綜采工作面頂板破碎機理及控制技術

張駿立

(山西長平煤業有限責任公司，山西 晉城 048000)

引 言

綜采工作面在回采期間由于受到地質構造、斷層應力、頂板來壓等原因很容易發生頂板下沉、煤壁片幫的情況，這些現象的發生不僅會造成空頂距離增大，給工作面的正常回采造成極大的阻礙，還會由于頂板冒落發生大面積垮落。如不能采取有效的支護措施對頂板及時進行支護，很容易發生頂板大面積垮落、支架倒架等事故，嚴重威脅現場工作人員的安全。因此，施工人員在進行回采作業時，需根據現場的實際情況認真研究工作面頂板發生冒落的機理，同時制定相應的防控措施。

1 概述

長平煤礦5308工作面北部為4326采面(正在布置)，東部為4322綜采工作面(正在回采)，西部為Ⅲ5309綜采工作面(尚未布置)，南部為五盤區北翼泄水巷(已掘)，53083巷巷道掘進對相鄰巷道掘進無影響。5308工作面設計走向長度為1 151 m，傾向長度為185 m，工作面回采煤層為3#煤層，平均厚度為4.0 m，工作面采用綜合機械化回采工藝，截止目前工作面已回采475 m。

5308工作面回采至470 m處時位于45#～67#支架前方頂板出現應力顯現現象，局部區域頂板出現破碎現象，隨著工作面推移，工作面回采至473 m處時位于52#～57#支架前方頂板出現第一次冒漏現象，冒漏深度達1.4 m，當工作面回采至475 m處時在52#～67#支架前方頂板出現大面積破碎現象，且伴隨著大面積煤壁片幫現象，最大片幫深度達1.7 m，端面空頂距達1.5 m，嚴重威脅著工作面安全高效回采。

2 工作面頂板破碎機理

1)斷層破壞煤體。通過查閱工作面的鉆孔資料，工作面在正常生產時回采至487 m處時揭露一條斷層，該斷層從工作面42#支架向尾巷揭露，經過測量該斷層的落差為3.2 m,由于該斷層的影響，工作面頂板與煤壁的煤體被大面積破壞，斷層附近上下盤的整體穩定性下降、煤體膠結結構被破壞，斷層附近頂板出現多處破碎。

2)煤壁穩定性下降。由于該綜采工作面的煤層屬于石炭系，工作面煤體煤體的整體穩定性低、煤質比較松軟且硬度較低，生產時受采動影響將煤體的構造破壞，降低了煤體的構造應力，無法對頂板及煤壁形成有效的承載梁，造成工作面在過斷層期間出現頂板大面積脫落，影響工作面的正常生產[1]。

3)工作面的推進速度快。為了能夠及時的與下個工作面完成銜接，生產隊組由將原來的7.0 m/d提高到9.2 m/d，回采速度的加快導致工作面采空區的巖石沒有及時垮落，工作面的集中應力滯后，應力集中區短暫的出現在支架上方，導致支架承載的壓力較大，工作面頂板出現了嚴重的下沉。

3 采取相應的技術措施

為了能夠順利完成工作面的銜接，盡快通過應力集中區，技術人員采用注漿加固的方式對破碎頂板進行加固，同時采取其他措施進行有效管理。

3.1 注漿加固技術

1)注漿加固原理。斷層的出現造成工作面在回采期間煤體的原結構應力被破壞，工作面出現煤體破碎的情況，施工人員通過在破碎煤體內注入化學材料將破碎的煤塊黏接并封堵，進而提高了破碎煤壁穩定性[2]。

2)注漿材料。施工人員通過對破碎區域內施工的窺視孔進行觀察，發現斷層附近的頂板存在局部破碎嚴重的現象，如僅僅將化學材料注入破碎煤壁內無法起到很到的加固效果，因此技術人員采用聚氨酯與水泥結合的快速注漿法，注漿水泥主要是按照1：1:0.5的比例將細沙：水泥：速凝劑混合在一起。

3)注漿設備：施工人員主要是采用氣動注漿泵與砂漿注漿機相互配合進行聯合注漿作業[3]。

4)注漿工藝：①為了確保注漿加固的效果，施工人員通過采用深、淺孔聯合注漿方式，深孔是用來對工作面的超前應力頂板進行加固，淺孔是用來對工作面斷面頂板進行快速加固②在綜采工作面的端面頂板位置鉆淺孔，鉆探淺孔的直徑與深度分別為50 mm、3.0 m，且淺孔要與工作面的頂板保持60°的夾角，相鄰兩個淺孔的間距為3 m，兩排淺孔的距離為4 m;③在綜采工作面的端面煤壁位置鉆深孔，鉆探深孔的直徑與深度分別為50 mm、4.0 m，且深孔要與工作面的頂板保持45°的夾角，如圖1所示，相鄰兩個深孔的間距為3.0 m，兩排深孔的距離為5.0 m；④當淺孔與深孔全部鉆完后，施工人員使用氣動注漿泵與砂漿泵將聚氨酯與水泥砂漿合成的粘接劑準入到孔內，水泥砂漿的注漿壓力不得低于2 MPa，聚氨酯注漿壓力不得低于1.5 MPa。

5308工作面破碎頂板注漿施工剖面示意圖如圖1所示。

圖1 5308工作面破碎頂板注漿施工剖面示意圖

3.2 安全管理措施

1)為了避免生產時對煤壁進行一次性割煤后，煤壁及頂板出現局部垮落，可以采取分層松動爆破的方式來緩解煤壁的壓力。在實際生產時，首先要對煤壁的下層進行爆破，之后再對煤壁的上層進行爆破，當兩次爆破完成后要及時對支架進行前移[4]。

2)工作面完成注漿作業后要等待3 h，待黏接劑硬固后才能進行回采，同時要降低采煤機的回采深度，通常截割深度保持在0.3 m,對頂板破碎的區域要及時超前移架，避免煤壁上時間暴露。

3)為了降低頂板的壓力，需保持支架對注漿后的頂板接觸嚴密，然而支架在帶壓前移時會對頂板造成剪切破壞，為了避免支架對頂板的破壞，可以通過搭梁的方式前移支架，也就是在相鄰兩個支架的中間安裝5根工字鋼梁，工字鋼梁的長度為4 m，間距為1.8 m。

4)支架在前移時頂板已經出現比較嚴重的下沉，施工人員可以使用超前錨桿對破碎頂板進行支護，支架在前移的過程采用帶壓移架的方式保持與頂板接觸的狀態前移，這樣能夠頂板的集中應力對頂板造成的超前破壞[5]。

5)每次完成工作面的一個循壞作業后，要及時對工作面的支架及采煤機進行矯正，嚴格按照“三直兩平”的標準調整工作面的偽斜，防止工作面底板留底煤，頂板有坡度的現象。

6)如工作面在回采期間出現的局部冒頂已經嚴重影響工作面的推進，施工人員還可以人工制作假頂的方式來對頂板進行支護。

4 結語

截至2019年1月19日5308工作面已完全過斷層應力區，對5308工作面應力區頂板及煤壁采取注漿加固后，通過現場觀察發現，注漿后工作面煤巖體單軸抗壓強度由原來的不足25 Mpa,提高至47.6 MPa，大大提高了煤巖體穩定及膠結性；工作面在后期回采過程中煤壁片幫深度控制在0.5 m以下，斷面空頂距控制在0.3 m以下，提高了支架移架效率，支架工作阻力及初撐力提高至89%以下，取得了顯著應用成效。