綜采工作面端面破碎頂板安全支護(hù)技術(shù)

曹志輝

（山西焦煤集團(tuán)山煤國際長春興煤業(yè)公司，山西 大同 037101）

1 概況

山西焦煤集團(tuán)山煤國際長春興煤業(yè)公司101 工作面采用低位放頂煤回采工藝，回采的22#煤層厚度為9.5 m，傾角為2°，采煤機(jī)破煤厚度為3.5 m，放煤高度為6.0 m，煤層整體結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。煤體頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 101 工作面22#煤層頂?shù)装鍘r性匯總表

101 工作面采用ZF13000/25/38 型液壓支架支護(hù)，額定工作阻力40.3 MPa；ZTZ20000/28.5/42型端頭液壓支架1 架；MG500/1180-WD 采煤機(jī)；SGZ1000/1400 型前部刮板運(yùn)輸機(jī)；SGZ1200/1400型后部刮板運(yùn)輸機(jī)；SZZ1200/700 型轉(zhuǎn)載機(jī)；PCM400 型破碎機(jī)；ZY2700 型自移裝置。

根據(jù)101 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間揭露的地質(zhì)構(gòu)造，順槽447 m 處巷道左幫揭露斷層，452 m 在巷道右?guī)徒衣稊鄬?。斷層落差?.8 m，傾角為42°，斷層與巷道之間的夾角為47°。工作面回采至435 m處時(shí)在14#支架前方揭露斷層，在揭露斷層后出現(xiàn)嚴(yán)重煤壁片幫以及端面破碎現(xiàn)象，端面距達(dá)1.7 m，煤壁片幫深度達(dá)1.2 m。

2 工作面端面破碎機(jī)理

（1）圍巖穩(wěn)定性差。101 工作面回采的22#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差，煤層內(nèi)含多層夾矸，受采動(dòng)影響，煤巖體出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)破壞，出現(xiàn)離層、破碎現(xiàn)象。

（2）回采工藝影響。101 工作面采用放煤工藝，工作面回采時(shí)下部煤層采落后上部頂煤在支撐情況下，承載強(qiáng)度降低。工作面回采后支架后方頂煤在放煤時(shí)，對支架前方頂煤產(chǎn)生水平張拉破壞作用，造成端面頂板破碎。

（3）支架切頂破壞嚴(yán)重。101 工作面主要采用ZF13000/25/38 型液壓支架進(jìn)行頂板支護(hù)，當(dāng)頂板來壓時(shí)前探梁對頂板產(chǎn)生切頂破壞作用，從而導(dǎo)致頂板破碎。

（4）構(gòu)造應(yīng)力影響。101 工作面煤體在F7 斷層作用下，煤體內(nèi)部出現(xiàn)高度發(fā)育的裂隙，裂隙擴(kuò)張延伸對煤體產(chǎn)生剪切作用，破壞了煤巖體穩(wěn)定性。隨著工作面回采距斷層越來越近，應(yīng)力破壞越嚴(yán)重。同時(shí)，構(gòu)造應(yīng)力在裂隙帶內(nèi)進(jìn)行釋放，對裂隙巖體產(chǎn)生卸壓破壞，加劇了煤巖體破壞力度。

（5）煤壁片幫嚴(yán)重。工作面過斷層期間集中應(yīng)力對煤壁產(chǎn)生剝離破壞作用，工作面煤壁從頂往下1.5 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)垮落，造成煤壁與頂板存在67°夾角，煤壁最大片幫深度達(dá)1.7 m，一方面降低了煤柱對頂板有效支撐作用，另一面加大了工作面端面距。

（6）回采速度慢。101 工作面回采至斷層應(yīng)力區(qū)后平均回采速度不足3.0 m/d，若頂板支護(hù)不及時(shí)，增加集中應(yīng)力對頂板破壞持續(xù)時(shí)間，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)斷裂、破碎現(xiàn)象。

3 頂板支護(hù)優(yōu)化改進(jìn)[1-5]

3.1 玻璃鋼梯形棚支護(hù)

3.1.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)

101 工作面端面頂板施工的玻璃鋼梯形棚由玻璃鋼梯形梁、夾板、錨索等部分組成。玻璃鋼梯形梁長度為3.5 m，寬度為0.5 m，由5 根直徑20 mm、長度3.5 m 玻璃鋼管連接而成。每架玻璃鋼梯形梁采用三組夾板固定，在玻璃鋼梯形梁上固定2個(gè)玻璃拱形墊片，墊片上焊制一個(gè)直徑30 mm 支護(hù)孔，孔間距1.75 m。每架玻璃鋼梯形棚固定在頂板同一排兩根錨索下方。

3.1.2 支護(hù)工藝

（1）101 工作面在揭露斷層后若架前頂板出現(xiàn)破碎且端面距達(dá)1.0 m 時(shí)，沿工作面傾向方向在端面頂板施工一排玻璃鋼梯形棚，棚與棚之間間距為1.0 m，排距為1.5 m。

（2）梯形棚支護(hù)時(shí)，先對端面頂板施工兩個(gè)錨索支護(hù)孔。為了防止拉架時(shí)造成梯形棚錨索變形、斷裂，梯形棚兩根錨索施工在相鄰兩架支架前探梁之間。錨索孔深度為4.0 m，直徑為28 mm。

（3）梯形棚安裝到位后，采用張拉千斤對錨索鎖具進(jìn)行預(yù)緊，保證梯形梁與頂板能夠完全貼合。根據(jù)工作面頂板破碎情況，決定從14#支架向端頭處施工梯形棚，每排布置9 架。

3.2 注漿加固

為了控制煤壁片幫、端面頂板破碎現(xiàn)象，決定在順槽側(cè)煤壁布置超前注漿孔，對煤巖體進(jìn)行超前加固。

（1）在101 工作面運(yùn)輸順槽煤壁側(cè)布置注漿鉆孔，注漿孔垂直煤體布置，開口中心位置與頂板垂直距離為1.0 m，鉆孔直徑為50 mm，平均深度為25 m，鉆孔終孔位置延伸至斷層巖體外邊緣，注漿孔布置間距為3.0 m。

（2）注漿鉆孔施工完后，及時(shí)采用風(fēng)管將鉆孔內(nèi)煤屑排除，然后對注漿孔內(nèi)插入一根直徑為20 mm 注漿軟管。注漿軟管插入孔內(nèi)深度為3.0 m，在孔口0.5 m 范圍內(nèi)安裝一個(gè)聚氨酯柔性止?jié){塞。注漿液采用水泥與水玻璃配比為3:1 的混合漿液，注漿壓力為3.0 MPa。

（3）注漿完成后，在后期回采時(shí)觀察注漿區(qū)域漿液結(jié)塊情況，結(jié)塊率不得低于85%。若存在局部區(qū)域注漿不到位時(shí)，需補(bǔ)充鉆孔進(jìn)行二次注漿。

101 工作面斷層應(yīng)力區(qū)聯(lián)合支護(hù)平面示意圖如圖1。

圖1 101 工作面斷層應(yīng)力區(qū)聯(lián)合支護(hù)平面示意圖（mm）

4 結(jié)語

（1）通過對破碎區(qū)頂板施工玻璃鋼梯形棚支護(hù)后，大大提高了應(yīng)力區(qū)頂板穩(wěn)定性，有效控制了端面頂板破碎現(xiàn)象，工作面在后期回采中液壓支架過應(yīng)力區(qū)時(shí)未出現(xiàn)支架頂梁托空現(xiàn)象。

（2）注漿后煤體結(jié)塊率以及單軸抗壓強(qiáng)度明顯提高，實(shí)測101 工作面斷層區(qū)未注漿區(qū)煤體結(jié)塊率為57%，單軸抗壓強(qiáng)度為21 MPa，注漿后煤體結(jié)塊率為89%，單軸抗壓強(qiáng)度為45 MPa。

（3）采取聯(lián)合支護(hù)后控制了101 工作面煤壁片幫現(xiàn)象，縮小了回采期間端面距，回采過程中煤壁最大片幫深度為0.4 m，最大端面距為0.3 m。