復雜構造影響下采面頂板控制技術研究

呂 剛

（汾西礦業正善煤業，山西 孝義032300）

在煤巖開采區域內地質構造發育時，采煤工作面頂煤壁容易出現片幫、頂板破碎、冒頂、端面距增加等問題，加劇采面頂板控制難度[1-2]。現階段礦井對頂板破碎區常用控制方法主要有減少割煤深度、超前移架、注漿以及走向搭梁等技術[3-5]。在地質構造復雜區域內煤層頂板破碎，特別是采面端頭控制困難，采用常規的頂板控制技術存在頂板管理難度大、成本高等問題[6-7]。文中就以山西某礦3108綜采工作面為工程背景，對復雜構造影響下的采面頂板控制技術展開探討，以期為其他礦井類似情況下的頂板管理提供一些借鑒。

1 工程概況

3108采面設計回采長度950 m、斜長210 m，采面開采的3號煤層厚度平均2.60 m，中間夾雜有一層厚度0.3 m左右泥巖矸石。采用采用綜合機械化采煤工藝，采煤機型號為MG300-720-AWD，液壓支架型號為ZY6400/13/27A，全部垮落法管理頂板，采面每天割6刀（4.8 m/d）。

3108回采推進至450 m位置時由于受到褶曲、斷層等構造發育，造成采面頂板極為破碎，其中156號~159號支架間出現頂板冒落問題。采用液壓支架移架困難，在頂板破碎區域內液壓支架工作阻力不能達到預先設計要求，采面液壓支架工作阻力一般在設定值80%以內，采煤機割煤時部分區域煤壁片幫，采面煤炭僅能割3刀煤（推進2.4 m/d），頂板破碎給采面正常回采帶來顯著不利影響。

2 采面頂板破碎原因分析

1）采面偽斜布置。于受到區域地質構造影響，采面偽斜布置，回風巷滯后進風巷約25 m，采面偽斜角度在15°~23°。采面回采后在機尾處形成三角煤柱區，在采動動壓影響下三角煤柱區煤壁片幫嚴重，煤柱對頂板支撐強度有限，進一步導致頂板破碎。

2）上覆采空區影響。3108采面上覆為2號煤層采空區，3號煤層與2號煤層平均間距為9.5 m。2號煤層開采后造成3號煤層頂板出現裂隙，從而給3號煤層正常回采帶來不利影響。

3）地質構造。根據前期探測資料，3108采面內發育有多條斷層，其中對采面回采影響較大的有DF402（H=1~13 m，198°∠49°）、DF413（H=3~6 m，126°∠65°）斷層，在斷層影響帶附近煤巖體破碎，且斷層在采面內延伸長度均在100 m以上，是造成采面頂板破碎的主要原因。

4）煤巖體穩定性差。3號煤層上覆有0.5 m厚砂質泥巖、泥巖偽頂，直接頂為厚度3.9 m炭質泥巖，強度均較低，在上覆2號煤層開采時即會產生一定的裂隙，加之受到3108采動動壓影響，頂板承載能力進一步降低。

3 頂板控制措施

為了確保3108采面回采安全，針對煤層頂板破碎問題，提出采用注漿方式加固頂板，從而為采面正常回采創造良好條件。

3.1 注漿設備及材料

在3108綜采工作面頂板破碎區域內采用注漿錨桿進行注漿加固，具體涉及到的注漿加固設備分別為：注漿泵、中空注漿錨桿、錨桿鉆機（KT-125）、馬麗散注漿漿液、錨固劑等。采用的中空注漿錨桿規格為Φ30 mm×3 500 mm。注漿錨桿在液壓支架中間位置施工，錨桿間距為3 000 mm、排距為3 000 mm。為了降低注漿加固成本，在頂板完整區域內不注漿，僅僅在頂板即為破碎區域，如機尾三角煤區、斷層破碎帶附近進行注漿。具體注漿鉆孔現場布置以及注漿錨桿規格見圖1—圖2所示。

圖1 注漿錨桿布置示意圖（mm）

圖2 中空注漿錨桿規格參數及注漿加固系統組成（mm）

3.2 注漿施工工藝

1）在采面回采推進靠近DF402、DF413斷層時，若煤層頂板相對較為完整，未出現大范圍破碎區時，采煤機割煤后也為有明顯片幫、頂板冒落時，液壓支架可采用帶壓移架方式推移，確保頂板穩定。

2）當工作面推進到地質構造破碎帶時頂板破碎且端面距增加時，采用中錨桿鉆機、中空注漿錨桿、注漿泵等對頂板進行注漿加固。

3）為降低支架推移時造成中空注漿錨桿損壞，給錨桿正常使用帶來影響，將中空注漿錨桿布置在鄰近兩個支架前探梁中心位置，且開孔位置與探梁前端相距300 mm。

4）注漿錨桿鉆孔施工完畢后，在鉆孔內塞入直徑28 mm、長600 mm超快樹脂錨固劑及中空注漿錨桿，并用錨桿攪拌錨固劑，攪拌時間在20~30 s間。

5）錨桿應垂直頂板布置，允許角度偏差在3°以內，錨桿安裝完成后在外露段通過連接套將注漿軟管與錨桿連接，注漿棚提供的注漿壓力在1.5 MPa以上。

6）注漿完成后采用黃泥封堵錨桿端頭，在外露端采用規格200 mm×400 mm鋼托盤護頂，并采用螺母緊固到錨桿上。

4 頂板控制效果分析

對頂板破碎區域注漿錨桿注漿后，提高了頂板穩定性及強度，截止到2020年7月20日采面已回采推進至750 m位置，采面已完全通過DF402、DF413斷層破碎帶，在過斷層破碎帶時頂板未在出現冒落問題，同時煤壁片幫問題得以明顯改善。

在過斷層破碎帶時對注漿加固后的頂板巖層進行單軸抗壓試驗，發現后巖層抗壓強度較注漿前提升約45 MPa，頂板巖層承載能力得以明顯提升。對頂板注漿加固后液壓支架工作阻力也有所提升，可滿足采面頂板控制需要。

5 結論

1）采用注漿加固方式控制3108綜采工作面頂板破碎區域，逐漸加固后采面頂板穩定在、承載能力得以顯著提升，在過斷層破碎帶時未再出現頂板冒落問題，取得顯著的頂板控制效果。

2）采用中空注漿錨桿對采面頂板進行控制，可減少注漿鉆孔數量，從而降低采面頂板在注漿對回采工作影響。

3）對頂板進行注漿加固后雖然可提高頂板穩定性，但是頂板控制成本較高。因此，此方法僅在頂板極為破碎區域使用。在頂板正常或者稍微破碎區域內可采用帶壓移架、鋪設柔性纖維網方式對頂板進行控制。