三软煤层首采工作面局部冒顶原因及控制研究.pdf

技术应用Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ ＹＡ Ｎ ＤＭＡ Ｒ Ｋ Ｅ Ｔ Ｖ ｏ ｌ ． ２ ７ ， Ｎ ｏ ． ７ ， ２ ０ ２ ０ 三软煤层首采工作面局部冒顶原因及控制研究 李栋浩，刘 峰 （ 郑州煤电股份有限公司告成煤矿，河南 登封 ４ ５ ２ ４ ７ ０ ） 摘 要从采煤工作面开采情况来看， 工作面出现局部冒顶的情况较多， 给工作面正常开采带来了较大威胁， 特别是在 三软煤层开采的过程中， 首采工作面出现局部冒顶的情况非常多， 做好三软煤层首采工作面局部冒顶防治工作非常关 键。以某工程为实际案例， 从影响三软煤层首采工作面顶板稳定性的相关因素分析入手， 研究了导致三软煤层首采工作 面局部冒顶的主要原因， 并针对性提出了三软煤层首采工作面局部冒顶控制措施。 关键词三软煤层；首采工作面；局部冒顶；原因；控制 ｄ ｏ ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６－ ８ ５ ５ ４ ． ２ ０ ２ ０ ． ０ ７ ． ０ ５ ４ 引言 三软煤层相对于其他煤层开采有着较大的不同， 三软煤层 的顶板、 底板及煤层均属于软弱岩层， 同时， 煤层岩层中裂隙发 育程度较高， 构造也相对复杂， 在开采的过程中由于顶板较软 且裂隙较多， 出现局部冒顶甚至大面积冒顶的概率相对较大， 严重影响到工作面开采的安全性。因此， 对三软煤层首采工作 面局部冒顶原因及控制进行研究有着较为重要的意义。 工程概况 某煤矿一采区东翼首采工作面倾斜长度 ３ ５ ８ｍ ， 走向长度 ２５ ６ ０ｍ ， 所采煤层厚度在 ６ｍ左右， 煤层倾角 ５ ～ １ ２ ， 煤层垂 直裂隙发育明显， 设计采用综放开采， 从当前工作面开采情况 来看， 随着工作面的推进， 顶板围岩出现了明显不稳定的情况， 工作面架前出现明显冒漏， 同时在顶板冒漏严重的区段， 也衍 生出煤壁片帮问题。因此， 全面做好工作面局部冒顶原因分析 并采取针对性的控制措施非常关键。 影响三软煤层首采工作面顶板稳定性的相关因素 １ ） 岩性首采工作面顶板稳定性带来的影响。从大量首采 工作面顶板稳定性勘查来看， 不同岩性的岩体包含的矿物成分 不同， 特别是顶板岩性中包含有较高的膨胀性软岩成分时， 在 遇水等情况下， 会出现明显的吸水软化膨胀， 岩体中颗粒粘结 力、 摩擦力下降明显， 岩体的极限承载能力也随之降低， 导致围 岩变形量随着时间的延长出现持续增加的情况。此外， 随着巷 道埋深的增加， 很多原本强度较高的岩石， 在深部巷道中表现 出软岩的特点， 成为了“ 工程软岩” 。 ２ ） 岩体结构类型。顶板岩体在长时间的地质作用下， 整个 岩体结构类型较为复杂， 岩体结构的组合方式和立体形式直接 给岩体稳定性带来较大的影响。例如， 若岩体内整体的裂隙较 为发育， 层间结合力较差， 包含有较多的泥质物、 碎屑等充填物 时， 岩体整体的稳定性受到较大的影响。 ３ ） 工作面采动影响。首采工作面顶板距离工作面的距离 非常近， 工作面选择使用综合机械化开采的方式， 在通电之后， 带来的采动影响非常明显。特别是在三软煤层开采时， 顶板中 包含的裂隙较多， 在采动影响下， 裂隙被贯通的情况非常多， 进 一步加剧了巷道顶板的破碎程度， 增加了巷道顶板出现局部冒 落的概率。 导致三软煤层首采工作面局部冒顶的主要原因 为掌握首采工作面出现的局部冒顶问题， 对工作面进行了 现场勘查， 工作面出现局部冒顶的原因主要有 ３个方面。 １ ） 出现局部冒顶位置的巷道整体高度较大， 因为巷道高度 出现了较大变化， 超过了液压支架最大的支撑高度， 导致工作 面顶板不能得到及时有效支护， 出现顶板离层问题， 最终形成 网兜。 ２ ） 顶板破碎明显。从现场勘查情况来看， 在出现顶板冒漏 的位置， 整体的顶板就较为破碎， 液压支架又给顶板进行了反 复支撑， 导致顶板破碎程度增加明显， 同时也存在液压支架将 网兜锚网全部插破之后， 并没有采取针对性的措施进行控制， 导致冒顶范围扩大。 ３ ） 淋水因素影响。在出现局部冒顶的位置， 处于淋水较为 严重的地段。从现场勘查情况来看， 直接顶被泥化的情况突 出， 整体强度下降明显， 随着顶板浸泡时间的延长， 巷道顶板出 现的变形冒落问题更为严重， 各种类型的网兜非常多。 三软煤层首采工作面局部冒顶控制措施 为了实现对首采工作面局部冒顶的较好处理， 本次选择使 用了化学注浆加固、 打设木垛和抬棚等方式组成的复合式支护 结构。 １ ） 化学注浆加固。针对顶板出现的淋水问题， 通过注浆实 现淋水通道的封堵非常关键。在具体实施时， 在超前支架前梁 的位置注入马丽散， 实现对超前顶板的加固。在运输巷道中注 入马丽散实现对端头顶板的加固， 在具体施工时， 注浆孔的间 隔设置在 ４ｍ左右， 同时在超前工作面 ５ ０ｍ的范围内进行施 工， 全面实现对通水裂隙的有效封堵。 ２ ） 打设木垛和抬棚对冒落的区域进行支护。具体采用过 渡支架将工字钢架设起来， 选择使用工字钢的长度为 ９ｍ ， 工 字钢一端放置到过渡支架上， 另一端选择使用单体支撑， 每 ２ 根单体支撑 １根工字钢。木垛使用 ４根工字钢支撑， 实现对顶 板的全面支护。同时， 设计在木垛旁边的煤壁侧打设 ２根锚 杆， 实现对支护的补强。在顶板的台阶位置打设 ６根锚杆， 全 面提升支护强化， 防止再次出现冒顶的情况。在进行冒顶的处 理之前， 工作人员全部从工作面撤出来， 同时在冒顶位置向外 ３ ０ｍ左右， 设定警戒线， 防止人员误进冒顶区域出现安全事 故。在进行冒顶区域的处理时， 需先对冒顶的区域加强通风， 瓦斯检查人员对现场瓦斯浓度进行检查， 确保在瓦斯浓度在不 （ 下转第 １ ２ ０页） ８１１ 技术应用Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ ＹＡ Ｎ ＤＭＡ Ｒ Ｋ Ｅ Ｔ Ｖ ｏ ｌ ． ２ ７ ， Ｎ ｏ ． ７ ， ２ ０ ２ ０ 显示， ２ ０ １ ８年 ９月 １日２月 ２ ８日 １ ８ ０ｄ内， 该处巷道上帮收 敛１ ３ ０ｍ ｍ ， 下帮收敛２ ２ ０ｍ ｍ ， 共计收敛３ ５ ０ｍ ｍ ， 平均每月上帮 收敛２ １ ． ６ｍ ｍ ， 下帮收敛３ ６ ． ６ｍ ｍ ， 共计５ ８ ． ３ｍ ｍ 。巷道在同比 条件下己 １ ６－ １ ７－ ２ ４ ０ ３ ０机巷两帮收敛量 １２ ０ ０ｍ ｍ相比， 平 均减少８ ５ ０ｍ ｍ左右， 分析对比， 该巷道在采取多层次交替支护 后两帮收敛量减少了将近 ２ ／ ３ 。巷道围岩得到了有效控制， 达 到了较好支护效果。 ２  ２ 顶板离层仪情况 在每矿压观测站设立同时及时在顶板中部设立顶板离层 仪， 对顶板离层变化情况进行监测，将 ４组变化数值进行加权 平均后整理得下表， 结果表明巷道顶板离层 ３ ７ｍ ｍ ， 远远小于 同比条件下己 １ ６－ １ ７－ ２ ４ ０ ３ ０机巷顶板离层平均在 ２ １ ０ｍ ｍ ， 对巷道顶板深部围岩起到了较好控制作用。 矿压分析 己 １ ６－ １ ７－ ２ ４ ０ ８ １机巷支护形式为锚网， 根据 该测点观测数据显示， ２ ０ １ ８年 ９月 １日２月 ２ ８日 １ ８ ０ｄ时 间， 累计叠加顶板下沉量为 ３ ９ｍ ｍ 。远远小于同比条件下埋深 相对较浅的己 １ ６－ １ ７－ ２ ４ ０ ３ ０机巷顶板离层平均值 ２ １ ０ｍ ｍ ， 同时该测点附近巷道受埋深采动影响矿压显现， 底鼓量大。事 实证明， 移交安装， 回采期间， 该机巷无挑顶维修巷道。 经济技术分析 ３  １ 技术比较 １ ） 施工工艺简单， 易推广， 有利于提高工作效率。 ２ ） 两帮锚索施工工艺简单， 易操作， 便于职工掌握。 ３ ） ７ ． ５ｍ 、 ４ｍ锚索支护， 多层次交替支护有效的加强了对 复合软岩顶板的支护， 提高了支护强度。 ４ ） 锚索、 钢带、 刚性托梁加大接触面， 控制围岩变形量， 同 时形成一个有机体， 从而提高整体支护能力。 ３  ２ 经济比较 己 １ ６－ １ ７－ ２ ４ ０ ８ ０机巷采用高应力锚杆索强支护技术与 同等条件下己 １ ６－ １ ７－ ２ ４ ０ ３ ０机巷采用锚杆索支护方法相比。 同时对比正在回采的己 １ ６－ １ ７－ ２ ４ ０ ８ １工作面机巷， 巷道围岩 变形情况及失修情况。巷道围岩两帮变形量减少 ８ ０ ０～ １２ ０ ０ ｍ ｍ ， 顶板下沉量明显减少了 ３ ０ ０～ ８ ０ ０ｍ ｍ 。极大地控制了顶 板下沉和两帮的收敛变形， 巷道失修率由原来的 ６ ０ ％减少到 ５ ％以下， 仅此就减少维修费用 ５ ９ ． ７万元。 结语 平煤十一矿根据中科院专家客座课题研究及平煤集团开 拓处要求， 在己四采区地质条件复杂、 矿压变形规律和锚网支 护机理的基础上进行分析研究， 提出了实施高应力深部煤矿矿 井巷道高强锚杆配锚索多层次交替支护技术。该技术充分利 用锚杆索支护主动能力， 缩小围岩三向应力差值和加固三向围 岩完整性， 恢复围岩强度的支护优点， 减小顶板严重下沉威胁， 有效的控制了两帮收敛变形。该技术在围岩应力分散， 地质条 件复杂的软岩矿区， 特别是在深井复合顶板特大断面、 大跨度 的切眼围岩巷道中， 具有较好的应用价值和推广前景， 目前已 经在平煤集团公司十一矿己四、 己二、 戊二下山采区和丁六石 门主要巷道推广使用。 作者简介 张红武（ １ ９ ７ ４－ ） ， 男， 河南尉氏人， 本科， 工程师， 研究方 向 矿山支护。 （ 上接第 １ １ ８页） 高于 ０ ． ８ ％时， 才能进入到冒顶区域进行现场处理。 ３ ） 全面采取超前支护的强化。在超前支架行人侧， 选择使 用锚索梁进行超前顶板加强支护。在运输巷道超前顶板， 沿着 巷道的方向施工双排锚索梁， 工作面在推进的过程中， 锚索梁 随之推进， 设计采用这种方式能够防止回风巷道上端头顶板出 现冒顶事故的发生。从矿井三软巷道局部冒顶控制实践来看， 通过对支架工况进行改善， 选择使用带压移架的方式， 能够较 好防止出现局部冒顶的情况。同时， 通过提升支架初撑力， 可 实现顶板的较好控制， 有利于防止直接顶离层情况的发生， 实 现对局部冒顶的较好控制。在具体实施时， 首先对支架的工作 情况进行改善。为了较好提升顶板支撑效果， 对煤壁压力进行 较好缓解， 对支架支护阻力进行科学设置， 确保支架不仅能够 实现对顶板的支撑， 同时又有利于对煤壁片帮的情况有效缓 解。选择使用带压移架。在对支架移动的过程中， 设计支架稍 微降低， 确保支架移动的过程中仍有一定的支护阻力， 实现擦 顶移架， 有利于减低顶板离层破坏的问题， 提升顶板完整性， 实 现对顶板的较好控制。选择使用化学加固的方式。对于顶板 出现较为破碎的区域， 同时破碎的范围也相对较广时， 可选择 使用化学材料进行加固， 将化学材料压入到破碎煤岩体的空洞 或者裂隙中， 让煤岩体颗粒有效粘结在一起， 形成一个完整的 胶结体， 提升顶板的完整性， 不仅有助于控制顶板稳定， 同时也 有利于提升顶板的极限承载能力， 对于防止顶板出现局部冒落 的情况较为有利。 此外， 在整个顶板冒落返修的过程中， 对于各个环节施工 效果加强了监管， 确保各项返修技术措施均能够高标准落实到 位。特别是在打设锚杆。锚索的过程中， 对锚杆、 锚索安装的 位置， 托盘安装效果等进行了全面的校核， 确保各项技术措施 严格落到实处。 结语 全面做好三软煤层首采工作面局部冒顶的防治工作非常 关键， 但是从当前三软煤层首采工作面局部冒顶防治工作的开 展情况来看， 在很多方面还有着较大的提升空间， 特别是在深 部开采中， 一些在浅部开采阶段属于硬岩的岩层， 在复杂高应 力的作用下， 表现出“ 工程软岩” 的特点， 成为了三软煤层。因 此， 这就需要在进行深部开采过程中， 充分认识到三软煤层首 采工作面局部冒顶防止工作的新特征、 新情况， 采取针对性的 措施， 全面提升冒顶情况防治效果。 参考文献 ［ １ ］ 王绪奎， 孙磊， 张海龙． 综采工作面撤面期间局部冒顶处 理方法研究与实践［ Ｊ ］ ． 煤矿现代化， ２ ０ １ ６ （ １ ） ４ ０－ ４ １ ． ［ ２ ］ 蒋学明， 薛志明． 综采工作面端面顶板冒顶事故处理技术 及优化方案研究［ Ｊ ］ ． 神华科技， ２ ０ １ ６ ， １ ４ （ １ ） ４ ５－ ４ ８ ． ［ ３ ］ 吕超杰， 王夏， 贺威威， 等． 浅谈悬移液压支架炮采工作面 顶板事故发生的原因和预防［ Ｊ ］ ． 科技创新导报， ２ ０ １ ０ （ １ ９ ） ６ ２ ． 作者简介 李栋浩（ １ ９ ８ ９－ ） ， 男， 河南新密人， 本科， 从事开拓掘进技 术管理工作。 ０２１