極復雜地質條件下采煤工作面頂板控制研究

姜海峰，羅廣利，宗瑞申，李世先

（兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272102）

1 工作面概況

7302 工作面位于七采區中部，工作面埋深- 489m，本工作面地質構造復雜，煤層總體為一單斜構造，傾角2～12°,平均7°，發育有次一級的波狀起伏。工作面采用傾斜長壁綜采放頂煤采煤法，推進長度391m，工作面面長157m。

工作面中DF4 斷層延伸距離長，從開始揭露該斷層落差2m，到目前為止該斷層落差大約8m，對回采生產影響較大。工作面邊采邊撤部分過肖家莊三號斷層尾部，回采后期過DF5、肖家莊二號斷層一部分。各斷層的平面位置及延展情況見表1。

表1 7302（外段）綜放工作面斷層表

表2 工作面設備布置

2 工作面回采過程中發生的歪架事故

2.1 歪架原因分析

1） 7302 工作面由于受斷層影響，工作面提臥刀

幅度較大，造成工作面底板不平，在工作面變坡點處，兩側支架受重力在水平方向上的分力F1 作用下，容易造成歪架，出現架間隙。一旦有了間隙，開始架間漏矸，然后頂板破碎，支架頂梁失去了頂板壓力的作用，形成一個自由體，在拉移支架的過程中，失去了相鄰支架的導向和作用力，在拉移支架過程中，支架受重力在傾向方向的水平分力影響，本架就會歪斜，進而造成臨架歪斜。另一方面，產生架間隙后，架間漏矸造成底板浮煤增多，支架底座箱踩在浮煤上，底座箱不平，進一步加劇支架的歪斜程度。如圖1、圖2 所示。

2） 支架側護板彈簧力不夠，側護容易被擠壓縮回，產生架間隙。

圖1 7302 工作面實測剖面圖

圖2 A- A 剖面

2.2 治理措施

1） 聯網、使料，人工再造假頂，使支架頂梁受力，不至于本架受臨架拉移時干擾而歪斜。另外臨架拉移時，本架還可打出側護板，給臨架一個作用力，減少支架的歪斜。

2） 在聯網使料過程中需要注意幾點：①聯網質量，由于拉架時掉矸容易砸壞金屬網，必要時聯三層金屬網。②使棚時，要1 條工字鋼使在3 組支架上，以中間一組支架為中心，兩頭擔在相鄰支架上，防止棚頭下到前梁下，造成無法降架子。③聯網吊網時，要用葫蘆將網吊好，不能用護幫板吊網，吊不夠高，煤機容易割網，要把前梁頭的網用葫蘆拉緊，防止煤機挑頂時割網。

3）清理好底板浮煤，保證底板平整。沒有底板就沒有頂板，底板浮煤多，容易歪架子，更容易造成支架拉不夠一整排，無法及時支護裸露的頂板，造成該段拖后，對頂板控制不利，還會造成擠壓電纜槽小擋板。因此，頂板不好時，絕不能忽視底板浮煤的清理工作。

4）用單體支柱幫扶拉移支架。柱腳打在齒軌上，柱頭打頂梁耳子上，使柱子略微吃勁，然后降架子，在拉移支架的過程中，給遠距離柱子供液，此時柱子受力較大，容易反彈，人員一定要遠離柱子，卸柱子時，要緩慢卸液。

2.3 在頂板破碎，吃網使棚困難時的治理方法

1）注意好拉移支架的順序，先從沒有架間間隙的地方開始拉。拉架時，要打住本架側護板操作閥拉移支架。

2）在有架間隙的地方，要在架間聯好雙層金屬網堵漏，減少架間漏矸，減少清衛生工作量，也防止架間漏矸砸傷人。

采取以上措施一周后支架歪斜度數統計表見表3：

表3 連續一周支架歪斜度數監測統計表

由表3 可知，在采取措施前，支架歪斜度數最大達到25°，在連續采取以上措施進行拉移支架后，支架歪斜度數逐漸減少至10°，效果十分明顯。

3 關于頂板破碎時聯網使料優缺點

1）聯網是為了使棚，是為了讓棚在頂板生根，聯上網，必須及時使好工字鋼，否則單純聯網意義不大。

2）聯網后對頂板控制不是很有利，聯網、吊網工作量大，推進速度慢，老頂及上覆巖層繼續下沉，壓力繼續增大，勢必造成煤壁支撐壓力增大，片幫、掉頂加劇。控制頂板，就需要快速推進，在頂板完成一個彎曲、下沉、斷裂周期內，盡可能的加快推進速度，就可以把壓力甩在支架后面，另外過機時必須收回護幫板（采高允許的情況下盡量不收護幫板）吊網，過機后無法及時拉超前打出護幫板進行支護頂板，只能空著頂板，我們頂板控制的主要對象就是能夠及時有效的支護前梁頭至煤壁的空頂段頂板，防止空頂段頂板離層- 掉頂- 冒頂，因此聯網對工作面控制頂板并不利。

4 工作面支架初撐力對頂板管理的作用

工作面控制頂板，支架初撐力至關重要，工作面頂板實質就是以煤壁為支點的一個懸臂梁，壓力集中在煤壁處，升好支架初撐力，支撐好懸臂梁，則煤壁的受力就會減小，進而減少片幫冒頂的發生。如圖3 所示。

圖3 工作面支架初撐力不足時的壓力分布模型

支架初撐力不足時，頂板彎曲下沉量增大，造成頂板提前斷裂，失去了傳遞巖梁的作用，整塊巖梁全部由支架和煤壁支撐，煤壁支撐壓力處于峰值較高，造成壓死支架、煤壁片幫、冒頂事故。

當工作面支架初撐力足夠時，對頂板的支撐效果好，頂板下沉量小，不會發生彎曲下沉斷裂，巖石的重量由支架、煤壁、老空巖石共同支撐，工作面處于巖梁的保護下，煤壁支撐壓力峰值較小，不會對煤壁產生破壞。如圖4 所示。

圖4 工作面支架初撐力足夠時的壓力分布模型

5 煤機滾筒直徑與工作面采高的關系

7302 工作面由于左右滾筒直徑不同，機尾側滾筒直徑2.24m，機頭側滾筒2m，造成機頭挑頂困難，采高不夠，支架出現錯茬，主要原因在于機尾滾筒直徑太小。根據工作面三機配套看，ZF12000 支架因為有前伸梁，頂梁變厚，收回伸縮梁、護幫板后，前梁厚度0.5m，前梁頭正對煤機行星頭部，行星頭至煤機滾筒截齒高0.6m，也就是說搖臂行星頭調高頂到前梁頭，頂板剛能掃到與前梁平，無法加大采高，生產過程中，為了調頂，經常是煤機行星頭硬頂著前梁頭往上調，挑頂十分困難。尤其是聯網時，挑頂高度更是打了折扣。

6 近距離煤層注漿加固

破碎的頂板允許暴露的時間較短且暴露面積較小，如果不及時對其進行加固支護極易發生漏頂事故，如果得不到有效地控制，裸露的范圍越來越大，造成較大的冒頂事故，為了防止破碎的頂板發生漏跨事故，必須在局部發生以前就要對頂板進行加固，使其在不形成更大漏冒之前就將其加以封堵，加強支護，超前預注漿固化是一種改善圍巖結構，提高圍巖整體性和承重能力、降低支護所需成本、提高支護效果的有效方法，利用漿液把破碎的圍巖的薄弱面充分進行加固，改善圍巖的力學性能，從而提高圍巖的整體性。

7 效果及結論

1） 針對7302 工作面地質條件，分析了采用綜合機械化采煤的可行性，并且分析了影響工作面安全高效開采的主要技術因素；

2） 針對7302 工作面地質條件，選用了合適的液壓支架，經回采實踐表明，該支架適應工作面煤層及煤層頂底板條件；

3） 針對7302 工作面地質條件，提出了相應的破碎頂板加固方案，設計了注漿方案，工藝簡單，成本低，效果明顯。

4） 7302 工作面自回采以來，生產過程中未出現嚴重的煤壁片幫現象，并且工作面月進尺最高150米，現場實踐表明，7302 工作面采煤方法選擇正確，液壓支架選型合理，破碎加固可行，取得了顯著成就。