煤峪口礦8605工作面端面頂板管理技術探討

魏建坤

(山西大同煤礦集團有限公司煤峪口礦，山西 大同 037003)

長壁開采中，工作面長期面臨著端面頂板較為破碎且難以支護的難題，這給工作面的安全生產(chǎn)帶來了嚴重的困難，已經(jīng)成為制約工作面安全高效生產(chǎn)的主要因素[1-3]。煤峪口礦8605 工作面受斷層構造應力影響，端面頂板破碎冒落嚴重。經(jīng)過多年探索實踐，煤峪口礦總結出較為有效的端面頂板管理技術，為安全高效開采提供了有力保障。

1 工程概況

煤峪口礦8605 綜采工作面位于406 盤區(qū)，工作面走向長度為700 m，傾向長度為130 m，8605工作面區(qū)域內(nèi)煤層厚度在1.7～3.6 m，平均為2.5 m，煤層中含有夾層，夾層平均厚度為0.8 m。煤層上方存在一層厚度0.1～0.6 m 偽頂，成分以石英長石為主，屬鈣質膠結，與上部粘結較弱。直接頂為灰色細砂巖與粉砂巖互層，基本頂為灰白色粗砂巖，成分以石英長石為主，膠結十分堅實，抗壓強度高達171.5 MPa，普氏系數(shù)15～16。工作面采用綜合機械化采煤工藝，采高為2.5 m，截深為0.5 m，循環(huán)進度為0.5 m。

地質資料顯示，8605 工作面推進至460 m 處揭露一條正斷層，斷層落差為2.0 m，傾角約為45°。受斷層構造應力的影響，工作面推進至465 m處時，直接頂出現(xiàn)局部破碎情況。回采工作面推進至475 m 處時工作面片幫嚴重，空頂距達1.0 m，端面頂板破碎冒落問題嚴重，致使支架移架困難。嚴重制約回采效率，并且威脅礦井的安全回采。

2 冒頂分析

2.1 頂板條件

影響工作面端面頂板穩(wěn)定性的因素可分為自然及人為因素兩類。自然因素主要包括直接頂巖石的物理力學性質及老頂破斷后形成的結構對直接頂?shù)挠绊?，而最危險的情形是拉伸區(qū)與壓縮區(qū)發(fā)生貫通；人為因素主要包括支架架型、額定工作阻力及初撐力等。

該工作面?zhèn)雾敺€(wěn)定性極差，基本隨工作面推進而破碎。而直接頂?shù)姆€(wěn)定性不僅與其本身的力學性質有關（如抗壓強度、抗拉強度、剪切強度等），而且還受頂板巖層活動的影響[1]。隨著工作面推進，直接頂及基本頂發(fā)生破斷，而后基本頂?shù)幕顒訉χ苯禹數(shù)姆€(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。而基本頂破斷后形成的暫時穩(wěn)定的承載結構存在滑落失穩(wěn)及變形失穩(wěn)兩種失穩(wěn)形式，不同的失穩(wěn)形式將對直接頂產(chǎn)生不同程度及形式的影響，見圖1。

圖1 基本頂斷裂與直接頂及采高關系

基本頂破斷后，破斷巖塊將發(fā)生回轉，基本頂?shù)幕剞D將導致直接頂受拉伸作用，由于巖石本身抗拉強度較低，因此會在直接頂處產(chǎn)生多條縱向發(fā)育的裂隙； 隨著工作面繼續(xù)推進，基本頂破斷巖塊A將繼續(xù)回轉，破斷直接頂將受到壓縮應力作用而在端面頂板處產(chǎn)生壓縮變形，此時頂板將可能產(chǎn)生程度不一的冒落現(xiàn)象；而一旦拉應力區(qū)和壓縮變形區(qū)產(chǎn)生貫通，端面頂板將發(fā)生大面積冒頂，甚至產(chǎn)生頂板的切落；但端面頂板的回轉有可能形成暫時穩(wěn)定的結構，此時支架的力學性能將對頂板的平衡產(chǎn)生一定影響。因此，可以認為端面頂板的冒落與基本頂巖梁的斷裂及其形成的結構密切相關。

端面處的基本頂是否能形成穩(wěn)定的結構對于工作面頂板的穩(wěn)定具有重要影響。因此，必須要保證支架與關鍵塊間的距離不超過極限值，同時支架要給以足夠的支撐力及水平擠壓力。

2.2 煤壁片幫

受斷層應力作用，8605 工作面煤壁片幫嚴重?；夭晒ぷ髅媲胺?0 m 超前支承壓力范圍內(nèi)，構造應力與支承壓力相互疊加，對煤壁作用力加大，使得工作面煤壁出現(xiàn)破壞剝落，造成嚴重的片幫現(xiàn)象，而煤壁片幫則導致工作面端面空頂距加大，導致端面頂板的破碎冒落。

3 端面頂板管理技術

3.1 注漿支護

注漿支護主要是對包括頂板及工作面煤壁的破碎煤巖體進行高強度粘合劑的注射，從而達到對煤巖體內(nèi)裂隙進行粘接的作用，最終實現(xiàn)提高破碎煤巖體整體強度及穩(wěn)定性的目的，從而實現(xiàn)對頂板破碎、煤壁片幫的預防作用[4-5]。

（1）8605 工作面選擇在煤層頂板施工淺孔進行注漿，同時在煤壁施工深孔進行注漿的方式達到注漿支護的目的。頂板施工的注漿鉆孔直徑為40 mm，深度為4.0 m，鉆孔軸線與頂板呈65°夾角布置，鉆孔間距為3.0 m。煤壁處施工的注漿鉆孔深度為8.0 m，鉆孔距頂板垂直距離為0.8 m，鉆孔直徑為40 mm，煤壁鉆孔垂直于工作面煤壁布置，鉆孔間距為5.0 m。

（2）在頂板和煤壁處的深淺注漿孔施工完成后，采用3ZBQ20/24 型煤礦用氣動注漿泵對鉆孔進行注漿。鉆孔注漿的漿液采用馬麗散漿液，其與催化劑配比為1:1，注漿壓力不得低于1.5 MPa。此外，為了提高注漿擴展深度，注漿前須對注漿孔進行封孔處理。

（3）8605 工作面頂板注漿孔排距為3.0 m，工作面煤壁注漿孔排距為6.0 m，相鄰兩排注漿孔采用邁步式布置。

3.2 錨索吊棚

錨索吊棚不僅能夠對破碎端面頂板起到進一步加固的作用，防止頂板發(fā)生宏觀剪切破壞，而且可以提高支架的支撐力、工作阻力，保證支架支護效果及質量[6]。

（1）錨索吊棚由工字鋼、錨索組成。工字鋼長3.5 m，錨索長5.0 m，錨索間間距為1.75 m，安置于相鄰兩支架之間，鋼梁吊裝完成后使用鎖具將其與頂板預緊。

（2）錨索吊棚的安裝方式為與工作面平行布置，錨索吊棚排距設置為2.0 m，相鄰兩排錨索吊棚采用交錯式布置方式，即第二排錨索吊棚的第一根錨索與第一排錨索吊棚的第一根錨索交錯布置，交錯布置的交錯距離為1.75 m。

3.3 優(yōu)化工藝

不斷優(yōu)化工作面各工種的配合。各工種的配合應以采煤機為中心，進而合理安排循環(huán)作業(yè)；在采煤機完成割煤作業(yè)后要及時支護起護幫板，同時，移架要及時迅速；此外，提高工作面機械化水平，逐步使礦山向少人化、無人化、數(shù)字化方向發(fā)展與過渡；根據(jù)礦山壓力顯現(xiàn)特征，優(yōu)化液壓支架支護設計參數(shù)，使前柱工作阻力大于后柱，提高支架的初撐力，有利于端面頂板的控制。

4 結語

1）工作面端面頂板穩(wěn)定性受頂板巖層力學屬性及基本頂破斷所形成的結構的影響，頂板最為危險狀態(tài)為頂板拉伸區(qū)與壓縮區(qū)相互貫通。

2）從支護控制的角度來看，采用注漿加固及合理控制支架支撐力，使前柱工作阻力大于后柱工作阻力，提高支護質量，有利于端面頂板的控制。

3）對于端面頂板破碎嚴重的情況，應該采用注漿加固支護和交錯式施工錨索吊棚的方式及時支護頂板，避免大范圍冒頂及片幫的發(fā)生。

4）優(yōu)化工藝，應采用及時支護的方式，在采煤機完成割煤后要及時打開護幫板，移架要迅速。