綜采工作面應力破碎區(qū)圍巖控制技術

劉金狀 張 浩 任景義

（鐵煤集團大隆礦，遼寧 鐵嶺 112700）

綜采工作面過斷層期間，受回采應力以及斷層構造應力影響，斷層處煤巖體出現破壞，導致工作面端面距加大、煤壁片幫、支架阻力不足等，不僅制約工作面快速回采，而且威脅回采施工安全。所以在過斷層期間采取合理有效的圍巖控制技術，對工作面安全快速回采具有重要意義[1-5]。以大隆礦1207工作面為例，對工作面過F5斷層期間提出了圍巖聯合控制技術，確保工作面快速過斷層破碎區(qū)。

1 概述

鐵煤集團大隆礦1207工作面位于二水平南一采區(qū)的南部，工作面東側、南側以大興井田邊界保護煤柱為界，西側以FW2-2斷層為界，北側以F15斷層為界。1207工作面可采走向長度為427 m，工作面長度為214 m，工作面所采煤層為二水平南一采區(qū)12層煤，為復合煤層，煤質一般。煤層最大厚度為4.60 m，最小為2.40 m，平均厚度為3.50 m，煤層厚度變化較大。煤層局部含多層夾石,單層夾石最大厚度為1.70 m，最小為0.10 m，夾石累計平均厚度為1.50 m。煤層頂底板巖性見表1。

表1 1207工作面12#煤層頂底板巖性表

1207工作面采用綜合機械化回采工藝，工作面回采至150 m處揭露F5正斷層，該斷層從工作面運輸順槽13#導線點往前5.0 m處揭露，向工作面延伸，與工作面斜角為47°，斷層對工作面回采影響長度預計為30 m。受工作面周期來壓以及斷層應力影響，工作面揭露斷層前7.0 m時在1#～15#支架前方煤壁片幫嚴重，端面距達1.6 m，頂板相對破碎，支架在該破碎區(qū)域時工作阻力不足65%，初撐力不足80%，嚴重制約著工作面安全高效回采。

2 應力破碎頂板維護方法及問題分析

2.1 原破碎頂板維護措施

1207工作面回采至145 m處時頂板出現破碎、煤壁片幫現象，導致端面距加大，決定采用支柱搭梁的方法進行頂板控制維護。

（1）工作面回采后當端面距大于0.5 m時，在煤壁處支設一排木柱。木柱長度為3.5 m，直徑為30 mm，每架支架前方支設兩根木柱，木柱間距1.2 m，木柱采用戧木進行固定。

（2）煤壁處木柱支設完成后在木柱與支架頂梁上方搭設工字鋼梁。工字鋼梁長度為1.5 m，工字鋼梁垂直煤壁布置，支架移架時緊貼鋼梁帶壓擦頂移架。

（3）當支架移架到位后，及時回收煤壁處木柱以及工字鋼梁，進行下一循環(huán)回采作業(yè)，直至1207工作面完全過F5斷層影響區(qū)。

2.2 存在的主要問題

（1）安全系數低。采用傳統方法進行破碎頂板控制時，作業(yè)人員需在空頂頂板下方支設木柱，頂板冒落、煤壁片幫時很容易造成傷人事故，不利于安全施工。

（2）支護效果差。采用木柱及架梁進行頂板維護，頂梁與煤壁垂直布置，當端面距＞1.0 m且壓力相對較大時很容易出現頂梁變形現象。同時，由于頂梁支護斷面小，對頂板支護效果相對較差，在移架過程中很容易導致木柱倒塌。

（3）勞動強度大。采用原支護措施時，工作面回采到位后及時回收上一循環(huán)支設的木柱及頂梁，工作割煤后再進行支設木柱、安裝頂梁等工序，導致工作面割煤效率低，勞動作業(yè)強度大。

3 “走向吊棚+超前支護”聯合控制技術

為了提高1207工作面過F5斷層區(qū)時頂板穩(wěn)定性，決定對工作面原頂板支護措施進行優(yōu)化，提出了“走向吊棚+超前支護”聯合控制技術。

3.1 走向吊棚施工

（1）1207工作面斷層處頂板采用走向吊棚，主要由縱梁、橫梁、起吊裝置、卡纜等部分組成。縱梁主要由固定梁和伸縮梁以及滑道等部分組成，固定梁為13#槽鋼，長度為2.0 m，伸縮梁為11#槽鋼，長度為2.5 m。在固定梁上焊接軌道并與伸縮梁連接，伸縮梁可在固定梁上伸縮，最大伸縮距離為2.0 m。

（2）橫梁為11#槽鋼制成，每節(jié)橫梁長3.5 m，橫梁上均勻布置四個槽口，槽口寬130 mm。每架走向吊棚布置兩根橫梁，第一根橫梁用起吊裝置安裝在支架前立柱0.5 m處，第二根與第一根橫梁間距為1.8 m。

（3）橫梁吊掛完成后采用卡纜將四組縱梁分別與橫梁槽口進行固定，然后采用起吊裝置升起縱梁。起吊裝置主要由驅動電機、齒輪、傳動軸等部分組成。起吊裝置在電機驅動下可將橫梁升起，橫梁升起后保證橫梁與支架頂梁接觸嚴實。

（4）當1#～15#支架前方煤壁片幫嚴重、端面距大于1.0 m時，及時將縱梁延伸至工作面煤壁處。若端面頂板破碎嚴重出現局部冒落時，在縱梁上方鋪設道木進行接頂。1207工作面應力區(qū)頂板聯合支護示意圖如圖1。

圖1 1207工作面應力區(qū)頂板聯合支護示意圖

3.2 超前支護

（1）為了控制斷層的應力傳遞作用，避免煤壁片幫現象，提高斷層破碎帶頂板承載強度，削弱應力對工作面煤體及頂板超前破壞作用，1207工作面回采至145 m處時對1#～15#支架前方頂板施工一排超前支護。

（2）1207工作面采用的超前支護體主要采用聚氨酯玻璃鋼錨桿，錨桿長3.0 m，直徑為32 mm。先用鉆機在工作面頂板位置施工一排垂直煤壁的超前支護孔，孔深度為3.0 m，鉆孔間距為0.5 m。

（3）超前支護孔施工完成后，將玻璃鋼錨桿錨注在鉆孔內。每根玻璃鋼錨桿采用兩支錨固劑進行錨固，且保證錨固后錨桿在同一水平面上。超前錨桿施工完后，采煤機割煤適當降低切割高度，避免采煤機滾筒損壞超前支護，移架時支架頂梁緊貼超前支護。

（4）工作面在過斷層應力區(qū)期間最大允許割煤深度為0.6 m，割煤四刀后施工第二排超前錨桿支護，相鄰兩排超前支護交錯布置，依次類推直至工作面完全過應力區(qū)。

3.3 應用效果

截至2020年5月23日1207工作面完全過F5斷層應力區(qū)，工作面在過應力區(qū)采用“走向吊棚+超前支護”聯合控制技術后取得了顯著應用成效。

（1）工作面破碎頂板采用超前支護后，提高了工作面應力區(qū)頂板及煤壁穩(wěn)定性，防止了端面頂板破碎以及煤壁片幫現象。通過現場觀察發(fā)現，聯合控制技術使得端面距縮小至0.3 m以下。工作面在過F5斷層時，在2#～8#支架前方煤壁片幫相對嚴重，片幫深度為0.5 m，在其他區(qū)域煤壁最大片幫深度不足0.4 m。

（2）工作面在過應力區(qū)期間對破碎頂板施工走向吊棚后，保證了支架頂梁支撐作用力，避免了支架在破碎區(qū)頂板支護時因阻力不足導致倒架、插梁等事故。通過對支架壓力監(jiān)測儀觀測發(fā)現，采用施工走向吊棚后液壓支架初撐力由原來的4051 kN提高至4 658.8 kN，提高至92%；工作阻力由原來的5214 kN提高至6204 kN，提高至94%。

4 結論

（1）與傳統支設木柱相比，走向吊棚施工工序簡單，自動化水平高，施工安全系數高，整個工序施工過程中僅需一人操作且隨著液壓支架進行移動，降低了勞動作業(yè)強度。該裝置采用四根橫梁進行頂板維護，支護斷面大且不易變形，支護效果好。

（2）1207工作面破碎頂板采用超前錨桿支護后，提高了工作面頂板承載能力，降低了應力對頂板及煤體超前破壞作用，縮小了端面距，控制了煤壁片幫現象。