活鸡兔井22311工作面末采切顶机理分析及解决对策_高士岗.pdf

Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 随着神东矿区的开采，煤层赋存条件良好的上 部煤层逐渐回采完毕， 转入下部煤层、 薄煤层、 断层 附近边角煤回采[1-2]。由于神东矿区两层煤间距一般 集中在 0～40 m， 属于典型的近距离煤层开采， 在下 煤层开采过程中出现过动载矿压、 底鼓、 片帮、 顶板 大面积淋水和压架等现象[3-4]。这些工程问题的发 生，不仅严重威胁井下作业人员及设备安全，而且 直接影响矿井的安全高效生产。 神东矿区针对近距离煤层开采动载矿压发生机 理进行了大量研究工作[5-6]， 但对近距离煤层开采工 作面末采阶段过上覆集中煤柱动载矿压的影响因 素、机理及发生条件鲜有进行深入研究，工作面在 末采时经常出现回撤通道顶板切顶现象。活鸡兔井 22311 工作面在末采时出现底鼓、帮鼓和回撤通道 顶板切顶现象，回撤通道 2-4 联巷顶板整体下沉 0.6～1 m，严重的影响着工作面的安全顺利回撤， 研 究末采期间工作面在上覆集中煤柱下安全回采具有 重要意义[7-10]。 1工作面概况 22311 综采工作面为活鸡兔井 22 煤南翼三盘 区首采面， 东侧为 22 煤三盘区大巷， 南侧为 22 煤三 盘区南翼延伸大巷，西侧为 f31断层，北侧为 22310 备采工作面， 工作面长 360 m， 推进长度 690 m， 工 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.031 活鸡兔井 22311 工作面末采切顶机理分析 及解决对策 高士岗 1， 2 （1.神东煤炭集团 大柳塔煤矿， 陕西 神木 719315； 2.西安科技大学 能源学院， 陕西 西安 710054） 摘要 大柳塔煤矿活鸡兔井所开采的水平煤层属于近距离浅埋煤层群， 煤层层间距一般在 0～ 28 m 之间， 回采下煤层时存在过集中煤柱问题， 经常会出现动载矿压、 切顶现象。 为了探究 22 煤 特殊地段过集中煤柱切顶机理， 以 22311 工作面为原型， 通过分析末采期间矿压规律， 建立切顶 机理力学模型， 计算出 22311 工作面来压步距为 8 m， 分析了回撤通道 2-4 联巷切顶、 底鼓及片 帮发生机理， 同时制定了应对和管控措施。 关键词 综采工作面； 底鼓； 切顶； 片帮； 动载矿压 中图分类号 TD322.1文献标志码 B文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0135-05 Mechanism Analysis and Countermeasures of Roof Cutting in 22311 Working Face End Mining of Huojitu Mine GAO Shigang1,2 （1.Daliuta Coal Mine, Shendong Coal Group Co., Ltd., Shenmu 719315, China；2.College of Energy Science and Engineering, Xi an University of Science and Technology, Xi an 710054, China） Abstract The horizontal coal seam mining in Huojitu Mine shaft of Daliuta Mine belongs to close distance coal seam group mining, the interval between layers of coal is generally 0 to 28 m, and there is the problem of over concentration of coal pillar when the coal seam is mined, which often results in dynamic load and top cutting. In order to explore the mechanism of top cutting of over-concentrated coal pillar in the special section of 22coal, a mechanical model of top cutting mechanism was established by taking the 22311 working face as the prototype and analyzing the law of strata behavior during the final mining period. The step spacing of 22311 working face is calculated to be 8 m, and the mechanism of top cutting, floor heave and rib spalling in 2-4 connecting roadway of withdrawal channel is analyzed. Meanwhile, countermeasures and control measures are ulated. Key words fully mechanized mining face； floor heave； roof cutting； rib spalling； dynamic load pressure 135 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 122311 工作面布置平面图 表 1煤层顶底板情况 作面煤厚 4.3～4.6 m， 平均 4.4 m， 倾角 1 ～3 ， 设计 采高为 4.1 m。 22311 综采工作面上覆 12 煤 12309、 12310、 12311 综采工作面采空区， 22311 工作面末采区域 2 层煤层间距平均约为 22 m。 工作面末采区域埋深约 160 m， 基岩厚度 19.8～23 m， 平均厚度 22 m； 松散层 厚度 125～137 m， 平均厚度 131 m。工作面顶板伪顶 发育， 且有不规则裂隙 （滑面） ， 导致工作面顶板破 碎； 工作面底板发育膨润土， 厚度 0.3～1.0 m， 遇水易 软化膨胀， 造成底鼓。工作面顶底板情况见表 1。 22311 工作面运输巷侧距回撤通道 62 m 进入 12 煤集中煤柱， 煤柱宽度 15 m， 在回撤通道正上方 集中煤柱位置对应通道 2～4联巷，对应工作面 70～130架。22311 工作面布置平面图如图 1。 工作面采用郑煤 ZY 15000/26/50 掩护式支架 顶、 底板 岩石名称厚度范围/m岩性特征 基本顶细砂岩2.7～21.6 灰白色， 分选中等， 磨圆度好， 成 分以石英为主， 泥质胶结， 块状 层理 伪顶 直接底 泥岩 泥岩 0～0.5 0.5～1.5 灰色～灰褐色， 水平层理发育 灰色～灰褐色， 水平层理发育 直接顶粉砂岩0～2.7 灰色， 微波状层理， 泥质胶结， 富 含植物化石 支护顶板, 支架额定工作阻力 15 000 kN （工作压 力 47.1 MPa） ， 初撑力 8 026 kN （25.2 MPa） ， 回撤通 道安装 146 台郑煤 18 000 kN 垛式支架支护顶板。 工作面支护强度 1.50～1.76 MPa，回撤通道支 护强度 1.45 MPa。 2末采期间工作面矿压显现规律 22311 距回撤通道 （100～0 m） 周期来压分布图 如图 2。距停采线 100～13 m 时周期来压规律较明 显，工作面整体分为 2 段来压，工作面中下部先来 压， 来压 3 ～4 刀后工作面中上部来压。来压步距平 均为 8 m， 来压持续一般为 5 m。来压区域基本分布 在工作面 20＃～190＃支架，来压区域支架工作压力 43～55 MPa，安全阀大部分开启，开启率一般在 70， 支架活柱下缩量累计达 0.2～0.5 m。来压时片 帮现象较明显， 片帮深度最大达到 2.0 m， 伪顶全部 脱落， 局部小范围漏冒 1.0 m 以上。 距离回撤通道 10 m 处， 工作面 25～185支架整 体来压， 压力主要集中在 45～56 MPa， 安全阀大面积 开启，工作面压力较正常回采时周期压力大。推进 到距离回撤通道 8 m 时， 工作面 70～100支架大脚 前底板出现底鼓现象， 最大底鼓高度 400 mm。由于 仓满影响工作面停机 2 h 后，回撤通道 3 联巷口突 然出现底鼓现象， 最大底鼓高 0.8 m， 顶板下沉量达 300 mm， 3 联巷口帮鼓 300 mm， 2-3 联巷回撤通道 顶板出现大面积淋水现象， 水量 90 m3/h。 136 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 222311 距回撤通道 （100 m～0 m） 周期来压分布图 图 3切顶原理示意图 3回撤通道切顶机理和底鼓原因 3.1回撤通道切顶机理 切顶原理示意图如图 3。22311 回撤通道上覆 12311 和 12310 综采采空区， 12311 运输巷和 12310 回风巷低洼处有大量积水，在水的作用下 22311 工 作面上覆岩层弹性模量降低，岩石强度减弱；在工 作面来压情况下，在仓满的影响下，工作面停止生 产，由于工作面顶板淋水影响，水通过裂隙进入底 板软化膨润土，导致煤壁下方底板强度降低。在 A 岩块的作用下， 力由 A 岩块传递到 B 岩块， 再由 B 岩块传递到回撤通道和工作面之间的煤柱上，在力 的作用下煤柱出现下沉现象，同时由于回撤通道支 护强度没有工作面支护强度大和煤柱支撑强度大， 导致回撤通道 2-3 联巷顶板出现裂隙， 使上覆采空 区积水大量沿顶板裂隙涌入回撤通道，造成上覆岩 层强度降低和关键层顶板铰接点破坏，从而导致上 覆岩层顶板沿回撤通道煤壁或垛式支架断裂，形成 滑移失稳， 从而造成回撤通道 2-4 联巷顶板切顶。 3.2底鼓原因 引起底鼓的原因主要包括 2 方面一方面由于 采动引起的围岩应力集中作用，另一方面是由于工 作面底板发育膨润土， 遇水易软化膨胀， 正常回采巷 道，底板遇水很容易出现底鼓现象。其中围岩应力 集中是主要诱导因素，地下工程开挖后形成的空间 在三维采动应力及地应力作用下，巷道围岩会向着 巷道中心方向聚拢，这一现象随着埋深及开挖范围 的增加而加剧， 这是底鼓、 片帮、 冒顶等事故发生的 内在机理。此外，工作面在回采时，由于煤机冷却 水、 喷雾降尘水和顶板淋水不能得到有效控制， 支架 对工作面底板的反复作用， 底板裂隙较多， 工作面水 通过裂隙进入底板软化膨润土，致使工作面底板强 度降级， 工作面来压后， 压力作用在支架上， 通过支 架传递到底板上，支架的支撑强度大于底板抗压强 度， 导致支架整体下沉 （钻底） ， 造成底板的进一步 破坏。 3.3帮鼓原因 从图 3 可以看出，上覆岩层载荷通过结构完整 的稳定岩块 A 块和 B 块作用在煤壁上和垛式支架 上， 由于煤柱两侧为开采空间， 煤柱两侧煤壁通过产 生塑性变形及破碎向空区膨胀挤压的方式释放由上 而下传递的载荷， 导致工作面和通道煤壁片帮严重。 回撤通道正帮深度达 1.5 m，工作面正帮深度达 2 m， 回撤通道负帮鼓帮达 1 m， 使部分帮锚索失效。 4解决对策 4.1优化工作面设计 回采上煤层时就要提前考虑下煤层工作面巷道 布置， 做到系统最优。回采下煤层， 在进行工作面设 计时， 回撤通道尽量避开上覆采区区集中煤柱， 无法 避开时，尽量让上覆遗留煤柱分布在回撤通道两端 或增大煤柱与回撤通道夹角，减小煤柱对下分层工 137 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 作面影响范围。 活鸡兔井 22 煤回撤通道的回撤开口 联巷由原来的正中 1 个联巷更改为正中和偏中 2 个 联巷。 4.2改变 12 煤覆岩结构 为了有效减少集中煤柱动载矿压对 22 煤回撤 通道的影响，避免出现切顶和压架事故，可以对上 覆采空区进行预注浆和破坏上覆 12 煤集中煤柱、 顶 板及底板的完整性。 1 ） 利用 MYZ-150 型全液压坑道钻机在地面施 工注浆钻孔，钻孔位置施工在回撤通道正对上覆煤 柱两侧， 每侧布置 2 个钻孔， 钻孔间距 15 m， 利用黄 土注浆，注浆时注到地面检验孔喷出浆液为止。采 空区煤柱两侧注浆后，上层煤基本顶破断造成的应 力变化均匀分布于煤柱及黄土上，应力分布均布 化； 同时， 对下煤层进行回采时， 黄土有效的限制了 煤柱的回转失稳和滑落失稳，避免了应力短时间内 的迅速转移。 2 ） 利用坑道钻机在地面或井下施工钻孔， 对回 撤通道上覆集中煤柱及顶底板进行预爆破， 破坏 12 煤集中煤柱及顶底板的完整性。在井下施工钻孔 时，为了便于施工安全和装药安全，钻孔与顶板夹 角不宜超过 40。通过爆破破坏煤柱完整性， 减小煤 柱应力集中， 使 12 煤煤柱集中应力提前释放， 减弱 了上覆岩层压力传递， 改善 22 煤回撤通道及垛式支 架受力状态。 3） 利用坑道钻机在井下施工水压预裂钻孔， 提 前对集中煤柱和顶板进行水压预裂，对集中煤柱在 底板形成的高应力区进行应力释放。 4.3优化工作面支护设计 1） 从 22311 回撤通道切顶来看， 回撤通道支护 强度明显偏小，需要提高垛式支架工作阻力，不仅 可以减少顶板下沉量及难控顶板变形，还能起到切 顶支柱的作用， 因此需要研发宽 1.65 m， 工作阻力 为 21 000 kN 垛式支架。 2 ） 通道负帮及联巷帮锚索支护由 φ17.8 mm4 000 mm 锚索 “W” 钢带的支护方式变更为 φ21.6 mm 4 000 mm 锚索井字形 “π” 型钢带的支护方式。回 撤通道顶板采用 φ17.8 mm8 000 mm 锚索四眼 “W”钢带的支护方式支护，排距 1.2 m，变更为 φ21.6 mm8 000 mm 锚索， 排距为 1.0 m。 4.4采空区积水管控 1） 加强综采剖面测量工作。工作面回采过程 中，测量站必须每 50～70 m 进行 1 次底板标高测 量，精细绘制采空区底板等高线图，为下组煤开采 探放水工作提供准确依据。 2） 加强探放水设计及现场施工， 落实好有疑必 探的防治水措施。合理布置探放水钻孔，针对工作 面中部钻孔距离长、普通钻机能力小不能打通的情 况，在探放水设计时要考虑利用定向钻机进行施 工，对于上部采空区每个低洼处至少有 2 个钻孔打 通放水；对上覆采空区无综采剖面的区域，加密布 置钻孔， 孔间距不大于 50 m， 钻孔终孔位置要长短 结合， 尽量扩大探测范围。 4.5底鼓控制措施 活鸡兔井 22 煤综采末采贯通期间做好防范工 作面底鼓工作。22311 回撤通道及附近巷道都是沿 底掘进， 直接底下为 0.3～1.0 m 厚膨润土， 末采贯通 期间顶板压力大， 且工作面淋水较大， 造成工作面架 前大面积底鼓， 溜子向煤壁倾倒严重， 导致煤机卧底 量增大， 贯通后工作面局部底板低于回撤通道底板。 以后在工作面巷道掘进时留设好 300～500 mm 底煤 推进， 在工作面回采时留设 300～500 mm 底煤回采， 通过留设底煤来增加直接底厚度，同时增强了底板 的受压强度。 22311 回撤通道底鼓严重， 砼底板破坏严重， 22 煤其他工作面回撤通道沿底板掘进，施工 500 mm 砼底板， 砼料为 C30。 4.6其他 1） 工作面来压时加快推进速度， 减少底板与水 的接触时间， 在高仓位生产时， 提前和洗煤厂沟通， 确保工作面快速甩压。 2） 加强工作面排水系统管理。综采队要做好工 作面的排水系统管理工作，对于上部有采空区积水 的工作面要储备足够的排水软管、主要排水水泵要 热备用； 机电队要做好排水系统日常管理， 不能超前 回撤工作面两巷道的主要排水水泵、 管路， 确保系统 稳定可靠， 根据工作面水文地质条件及涌水情况， 提 前在巷道低洼点、 回撤通道等关键地点备用水泵、 开 关等排水实施设备， 提高系统抗灾能力； 机电信息中 心及地质组每月对排水管路、水泵等排水设备进行 排查， 发现问题及时通报区队落实整改并进行复查。 5结论 1） 22311 工作面末采期间来压步距平均为 8 m， 来压持续一般为 5 m， 开启率一般在 70， 支架活柱 下缩量累计达 0.2～0.5 m。 2） 上覆地层载荷通过上煤层开采遗留集中煤柱 向回撤巷道附近围岩传递，且采空区淋水造成上覆 138 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 岩层强度降低和关键层顶板铰接点破坏，导致上覆 岩层顶板沿回撤通道煤壁或垛式支架断裂，形成滑 移失稳， 从而造成回撤通道 2-4 联巷顶板切顶。 3） 工作面底鼓主要是由于工作面来压和底板膨 润土遇水造成的。通过留设底煤来增加直接底厚 度， 增强底板的受压强度， 可有效控制工作面底鼓。 参考文献 ［1］ 柴敬， 高登彦， 王国旺， 等．厚基岩浅埋大采高加长工 作面矿压规律研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2009， 26 （4） 437－440． ［2］ 高登彦， 高登云， 侯志成．特近层间距下煤层综采工作 面初采压架机理及处理措施 ［J］ ．煤炭工程， 2015， 47 （8） 64－67． ［3］ 鞠金峰， 许家林， 朱卫兵， 等．近距离煤层工作面出倾 向煤柱动载矿压机制研究 ［J］ ．煤炭学报， 2010， 35 （1） 15－20． ［4］ 王海山， 强岱民， 任守忠．近距离煤层同采工作面的合 理错距 ［J］ ．煤矿安全， 2002， 33 （11） 26－28． ［5］ 郭帅， 孔宪法， 康天合， 等．采空区下近距离煤层综采 工作面支架载荷分析 ［J］ ．煤矿安全， 2013， 44 （5） 214－217． ［6］ 张柏林．近距离煤层复杂采空区下工作面安全开采影 响因素分析 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （7） 212－215． ［7］ 鞠金峰， 许家林， 朱卫兵， 等．神东矿区近距离煤层出 一侧采空煤柱压架机制 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2013， 32 （7） 1321－1330． ［8］ 高登云， 高登彦．大柳塔煤矿薄基岩浅埋煤层工作面 矿压规律研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2011， 39（12） 20. ［9］ 谷拴成， 王博楠， 李金华， 等．回撤通道保护煤柱应力 分布及其影响因素分析 ［J］ ．中国煤炭， 2017， 43（3） 36－40． ［10］ 谷拴成， 王博楠， 黄荣宾， 等．综采面末采段回撤通道 煤柱荷载与宽度确定方法 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2015， 44（6） 990－995． 作者简介 高士岗 （1978） ， 男， 陕西神木人， 工程师， 西安科技大学在读博士研究生，现任神东煤炭集团大柳塔 煤矿矿长， 主要从事煤炭生产技术及管理工作。 （收稿日期 2019-09-11； 责任编辑 陈洋） （5） 113－116． ［10］ 刘最亮， 张少青．利用地震属性划分瓦斯富集带 ［J］ ． 中国煤炭地质， 2011， 23 （7） 52－55． ［11］ 祁雪梅． 煤层气储层地震属性响应特征及应用 ［D］ ． 徐州 中国矿业大学， 2013． ［12］ 陈勇， 关达， 陈洪德， 等．地震属性技术在煤层及煤层 气储层预测中的应用 ［J］ ．石油天然气学报， 2014， 36 （7） 65－69． ［13］ 王攀． 高煤阶煤储层非均质性耦合模型及煤层内含 气量影响因素权重分析 ［J］ ．煤炭技术， 2018 （1） 51. ［14］ 沈仲辉， 李希建， 徐明智．贵州矿区煤孔隙结构及其 等温吸附特性研究 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （1） 9. ［15］ 姚飞， 陈勉， 吴晓东， 等．天然裂缝性地层水力裂缝延 伸物理模拟研究 ［J］ ．石油钻采工艺， 2008， 30 （3） 83－86． 作者简介 仇念广 （1987） ， 男， 山东济宁人， 工程师， 硕士， 2013 年毕业于中国矿业大学 （北京） ， 主要从事地球 物理勘探工作。 （收稿日期 2018－12－06； 责任编辑 王福厚） （上接第 134 页） 139 ChaoXing