王莊煤業(yè)3505 綜采工作面破碎頂板控制技術(shù)探究

王首杰

（晉能控股煤業(yè)集團長治公司生產(chǎn)指揮中心，山西 長治 046000）

引言

長治王莊煤業(yè)位于長治市上黨區(qū)蔭城鎮(zhèn)西陜村，屬沁水煤田，主采3 號煤層，平均厚度為4.94 m，核定產(chǎn)能260 萬t/年，煤種為貧煤。3505 綜采工作面在工作面巷道掘進過程中距離停采線800 m 位置揭露軸向近南北向、傾向近東西的向斜構(gòu)造。根據(jù)鄰近工作面通過向斜構(gòu)造的實踐經(jīng)驗，在工作面回采過程中計劃采用縮短切眼長度，繞過構(gòu)造影響區(qū)域的方式通過向斜構(gòu)造。因此，在回采前已掘進新切眼及相關(guān)巷道。為最大限度回收煤炭資源、提高工作面服務(wù)年限，經(jīng)王莊煤業(yè)深入探討，最終決定采用注漿加固的方式仰采通過向斜構(gòu)造影響區(qū)域，以確保綜采工作面在回采過程中的頂板安全，提高回采效率。

1 王莊煤業(yè)3 號煤層概況

1.1 3 號煤層頂、底板概況

煤層偽頂厚度為0.1～0.5 m，平均0.2 m，炭質(zhì)泥巖為黑色，薄層狀，結(jié)構(gòu)疏松，隨采隨落；直接頂厚度為2.75 m，灰黑色，厚層狀，均勻?qū)永恚娚倭坎煌暾参锘焕享敽穸葹?.00 m，灰色，薄層狀，波狀層理，成分以石英為主，長石巖屑次之，泥質(zhì)膠結(jié)，分選性差，堅硬。

直接底厚度為3.60 m，深灰色，厚層狀，均勻?qū)永恚娚倭坎煌暾参锘焕系缀穸葹?.45 m，灰黑色，厚層狀，均勻?qū)永恚娚倭坎煌暾参锘Ｏ蛳乱来螢榧毩Ｉ皫r2.30 m，砂質(zhì)泥巖0.80 m，泥巖1.6 m，粉砂巖0.90 m，泥巖2.25 m，砂質(zhì)泥巖3.05 m，石灰?guī)r2.95 m，泥巖1.31 m。工作面頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 頂板巖性分析

1.2 3505 綜采工作概況

3505 工作面所采煤層為3 號煤層，所處水平為+980 水平，隸屬35 采區(qū)，工作面標高為+949.7～+1 021.3 m，工作面可采長度2 016.04 m，可采面積700 698.14 m2。3505 工作面北為3503 工作面采空區(qū)，南為F2 正斷層保安煤柱，西為35 采區(qū)膠輪巷，東為井田邊界線保護煤柱。煤層情況如表2 所示，工作面位置及井上下關(guān)系如表3 所示。

表2 3 號煤層情況

表3 工作面位置及井上下關(guān)系

1.3 地質(zhì)構(gòu)造概況

該區(qū)域構(gòu)造形態(tài)總體為軸向近南北向、傾向近東西的向斜構(gòu)造，地層傾角預(yù)計約為1°～11°。該區(qū)域無斷層、陷落柱、巖漿巖的影響，因此地質(zhì)構(gòu)造復雜程度為簡單類型[1-2]。工作面地質(zhì)構(gòu)造如表4 所示。

表4 工作面地質(zhì)構(gòu)造表

S1 向斜：位于井田中南部，井田內(nèi)延伸2.20km，由北向南橫跨3505 工作面中部，兩翼傾角約9°～11°。

3505 工作面切眼回采至停采線1 026～540 m處遇向斜地質(zhì)構(gòu)造，該區(qū)域受地質(zhì)構(gòu)造影響，頂板較破碎給回采工作帶來影響，綜采隊要提前做好相關(guān)應(yīng)對措施，保證工作面安全生產(chǎn)。

在3505 回風順槽距停采線1 629 m 向工作面長距離鉆探探測出陷落柱X21，長軸44.5 m，短軸27 m；回采通過此位置前，提前制定安全技術(shù)措施，加強安全管理，確保安全生產(chǎn)。工作面通過槽波勘探，在工作面內(nèi)距停采線1 099 m，距回風順槽40 m 探測到異常區(qū)2，該異常解釋為構(gòu)造破碎帶，不排除陷落柱的可能，范圍大小120 m×60 m，疑是陷落柱，有待鉆探驗證。

2 工作面頂板影響因素分析

2.1 地質(zhì)因素對頂板的影響

隨工作面推進，煤層與圍巖相對穩(wěn)定的力學結(jié)構(gòu)遭到破壞，頂板巖層應(yīng)力通過煤層釋放給底板巖層，若煤層強度低、易碎，順板巖層應(yīng)力無法完全釋放到底板巖層，從而導致頂板破碎。決定巖體強度的重要特征主要是巖層的層理、裂隙，層理、裂隙越發(fā)育巖性越弱，強度越低，頂板巖層也越易冒落。

2.2 端面距對頂板的影響

用百分比來表示冒落范圍占工作面的總長度，端面距增加，則冒落程度隨之變大。但這個規(guī)律并不絕對，有些工作面梁端距為零，仍然發(fā)生了冒頂，這說明端面距不是影響頂板冒落的唯一因素，還有其他因素對頂板會造成影響。

2.3 工作面推進速度對頂板的影響

工作面推進速度對頂板冒落程度有直接影響，工作面推進速度加快，支護的速度也增加，減少了煤與圍巖的變形程度，工作面冒頂也會相應(yīng)減少。王莊煤礦綜采工作面2002—2003 年平均日推進3 m，由于推進速度較慢，頂板控制難度大，所以頂板漏冒經(jīng)常發(fā)生，2018 年—2019 年平均日推進達到5.4 m，工作面頂板漏冒基本杜絕，工作面推進速度越快，冒落程度越小。

2.4 支架初撐力對頂板的影響

支架初撐力只要達到24 kPa 以上，工作面頂板情況相對穩(wěn)定，即使再增加支架初撐力，對頂板情況無明顯影響。但是當支架初撐力小于24 kPa 時，隨著初撐力的減小，端面冒落情況急劇增加。由此可見，支架初撐力對工作面頂板管控影響較大，保證支架的初撐力達到要求，對頂板管控至關(guān)重要。

3 頂板破碎的傳統(tǒng)控制方法

3.1 支架選型

煤層頂板不穩(wěn)定，頂板破碎且容易片幫的工作面，應(yīng)該盡量選取前梁具有伸縮性能的支架。采煤機割煤過后立即拉架，支護剛暴露的頂板時，立即伸出前梁，最大程度減小端面距。若煤壁片幫，可在采煤機割煤前超前拉架，使前梁頂住煤壁，確保支護有效。

3.2 金屬網(wǎng)護頂

支架進入頂板破碎帶以后，由于頂板破碎且在頂梁上方有厚度不等的浮矸層，移動支架時，浮矸容易從端面及架間漏下，也可造成端面冒頂擴大，錨頂網(wǎng)能使破碎頂板形成一個整體，達到改善頂板之功效。

3.3 帶壓擦頂移架

當采用正常操作程序降架移架很難保持破碎頂板的完整性時，應(yīng)采取帶壓擦頂移架。移架時，先啟動推移千斤頂，再逐漸卸載，使梁與頂板保持一定的支撐阻力，帶壓前移，這樣頂板不會出現(xiàn)明顯松動，可有效控制頂板。

4 采用注漿方法控制頂板

4.1 回采前預(yù)先對構(gòu)造影響區(qū)域煤壁注化學漿加固

利用工作面存在的回風順槽繞道等舊巷對構(gòu)造影響區(qū)域的煤壁預(yù)先注化學漿來加固。巷道內(nèi)頂板向下1.5 m 位置打設(shè)注漿孔，孔間距8 m，孔深6 m，垂直煤壁打設(shè)[3]。為保證工作面回采至構(gòu)造影響區(qū)域的頂板及煤壁安全，提前對煤壁進行注化學漿加固。化學漿A、B 料混合后能迅速反應(yīng)，生成高強度、高韌性的聚合物，把原來松散的、不連續(xù)的煤巖體膠結(jié)成連續(xù)的、完整的受力體，與煤巖層起到較好的黏合作用且黏合后抗壓、抗剪強度高，有效地遏制了煤壁片幫及頂板冒落事故的發(fā)生。

4.2 仰采過程中工作面采取注化學漿加固措施

煤壁注漿加固選用高分子樹脂材料，由A、B 兩組有機材料組成的復合產(chǎn)品。兩組分材料混合后能迅速反應(yīng)，生成高強度、高韌性的聚合物，把原來松散的、不連續(xù)的煤巖體膠結(jié)成連續(xù)的、完整的受力體，與煤巖層的黏合性能好，黏合后抗壓、抗剪強度高，耐沖擊、抗疲勞性，耐酸、堿性好。材料反應(yīng)前黏度較低，滲透、流動性好，能很好的滲入煤層或巖層細小的裂隙中；反應(yīng)固化后有很好的柔韌性能，能承受煤巖層的變形。

5 結(jié)論

基于王莊煤業(yè)3 號煤層頂板特點以及歷年綜采工作面頂板破碎規(guī)律，總結(jié)歷年對于頂板支護的經(jīng)驗和不足，歸納以往采取的支護方法，結(jié)合近幾年普遍采取的注漿辦法，把傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代工藝相結(jié)合，形成一套行之有效處理工作面頂板的方法，為礦井頂板管控提供參考。