棚的抗弯折性能，材质的刚度最为重要，增加材质直径和壁厚，可显著提高其刚度，所以采用直径大于50 mm、壁厚大于5 mm 的无缝钢管。出于成本和施工考虑，钢管的直径最大不超过108 mm，且钢管的接头处要加长丝扣，以提高稳定性。

5 管棚加固试验

5.1 钻孔布置

钻孔的布置原则为：一般情况下陷落柱中部结构完整，岩性坚硬，而边缘破碎松软，所以要重点加固陷落柱和煤体的交界处。回采进入陷落柱的影响区域后不再进行放顶煤，工作面沿顶板回采。在下巷共设计两排钻孔，其中上排钻孔对顶板进行加固，层位为采高上方约1.5 m，送入管棚，孔深要求超出陷落柱边缘约10 m；下排钻孔加固采高的中上部，层位为顶板下方约1.2 m，孔深要求超出陷落柱边缘约5 m，孔深25～71 m 不等。如图3 所示。