“三軟”煤層綜采工作面冒頂的預防處理方法

李繼勇，韓玉林

（1.汾西礦業正新煤焦有限責任公司，山西 沁源 046500；2.汾西礦業集團公司技術中心，山西 介休 032000）

我國有許多礦區都在開采“三軟”煤層。一般將頂板軟、底板軟、煤層軟的煤層稱為“三軟”煤層，其特點是煤層及枯頂底板具有可塑性、膨脹性、崩解性和流變性等特性。“三軟”煤層使支護系統剛度降低，導致頂板的過度下沉，造成頂板破碎，給回采及頂板管理帶來諸多難題。同時，因復合頂板存在，易發生大范圍的漏垮型頂板冒落，給安全生產造成極大的威脅。紫金煤礦“三軟”的2號煤層中采用綜采設備進行回采，在松軟煤層頂板管理及漏垮型冒頂預防和處理方面摸索出一些方法。

1 “三軟”煤層礦壓顯現規律

通過長期對礦壓觀測資料分析及實踐表明，在“三軟”煤層中工作面端面頂板破碎度的大小反映了直接頂板穩定性和支架對直接頂的控制效果。礦壓顯現規律：

（1）端面頂板破碎度隨著時間的推移而變化，有時支架端面頂板破碎度由平時的9.5 %增大到24 %。工作面初次來壓時，“三軟”煤層的頂板變得極為破碎，使煤壁內部承受壓力較大，頂板下沉量加大，有時煤壁頂板的臺階下沉量達到 200 mm～400 mm。直接頂板被擠壓破壞，使液壓支架前移變得十分困難，只有降架前移，到位后升架，反復支撐已破碎離層的頂板。

（2）工作面頂板來壓時煤壁片幫嚴重，煤壁的片幫深度能由原來的330 mm增大到950 mm；片幫長度由占工作面長度的7.9 %增大到19 %。有時可達60 %～70 %，工作面上半部的煤不需要截割即自行垮落。液壓支架立柱的壓力明顯的增加，多數支架呈現急增阻，工作面中部支架立柱下腔的壓力達到 20 MPa～27 MPa，立柱的加權工作阻力為630 kN/根～850 kN/根。

（3）割煤和移架 2 道主要生產工序對頂板下沉量有較大影響：①采煤機在過測點5 m～10 m，移架在距測點3 m～5 m位移段內影響較大，頂板下沉量和下沉速度急劇增加；②采煤機過測點8 m～10 m，移架至測點附近時，頂板下沉量和頂板下沉速度達到最大值，之后頂板下沉量和頂板下沉速度趨緩；③采煤機接近測點時的頂板下沉量是移架接近測點時的1/9，移架接近測點時頂板下沉量的影響峰值約是平時的13倍。

2 “三軟”煤層工作面架前冒頂及煤壁片幫的成因分析

在“三軟”煤層綜采工作面中，架前冒頂及煤壁片幫的原因主要有自然條件因素和人為回采因素。

2.1 自然條件因素

2.1.1 頂板初次來壓和周期來壓的影響

綜采面由切眼開始推進，當基本頂初次斷裂垮落及周期性的折斷時，將加劇工作面煤壁片幫及架前冒頂現象。

2.1.2 地質構造方面的原因

煤層節理方向與工作面方向夾角小于30 °時，工作面片幫嚴重，造成端面距較大，梁端距裸露的頂板沒有及時支護，很容易發生架前漏頂；工作面過斷層破碎帶時，由于斷層破壞了工作面頂板的完整性，容易造成架前煤壁的片幫及冒頂。

2.1.3 水的影響

工作面有淋水時，煤巖層受水的浸泡變軟，從而減小了煤巖的抗壓強度，同時水浸也致使頂板離層，變松甚至冒落。

2.1.4 軟底板的影響

煤層底板遇到水變軟，造成支架底座鉆底，移架困難，煤幫與頂板得不到及時支護而造成片幫、冒頂；同時底板松軟，降低支架整體支護剛度，加劇圍巖的變形。

2.2 人為回采因素

2.2.1 采高的影響

綜采工作面采高過高，超過支架的最大支撐高度，頂板離層，下沉，導致架前冒頂。

2.2.2 推進度的影響

工作面推進度越慢，維護時間越長，煤體越易被壓松，造成煤壁片幫，架前冒頂。

2.2.3 移架速度和操作的影響

實際工作中往往不能嚴格按割煤→移架→推溜的回采工序作業。當移架速度跟不上采煤機速度時，不能及時移架支護幫頂；對局部超前片幫漏頂不能及時移超前支護，造成新暴露出來的頂板空頂面積增大，空頂時間過長。液壓支架反復升降的影響：工作面底板不平、支架相互擠壓、架前浮煤過多等原因造成移架阻力過大，一次不能將支架移到位，需多次升降。反復升降支架，人為地破壞了工作面頂板完整性，容易引起架前冒落。

2.2.4 梁端距的影響

初撐力因素的影響：支架閥組泄漏或操作上的原因造成支架初撐力低。由于初撐力低，不易使頂板壓力在最初就取得平衡，產生離層現象，當頂板壓力從不平衡狀態向平衡狀態發展時，造成煤壁壓力增加，促使煤壁片幫和架前冒頂。這是造成煤壁片幫冒頂的重要因素之一。

2.2.5 割煤質量的影響

工作面采煤機運行時，割煤質量不好，造成頂底板不平，使支架不能有效地支撐頂板，容易引起架前冒落。

2.2.6 處理片幫的影響

工作面發生片幫、冒頂時，一般采用垂直于工作面煤壁架棚梁護頂或垂直于工作面煤壁架梁護頂，工作量較大，時間延續長，煤壁長時間受壓后向兩側擴展，會引起更大的片幫冒頂現象。

3 預防片幫冒頂措施

3.1 工作面兩巷頂板管理

（1）工作面上下端頭煤壁三角處因受兩巷及工作面采動影響，壓力大，易發生片幫冒頂。在工作面上下端頭煤壁三角處架設斜跨棚和順山棚，架棚寬度達到沒破碎的煤壁為止，架棚過程中要及時背幫、過頂，加強端頭頂板管理。上下順槽均采用錨梁網支護，跨工作面機頭、機尾用6.5 m長11#工字鋼設雙排挑棚，一梁四柱，隨機頭、機尾交替邁步前移。上下隅角受錨梁網支護影響，工作面過后上下隅角不能及時充分冒落，可超前工作面煤壁5 m提前將錨索退錨，在上下隅角切頂線處用單體加補密集切頂點柱，用材料將上下隅角充填實。

（2）加大工作面兩巷的超前支護距離，由原設計的兩排增加為三排，增設柱鞋，加大與底板的接觸面積，防止支柱鉆底，液壓系統達到額定壓力，并保證有足夠的支護強度。

3.2 工作面頂板管理

3.2.1 生產過程中采煤機采用雙向割煤，盡量減少單向割煤，保證及時移架，減小空頂時間

采用追機作業方式，割煤后及時伸出伸縮梁臨時支護頂板，隨后10 m拉移支架，移架時少降快拉、帶壓移架，移架后及時用護幫板護幫；若局部煤層松軟片幫冒頂現象嚴重，采煤機過后提前拉支架支護頂板。

3.2.2 液壓系統的管理

保證乳化液泵站的壓力達30 MPa，提高支架的初撐力和工作阻力，使支架有較高的初撐力，有效地支護頂板，減少頂板對煤幫壓力，使頂板能沿支架切頂線切斷，不至于壓力前移至煤壁。采煤機、刮板輸送機、順槽轉載機、皮帶機在運行過程中易發生故障，直接影響工作面生產，日常檢修時重點加強對其維護，確保設備正常運轉；加強支架檢修與管理，回采過程中，對歪架及時采用支架本身的調架千斤頂和單體支柱進行調整，對端頭支架增設防倒千斤頂，確保支架處于良好狀態。

3.2.3 液壓支架管理

在生產中要加強對工作面支架的管理。要保證支架布置均勻、架型正、不擠不咬，架間空檔一般不超過200 mm，上下架落差不大于側護板的2/3；架頭不低、不昂頭，底座不下陷；初撐力嚴格達到規程規定要求，以有效控制頂板離層。工作面要做到“三平二直”，確保支架受力均勻，切頂整齊，防止壓力向前發展。

實行分段跟機移架，加快移架速度，及時支護新暴露出來的頂板。當移架速度跟不上采機割煤速度時，減緩割煤速度或停機移架，移架后要及時將支架伸縮梁及護幫板打開，護住架前煤壁與頂板。

在底板松軟處，移架前在支架底座下墊2塊～3塊木板，以增加液壓支架底座接觸面積，防止支架下陷，并及時調整好支架的狀態，使支架頂梁平整接頂。

3.2.4 工作面超前支護

工作面頂板破碎、煤壁片幫嚴重，必須采取超前支護。煤機在正常割煤過程中，護幫板只準超前前滾筒5架收回，煤機過后，及時伸出伸縮梁、護幫板，并且伸縮梁必須抵緊煤幫，并及時移架。

3.2.5 工作面加快推進速度

加快工作面推進速度，使頂板下沉量較大的區段始終處于支架放頂線以外的采空區側，工作面煤幫始終處于頂板下沉回轉量較小位置，減少煤壁、煤體所受的壓力，減輕其破碎程度，減少片幫及端面冒頂程度。

4 片幫冒頂常用處理方法

4.1 局部冒落的處理方法

由于回采作業過程的特殊性和長期性，生產中難以徹底杜絕局部冒頂的發生，對此應當進行及時妥當處理，以防出現推垮型冒落事故。當遇到局部冒頂，應及時用Φ160 mm～Φ180 mm×3000 mm的圓木護頂。如果用支架的護幫板或伸縮梁不能將圓木護到頂板上，則采用加長單體（由2根DZ－2.0型單體支柱對接焊接而成）將圓木打到頂板上，防止冒頂范圍擴大，平行工作面煤壁挑木梁護頂，采煤機割煤后，當暴露出來的頂板短時間內不會冒落而在支架降架前移可能冒落時，采取先移頂板完整處的支架，同時在支架前梁上方，沿平行煤壁的方向放置2根3 m以上的木梁，然后再移破碎處的支架托住木梁。若頂板破碎嚴重極易冒落時，在頂梁上鋪設板皮、笆片等護頂，當發生架前冒頂時，可及時采用超前扶棚接頂的辦法處理。具體操作方法是：使用直徑160 mm～180 mm，長2 m～4 m的圓木，一端放在支架頂梁前端，搭接長度300 mm～500 mm，另一端在煤壁側用單體液壓支柱支撐，形成棚。根據頂板壓力大小，片幫深度，頂板冒落程度，采取相應的扶棚密度，一般采用一架兩棚，扶棚寬度在2.10 m以內時，一梁一柱；扶棚寬度在2.10 m以上時，一梁兩柱，棚頂用厚度不小于80 mm的半圓木接實，從而控制住架前冒落。

4.2 打撞楔防治冒頂

當工作面局部已沿煤壁發生冒落，矸石順煤壁繼續下流時，要及時用直徑40 mm、長1.8 m的圓鋼撞楔，穿過伸縮梁前2個圓孔用大錘打入煤壁，然后在其上用板皮護頂。或者，在冒頂處用直徑200 mm、長3.2 m以上的圓木配合單體液壓支柱從上到下架平行于煤壁的一梁三柱托棚，把規格為2200 mm×70 mm×50 mm的木撞楔逐根放在棚梁上，尖端指向煤壁，末端墊一方木塊，然后用大錘打入冒頂處，將巖石托住，使其不再繼續冒落。移架時用支架前梁托住平行煤壁的棚梁，撤去影響移架的棚腿。

4.3 垂直工作面煤壁架棚護頂

當工作面頂板隨采隨落，冒落面積較大，且頂板條件不允許把支架前梁降下放置木梁時，立即停止采煤機和輸送機，根據冒落情況選用＜200 mm的圓木，自上而下超前架設垂直于煤壁的一梁三柱棚，棚梁應高于液壓支架頂梁300 mm，梁距0.175 m，其上用板皮護頂，并在棚梁下用3 m以上木料配合單體液壓支柱架平行于工作面煤壁的一梁三柱托棚加強支護。然后移架，先移一架托住平行于煤壁的棚梁，撤去影響移架的支柱，再移相鄰支架。

4.4 垂直工作面煤壁架梁護頂

當工作面發生大面積片幫冒頂且已出現空頂時，必須停止工作面采煤機和輸送機，等冒頂區頂板穩定后，根據片幫的寬度，選用直徑200 mm以上的木料或π型梁，沿走向將其一端搭在支架頂梁上，搭接長度不小于300 mm，另一端用單體液壓支柱支撐，每個支架上搭兩根，梁距0.75 m。在每個棚梁下補打兩根單體液壓支柱或架一梁三柱托棚加強支護，用木垛和板梁接實頂板，見圖1。

圖1 垂直工作面煤壁架梁護頂

4.5 亞聚氨酯材料加固煤幫及破碎頂板技術

在工作面煤壁發生強度破壞產生裂隙后，對煤壁及頂板破壞的繼續發展起到控制作用，亞聚氨酯能夠很好地與松散破碎煤巖體形成緊密粘合，并且良好的柔韌性能夠承受隨后的采動影響，亞聚氨脂固化時間只需要3 min～5 min，施工速度快，用亞聚氨酯加固后可改善煤幫及破碎頂板的力學特性，提高了煤體的抗壓強度和承載能力，控制煤幫及頂板變形破碎，防止破壞片幫和漏頂發生。及時地改變了圍巖的松散結構，提高了巖體的整體強度，提高了施工的安全可靠性，保證了綜采工作面的正常推進。

5 結束語

回采工作面作為一個動態工作空間，受地質條件、地質環境及地層應力諸多因素的影響。工作空間有限、環境特殊，認真研究礦壓顯現規律，選擇合理有效的支護手段，分析冒頂事故原因，研究預防措施和總結處理方法，保證工作空間安全可靠，是生產技術管理工作的重要課題，對礦井的安全、生產、效益等具有重要的作用。