204工作面頂板冒落機理及治理措施

范志飛

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033100）

1 概述

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦204工作面位于井田830m水平。工作面北部為202工作面，東部為實煤區(qū)，南部為206工作面，西部為830m水平大巷。工作面埋藏深度為477m。

204工作面設(shè)計走向長度為1644m，傾向長度為220m。工作面回采煤層為9#煤層，平均厚度為3.0m，煤層結(jié)構(gòu)復雜，含多層夾矸，多以泥巖為主。204工作面直接頂主要以砂質(zhì)泥巖與煤混合巖層為主，平均厚度為2.4m，其中煤層總厚度為0.7m；基本頂主要以細砂巖為主，平均厚度為8.9m。

204工作面采用綜合機械化后退式回采工藝，全部垮落法填充采空區(qū)。204工作面回采至578m處位于回風順槽側(cè)（131～122#支架之間）揭露一條正斷層F2，斷層落差為1.2m，傾角為50°。

2 204工作面冒落情況及冒落機理

2.1 204工作面冒落情況

204工作面回采至565m處時工作面131～122#支架之間端面頂板出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，隨著工作面推進，工作面頂板及煤壁破壞嚴重。當工作面回采至572m時，位于127～123#支架之間頂板出現(xiàn)冒漏現(xiàn)象。冒漏區(qū)域呈半球形，最大冒漏高度為1.6m，且煤壁片幫嚴重，最大片幫深度為1.2m，導致端面距加大，從而使冒漏區(qū)域不斷擴大。工作面在過冒漏區(qū)域時，支架頂梁無法接頂，導致支架初撐力、工作阻力低，不足50%，支架支護效果差，威脅著工作面安全高效回采。

2.2 工作面冒落機理

（1）采空區(qū)影響。由于204工作面北部為202工作面（已回采完畢），相鄰兩工作面采用無煤柱回采布置方式，202工作面回采結(jié)束后采用垮落煤矸及單體柱對204回風順槽進行支撐，支撐作用力低。受202采空區(qū)殘余應力作用，204回風順槽側(cè)頂板出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，導致頂板斷裂、破碎現(xiàn)象。

（2）地質(zhì)構(gòu)造影響。受F2斷層影響，工作面在斷層帶處頂板出現(xiàn)斷裂，破壞了頂板連續(xù)穩(wěn)定性。在構(gòu)造應力作用下，斷盤兩側(cè)煤巖體力學性質(zhì)發(fā)生變化，煤巖體穩(wěn)定性差，受采動影響頂板巖體出現(xiàn)破碎、冒落現(xiàn)象，煤壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。

（3）頂板穩(wěn)定性差。204工作面直接頂主要以砂質(zhì)泥巖與煤混合巖層為主，混合巖體單軸抗壓強度不足30MPa，巖體結(jié)構(gòu)復雜，穩(wěn)定性差，無法形成膠結(jié)穩(wěn)定性承載梁。工作面回采過程中出現(xiàn)煤壁片幫造成端面距加大時，頂板承載能力低，導致頂板破碎、冒落。

（4）超前集中應力破壞。由于工作面回采煤層屬石炭系煤層，煤層發(fā)育不穩(wěn)定，呈破碎狀，工作面回采期間受構(gòu)造應力、回采應力等超前集中應力，位于工作面前方10m范圍內(nèi)煤體破碎嚴重，煤柱對頂板支撐力降低，導致工作面超前區(qū)頂板出現(xiàn)剪切破壞，頂板超前破碎嚴重。

3 冒落區(qū)綜合治理措施

為了提高工作面應力區(qū)頂板穩(wěn)定性，防止冒漏范圍進一步擴大，通過研究決定對工作面冒漏區(qū)頂板采取“人工假頂+超前淺深孔注漿加固”聯(lián)合治理措施。

3.1 人工假頂

（1）首先對冒落區(qū)煤壁進行掏槽施工，掏槽規(guī)格為長×高×深=6.0×0.3×0.5m，掏槽后及時在冒落區(qū)施工四根長度為3.5m工字鋼錨索吊棚。錨索吊棚垂直煤壁布置，每架錨索吊棚采用三根長度為5.0m、直徑為21.6mm恒阻錨索懸吊，錨索吊棚間距為1.8m。錨索吊棚施工后吊棚面平整且與原工作面頂板位于同一水平面上。

（2）錨索吊棚施工完后，依次在吊棚上鋪設(shè)8#鋼筋網(wǎng)、風筒布、道木等。8#鋼筋網(wǎng)規(guī)格為長×寬=1.2×1.0m，鋼筋網(wǎng)與吊棚之間采用鉛絲連接，相鄰兩片鋼筋網(wǎng)搭接長度為0.2m。道木長度為1.5m，上下兩層道木成十字交叉布置，直至道木與冒落頂板接觸嚴實。如圖1所示。

（3）為了防止冒落區(qū)瓦斯積聚，使人工假頂與冒落區(qū)圍巖完全膠結(jié)，人工假頂搭接完成后，對假頂空隙處填充羅克休膨脹劑。該化學材料主要由A（樹脂）、B（催化劑）材料組成，A、B混合比為3.5:1。羅克休具有膨脹速度快、膨脹率高、填充效果好等優(yōu)點。

圖1 204工作面冒漏區(qū)人工假頂剖面示意圖

3.2 超前淺深孔注漿加固

為了提高煤壁及頂板巖體膠結(jié)穩(wěn)定性，決定對煤壁及破碎頂板施工超前淺深孔進行注漿施工。

（1）注漿材料。選用馬麗散化學材料，該材料屬于雙組分合成高分子—聚亞胺膠脂材料，主要由樹脂和催化劑兩部分組成，配比為1:1。樹脂和催化劑反應后能夠及時膨脹，并形成多元網(wǎng)狀密彈性體，對煤巖體裂隙具有很好的封堵、粘接效果，凝固后抗壓強度在25～40MPa之間。

（2）煤壁注漿鉆孔。工作面煤壁采用淺孔注漿，注漿鉆孔深度為3.0m，直徑為40mm，鉆孔施工在距頂板1.5m處煤壁上，鉆孔仰角為20°，鉆孔從131#支架前方煤壁開始施工，鉆孔間距為3.0m，共計施工6個。

（3）頂板注漿鉆孔。工作面頂板采用深孔注漿，注漿鉆孔深度為8.0m，直徑為40mm，鉆孔施工在距頂板1.0m處煤壁上，鉆孔仰角為30°，鉆孔終孔位置位于頂板破碎巖體內(nèi)，鉆孔間距為3.0m?？卓诠懿捎瞄L度為2.0m、直徑為35mmPVC管，孔口管外露端采用錨桿將其與煤壁固定，如圖2所示。

（4）注漿工藝。采用 2ZBQ50/19型氣動雙液注漿泵進行注漿施工，煤壁孔注漿壓力為1.2MPa，單孔注漿時間不得低于10min；頂孔注漿壓力為1.6MPa，單孔注漿時間不得低于15min。注漿2h后工作面方可回采。

3.3 應用效果分析

截至2018年7月12日，204工作面回采至605m，工作面完全通過了破碎、冒漏區(qū)。通過對572～598m范圍內(nèi)工作面破碎頂板采取“人工假頂+超前淺深孔注漿加固”聯(lián)合治理措施，工作面在回采過程中控制了冒漏區(qū)范圍進一步擴大，提高了支架支護效果，使支架初撐力、工作阻力提高至87%以上，回采期間未出現(xiàn)頂板嚴重破碎、冒漏、煤壁片幫現(xiàn)象。工作面在揭露F2斷層時，在129～125#支架之間端面頂板出現(xiàn)局部破碎、煤壁片幫現(xiàn)象，最大片幫深度為0.5m，通過聯(lián)合治理措施后得到有效控制，工作面在過破碎冒漏區(qū)平均回采速度提高至7.2m/d。

圖2 工作面注漿鉆孔平、剖面布置示意圖

4 結(jié)論

（1）通過對工作面區(qū)施工人工假頂，不僅可對冒漏區(qū)進行填充，防止冒漏區(qū)瓦斯積聚現(xiàn)象，而且解決了傳統(tǒng)冒漏區(qū)支護難度大、支護效果差等技術(shù)難題，提高了冒漏區(qū)圍巖穩(wěn)定性及支撐作用。施工人工假頂后，在過冒漏區(qū)期間提高了支架初撐力及工作阻力，保證了支架支護效果。

（2）通過對工作面破碎煤壁及頂板采用注漿加固，煤體單軸抗壓強度提高至40MPa，破碎巖體單軸抗壓強度提高至55MPa，提高了煤巖體膠結(jié)穩(wěn)定性，防止煤壁片幫以及頂板超前破碎現(xiàn)象，保證了工作面安全高效回采。