綜采工作面端面破碎機理及控制措施

曹昊蘇

（大同煤礦集團雁崖煤業有限公司，山西 大同 037001）

1 工作面概況

大同煤礦集團雁崖煤業公司8301工作面位于三盤區北部，工作面東部為三盤區大巷，南部為實煤區，西部為井田邊界，北部為8302工作面采空區。

8301工作面設計走向長度為1210 m，傾向長度為180 m，回采煤層為二疊紀下統山西組4#煤層，平均厚度為3.5 m，工作面無偽頂，直接頂主要以炭質泥巖為主，平均厚度為3.2 m，巖石普氏系數f=2.5，巖體成脆性，易斷裂破碎，基本頂主要以粉砂巖為主，平均厚度為6.7 m；8301工作面采用綜合機械化后退式回采工藝。

截止2018年6月11日8301工作面已回采570 m，回采至565 m處位于工作面89#～133#支架前方端面頂板出現局部破碎現象，且工作面煤壁片幫現象嚴重，當工作面回采至570 m處時，端面頂板出現大面積破碎，并伴隨有局部冒落現象，受煤壁片幫影響，端面空頂距達1.1 m，支架移架后不接頂現象嚴重，支架初撐力及工作阻力不足額定值的60%，工作面回采速度降低至4.5 m/d，嚴重制約著工作面安全高效回采。

2 8301工作面端面破碎機理

1）采空區殘余應力影響：由于8301工作面北部為8302工作面采空區，工作面保安煤柱寬度為25 m，受采空區殘余壓力影響保安煤柱破壞嚴重，煤柱對頂板支撐作用力降低，造成8301工作面采空區側頂板出現下沉、斷裂現象，并向工作面中部延伸，從而導致工作面頂板破碎。

2） 構造應力影響：8301工作面回采至578 m處時揭露一條逆斷層F2，斷層落差為1.6 m，傾角為42°，斷層破壞了頂板巖體整體連續性，位于斷層面附近巖體穩定性差，工作面在回采時在超前應力作用下，斷層帶附近巖體破壞嚴重，隨著工作面回采，頂板出現局部破碎、冒落現象。

3）頂巖穩定性差：8301工作面直接頂主要以炭質泥巖混合巖層為主，平均厚度為3.2 m，巖體成層狀結構，且巖體單軸抗壓強度不足20 MPa，承載能力低，在應力作用下頂板巖體易破碎。

4）支架頂梁切頂破壞：工作面回采后支架在支撐頂板的過程中，會對頂梁上方巖體進行擠壓，導致支架頂梁端頭對頂板巖體產生線性切頂破壞，在集中應力作用下端面空頂處出現破碎現象。

5）支架支護效果差：受破碎頂板影響，支架在破碎頂板處支護效果相對較差，支架支撐力、工作阻力不足額定值的60%，支架支護后局部出現不接頂現象，在支架頂梁上方巖體出現卸壓空間，從而導致頂梁上方巖體破碎嚴重，且向煤壁方向延伸。

3 端面破碎控制措施

為防止8301工作面端面破碎范圍擴大，保證工作面安全高效回采，通過研究決定對8301工作面端面破碎處采取 “斜角超前鉆孔卸壓+組合梯形錨索棚支護+管棚超前支護”的聯合支護方式。

3.1 斜角超前鉆孔卸壓

為了防止工作面應力超前集中現象，避免支架頂梁及端面處出現卸壓空間，決定對工作面施工斜角超前卸壓鉆孔，對集中應力進行卸壓。

（1）卸壓鉆孔深度確定：為了保證卸壓鉆孔起到預期卸壓作用，在工作面頂板施工三個窺視孔，鉆孔深度為3.5 m，通過窺視孔施工過程中每米產生的煤屑量分析發現，在鉆孔0～2.0 m范圍內屬于卸壓區，巖體破壞嚴重，在2.0～2.8 m范圍內屬于卸壓區減弱區，在2.8 m以上屬于穩定區，所以最終確定卸壓鉆孔有效深度為3.5 m，鉆孔終孔端位于巖體穩定區內。

（2）卸壓鉆孔施工：為了達到對工作面應力超前卸壓目的，卸壓鉆孔施工在距頂板1.0 m煤壁處，鉆孔直徑為40 mm，鉆孔成60°仰角布置，卸壓鉆孔施工在80#～133#支架前方煤壁處，鉆孔間距為5 m，共計施工15個。

3.2 組合梯形錨索棚支護

為了防止煤壁片幫導致端面空頂距加大，造成端面處出現冒落現象 ，同時提高支架支護強度，決定在端面空頂處施工組合梯形錨索棚支護。

（1）組合梯形錨索棚支護主要由梯形梁、組合錨索托板、恒阻錨索等部分組成，梯形梁主要由直徑為25 mm圓鋼組成，長度為2.0 m，寬度為0.5 m；組合錨索托板共計兩塊，長度為0.5 m，寬度為0.5 m，在托板兩端各焊制一個直徑為30 mm圓孔，孔間距為0.4 m；恒阻錨索規格為Φ21.6 mm×6000 mm，每架梯形錨索棚配套4根恒阻錨索，見圖1。

（2）組合梯形錨索棚施工在83#～133#支架前方端面處，首先在指定端面空頂處施工4根恒阻錨索，錨索橫向間距為2.0 m，縱向間距為0.4 m；恒阻錨索施工完后，在錨索外露端依次安裝梯形梁、錨索托板，并采用鎖具進行固定，保證梯形梁與頂板接觸嚴實，。

（3）組合梯形錨索棚間排距為1.0 m，錨索棚施工完后回采時支架頂梁緊貼梯形梁帶壓擦頂移架，直至工作面完全過破碎帶。

3.3 超前管棚支護

為了實現對工作面前方超前應力區進行超前維護目的，防止回采時超前應力作用導致煤壁片幫嚴重，端面距加大，決定在工作面回采前對煤壁施工一排超前管棚支護。

（1）8301工作面施工的每組超前管棚支護主要由40根長度為3.2 m，直徑為30 mm鋼筋以及若干個夾板組成，管棚支護施工在工作面設計頂板位置，且垂直煤壁布置。

（2）首先采用手持式風動鉆機配套麻花釬桿以及32 mm“八”字型鉆頭進行

超前支護鉆孔施工，鉆孔深度為3.2 m，鉆孔間距為1.2 m，鉆孔水平偏角允許誤差為±3°，垂直偏角允許誤差為±2°。

（3）支護鉆孔施工完后對鉆孔內依次安裝錨固劑、鋼筋并采用鉆機進行錨固，錨固后保證鋼筋外螺長度控制在0.15～0.25 m范圍內；鋼筋錨固后在每兩根鋼筋外露端安裝一根長度為1.5 m夾板，并采用卡纜進行固定。

（4）超前管棚支護施工完后，工作面在移架時支架頂梁緊貼管棚支護面，當工作面回采至2.5 m處時及時施工第二排管棚超前支護，相鄰兩排超前支護交替疊加布置。

圖1 8301工作面端面破碎頂板聯合支護剖面

4 結語

1）通過施工卸壓鉆孔為工作面超前應力區創造了卸壓空間，避免了因頂板破碎產生卸壓區，降低了集中應力破壞作用，防止了超前集中應力對煤壁產生剝離破壞，導致煤壁片幫、端面空頂距加大等現象。

2）組合梯形錨索棚支護不僅對端面空頂處進行有效支護，提高了端面處頂板承載能力，防止了端面破碎、冒落現象，同時通過施工組合梯形錨索棚支護后支架移架時頂梁可緊貼錨索棚，從而防止了支架頂梁托空現象，提高了支架初撐力及工作阻力。

3）通過對工作面頂板位置施工超前管棚支護，實現了工作面煤壁超前支護，防止了集中應力對頂板超前破壞，提高了煤體對頂板的支撐強度，為工作面安全高效回采奠定了基礎。

對8301工作面端面破碎頂板采取“斜角超前鉆孔卸壓+組合梯形錨索棚支護+管棚超前支護”的聯合支護措施后，工作面在后期回采過程中端面空頂距控制在0.3 m以下，支架初撐力及工作阻力提高至87%以上，端面頂板未出現冒落、大面積破碎現象，工作面回采速度提高至7.5 m/d，取得顯著應用成效。