特厚煤層綜放面開切眼冒頂防治技術(shù)

特厚煤層綜放面開切眼冒頂防治技術(shù)

自然麻黃型頂煤自然發(fā)酵工藝兗州礦區(qū)集團公司龍興莊煤礦是一座大型現(xiàn)代化礦山，設(shè)計能力為3.3m。近年來，隨著采井新技術(shù)的普及和應(yīng)用，井年新增開采新技術(shù)的產(chǎn)量不斷提高，1997年新增年產(chǎn)量4.4m。但新工藝的采用也引發(fā)了許多問題,其中最嚴重的是回采巷道冒頂及由此而引發(fā)的頂煤自然發(fā)火問題。綜放工藝要求工作面回風巷和運輸巷及開切眼均沿煤層底板布置,這樣巷道頂板就由分層開采時的巖層變成了較易冒落的煤層,致使巷道掘進及維護過程中經(jīng)常發(fā)生冒頂現(xiàn)象,給巷道支護工作帶來了很大困難。巷道發(fā)生冒頂后,冒落煤體以松散破碎狀態(tài)存在于頂梁的金屬網(wǎng)上,而巷道頂部的微量風流為煤層自燃提供了連續(xù)供氧的條件,但氧化熱量又不容易被風流全部帶走而積聚,為煤層自燃創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境。因此,回采巷道頂板煤層自然發(fā)火事故在該礦已多次發(fā)生,嚴重影響了礦井安全生產(chǎn)。該礦5317工作面開切眼在掘進及后來的維護過程中多處發(fā)生嚴重冒頂。為保證擴開切眼工程及其后的工作面設(shè)備安裝工程安全順利進行,杜絕重復冒頂自然發(fā)火事故的發(fā)生,興隆莊煤礦與中國礦業(yè)大學就此課題進行了科研合作,應(yīng)用高水材料注漿充填技術(shù)解決了這一問題。1開切面部穴的原因分析1.15輸巷工作面概述5317綜放面位于五采區(qū)下部,上鄰已回采完的5316工作面,下靠未采的5318工作面,回風巷和運輸巷及切眼均沿3#煤底板布置,其中運輸巷屬沿空送巷。5317綜放面開切眼與5316—1面切眼成直線,回風巷和運輸巷中—中相距183.8m,工作面為傾斜長壁布置。根據(jù)該礦礦壓分區(qū)觀測資料,此工作面為基本頂來壓顯現(xiàn)強裂,直接頂為不穩(wěn)定的三級一類頂板,屬較難管理的頂板類型。該處地質(zhì)為一單斜構(gòu)造,所采煤層為二疊系山西組3#煤,厚度穩(wěn)定,平均煤厚8.28m,煤質(zhì)較碎,普氏系數(shù)較小,結(jié)構(gòu)簡單,產(chǎn)狀平緩,傾角變化較小,一般為3°～8°之間。1.2頂頂破壞網(wǎng)及支護情況5317開切眼為梯形斷面,見圖1。頂煤厚5.53m。該開切眼處地質(zhì)構(gòu)造簡單,基本不受構(gòu)造應(yīng)力的影響,因此該處礦壓顯現(xiàn)主要是重力型地壓。開切眼開挖后,巷道周邊煤體由天然的三維應(yīng)力狀態(tài)向二維甚至一維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化;在頂壓大于側(cè)壓的情況下,由于頂板存在著拉應(yīng)力,而頂板煤層本身強度較低,此時拉應(yīng)力往往超過煤體的抗拉強度,加上巷道頂角處的剪應(yīng)力集中,煤體的裂隙往往先在頂煤中央和兩個上頂角發(fā)生,然后向煤體深處發(fā)展,形成交錯裂隙網(wǎng),見圖2。此時如果支護不及時或支護強度不夠,裂隙網(wǎng)將繼續(xù)擴大,最終導致冒頂事故的發(fā)生。5317切眼采用礦用12#工字鋼組成梯形棚進行支護,鋪設(shè)頂網(wǎng),采用硬木質(zhì)桿及木楔背幫、背頂加固支架。詳細支護說明見表1。由于5317切眼巷道斷面大,頂煤較破碎,巷道支護采用梯形棚支護,屬于被動支護,支護不及時,支架不能較早地提供支護抗力,無法實現(xiàn)支架與圍巖共同承載壓力,載荷分布形式多是集中載荷,容易對頂梁造成破壞,不能有效地防止頂煤松動失穩(wěn),故5317開切眼在掘進時及巷道施工完成后,于開切眼全長范圍內(nèi)多處發(fā)生程度較嚴重的頂煤冒落離層現(xiàn)象,頂部金屬網(wǎng)多處下垂,據(jù)頂板注水鉆孔資料,冒頂離層較嚴重的地方深達4m,稱之為高冒區(qū)。冒落煤體的重量大多以集中載荷方式作用于支架,致使金屬支架頂梁中部壓彎下沉嚴重,巷道內(nèi)多處用金屬摩擦支柱加強支護;同時冒落的煤體以松散破碎狀態(tài)被金屬網(wǎng)兜在巷道頂部,條件成熟時,巷道頂部自然發(fā)火事故也會發(fā)生,見圖3。2支梁、懸臂梁狀態(tài)為解決5317開切眼冒頂及可能發(fā)生的自然發(fā)火問題,必須使開切眼已受破壞的頂板受壓由簡支梁、懸臂梁狀態(tài)變?yōu)楣讨Я籂顟B(tài),從而增加頂板自身的強度,改善頂板的受力條件;另一方面能徹底消滅煤炭自燃。通過實際調(diào)查和研究,確定選用高水速凝材料注漿充填開切眼煤巷頂板冒落破碎區(qū),使頂板得以固化,同時也切斷了高冒區(qū)的供氧條件,消除了煤層自然發(fā)火的可能性。2.1甲乙混合粉料高水速凝材料是由中國礦業(yè)大學研制成功的一種新型的混凝土材料,該材料是選用鋁釩土、石灰和石膏為主要原料,配以多種無機原料和添加劑,分甲、乙兩種粉料;甲乙兩料漿在未混合之前不凝固,一旦混合后,凝固速度相當快,早期強度較高。高水速凝材料還可以通過調(diào)整甲乙料及加水量的比例使該材料的強度達到中、高標號混凝土的強度指標,它既具有普通混凝土的各種性能,又具有普通混凝土所不具有的高水、速凝、易泵送及防凍等特殊性能。2.2材料的性能分析本次注漿充填材料選用棗莊礦務(wù)局東倉聯(lián)營特種水泥廠生產(chǎn)的高水速凝材料,為充分了解該廠產(chǎn)品的性能,對該材料在不同水灰比條件下的強度特征作了對比實驗,其結(jié)果見表2。為保證充填膠結(jié)凝固體具有足夠的強度,同時考慮到經(jīng)濟性,研究決定選用表中第2組配比作為本次充填試驗的材料配比方案。2.3砂漿注入2.3.1噴射混凝土要嚴格把控噴射混凝土是注漿前的關(guān)鍵工序,沿開切眼全長范圍全斷面進行。噴射混凝土時必須嚴把質(zhì)量關(guān),支架背板及巷道肩窩位置是噴射的重點部位。混凝土噴射厚度以能夠覆蓋住工字鋼支架翼板為宜。2.3.2主砂漿管的配置注漿管采用D21.5mm有縫鋼管加工而成,其結(jié)構(gòu)見圖4。注漿管沿開切眼全長范圍布置。2.3.3注漿工藝流程本次充填試驗采用雙液注漿,注漿泵選用鎮(zhèn)江煤礦專用設(shè)備廠生產(chǎn)的QZB—50/60型氣動注漿泵,具體注漿工藝流程見圖5。注漿時每孔按定壓、定量控制注漿,注漿壓力最大不超過2MPa;斜孔每孔設(shè)計注漿量為500L,垂直孔每孔設(shè)計注漿量為1200L;只要達到壓力或注漿量兩個指標中的任何一個,該孔即可停止注漿,換孔再注。3頂板重復冒頂概述本次注漿充填試驗自1997年8月5日始至8月28日止,累計耗時23d,注進高水材料84.3t。據(jù)每班注漿記錄,單孔注漿量基本達到設(shè)計要求。9月10日,5317開切眼擴寬工程開始,直至工程結(jié)束,期間沒有發(fā)生一起冒頂事故。頂板高冒區(qū)煤層裂隙均被高水材料漿液充填、膠結(jié)、固化,頂板力學性能得到優(yōu)化,穩(wěn)定性增強,形成了頂板的固支梁結(jié)構(gòu),從而使其自承載能力大幅度提高,所以在整個開切眼擴寬過程中,頂板沒有被“活化”而產(chǎn)生重復冒頂。另外,由于頂板松散煤體的裂隙空間被充填,切斷了松散煤體的供氧條件,使之無法進行氧化反應(yīng),杜絕了頂煤自然發(fā)火事故的發(fā)生。4提高了煤體質(zhì)量4.15317開切眼處煤層內(nèi)部裂隙發(fā)育,煤體普氏系數(shù)較小,強度較低,是巷道冒頂?shù)目陀^因素;巷道斷面大,支護不及時,支護強度不夠是巷道冒頂?shù)闹饔^因素。4.2開切眼冒頂后,上部煤體以松散破碎狀態(tài)存在,為煤層自然發(fā)火創(chuàng)造了必要條件,如處理不及時,就會釀成火災(zāi)。4.3高水材料注漿充填固化頂板是控制開切眼冒頂及發(fā)火的一條經(jīng)濟有效的措施,它可以改善頂板的受力條件,