堅硬頂板大傾角軟煤綜采安全技術探析

時昌鵬

（山西蘭花同寶煤業有限公司，山西 高平 048400）

大傾角煤層在西南、兩淮地區以及山西、陜西等煤炭主產區均有分布。相對于近水平煤層而言，大傾角煤層開采時存在的致災因素多，開采難度大［1-2］。為了實現大傾角煤層的安全開采，眾多學者從采場空間結構、圍巖應力演化、覆巖破斷等方面展開研究［3-4］。同寶煤業15105 綜采工作面開采的15 號煤為大傾角松軟煤層。該煤層頂板為堅硬的灰巖，回采期間面臨的主要問題是煤壁片幫、頂板冒落以及支架失穩等問題，采取針對性措施確保工作面安全高效回采是面臨的現實問題。

1 工作面概況

同寶煤業15105 綜采工作面開采15 號煤層，受到區域地質構造影響，煤層傾角介于20°～36°之間，平均為30°。煤層硬度普遍在0.5 以內，為典型的大傾角松軟煤層。15 號煤層厚度為2.51 m，為全區穩定可采煤層。煤層結構簡單～較簡單，含0～3 層泥巖夾矸，煤層直接頂為厚度5.6 m的泥巖，抗壓強度26 MPa；基本頂為厚度14.4 m的K2灰巖，抗壓強度86 MPa；底板為砂質泥巖、鋁土巖、粘土巖。15105 綜采工作面設計走向長度為580 m，傾斜寬度為115 m，采用綜合機械化一次采全高工藝，采煤機型號為MG500/1180WD型，液壓支架型號為ZY9200/20/40D型，采用全部垮落法管理頂板。

15105 綜采工作面回采期間液壓支架間出現不同程度漏矸、煤壁片幫、支架傾斜問題，甚至局部位置出現大范圍冒頂現象，見圖1。現場采用提高液壓支架工作阻力方式治理頂板冒落、煤壁片幫以及支架失穩現象，但是效果不明顯。

圖1 頂板冒頂現場

2 工作面回采期間風險分析

15105 綜采工作面回采期間制約工作面安全的主要因素為頂板冒落（架間漏矸）、煤壁片幫以及液壓支架穩定性較差。結合相關研究成果［5-6］，分析認為15 號煤層頂板堅硬、煤體硬度較低以及煤層傾角大等因素是導致冒頂、片幫發生的主要原因。具體災變過程為：工作面回采過程中煤層上覆K2灰巖不能及時垮落，超前應力集中更為明顯，在應力集中作用下煤體以及直接頂（泥巖）裂隙進一步擴展、完整性有所降低，從而增加煤壁片幫以及漏頂發生概率；工作面煤壁出現片幫后，直接頂沿著片幫處冒落，造成支架局部空頂，嚴重時造成支架失穩；支架失穩后頂板巖層失去控制，在頂板覆巖壓力作用下支架存在大范圍傾倒或者壓垮風險。

歸結起來，堅硬頂板大傾角軟煤在回采過程中災害模式有兩種：①煤壁片幫、頂板冒落導致液壓支架、圍巖結構失穩；②煤層上覆基本頂突然破斷導致工作面支護體系受到較大沖擊，嚴重時出現災害。根據15105 工作面具體條件，提出使用深孔預裂爆破弱化頂板巖層，降低頂板來壓強度；注漿提高煤體承載能力及穩定性，同時支架頂梁鋪設金屬網及工字鋼梁支護破碎頂板防止煤壁片幫及冒頂現象；采取嚴格控制采高等措施提高支架穩定性。

3 工作面回采安全技術措施

3.1 堅硬頂板弱化技術

通過深孔預裂爆破超前弱化頂板灰巖，實現煤層基本頂及時垮落，改善工作面前方煤體受力環境。在超前工作面30～35 m位置施工頂板預裂爆破鉆孔，鉆孔布置見圖2。在回風巷、進風巷沿走向各布置3 個預裂爆破鉆孔，終孔位置位于基本頂上邊界附近，即終孔位置位于15#煤層上覆約20 m處；鉆孔間距根據經驗確定，設計為2.5 m，施工參數見表1。選用煤礦許用三級乳化炸藥，采用連續耦合裝藥方式，雙雷管引爆，采用水泥、水炮泥以及黃泥封孔。

圖2 預裂爆破鉆孔布置

表1 預裂爆破鉆孔施工參數

3.2 煤壁片幫防治技術

在15105 綜采工作面中部以及回風巷向破碎煤體區施工注漿鉆孔，注入化學漿液（材料為聚氨酯），化學漿液在破碎煤體中擴展、膠結后可有效提高煤巖體強度以及穩定性。破碎煤體區主要分布在DF21斷層附近，DF21斷層與回風巷間距介于25～33 m間。因此，回風巷內施工的注漿孔深均為35 m、間距為3.0 m，注漿壓力5 MPa以上，注漿孔沿著煤層施工，通過注漿提高斷層影響區附近煤體穩定性；回采過程中發現破碎煤體時，則在工作面煤壁施工注漿孔，孔深一般控制在6.0 m，間距為2.0 m，注漿壓力3～5 MPa。

工作面液壓支架與煤壁共同起著支撐頂板的作用。由于15 號煤層直接頂為泥巖，雖然本身裂隙不發育，但是由于其自身承載能力較差，在采動壓力以及液壓支架反復支撐作用下產生大量的裂隙，在采煤機割煤、液壓支架移架期間容易出現頂板冒落問題。為此，在現場通過鋪設金屬網+工字鋼梁對破碎頂板進行控制；在工作面推溜、移架時應做到少降快拉及時支護破碎頂板、煤壁。

3.3 液壓支架穩定性控制措施

確保液壓支架穩定對工作面回采安全具有重要意義。針對15105 綜采工作面具體條件，提出采取下述支架穩定性控制措施：

（1）工作面回采時嚴格控制采高，當回采遇到地質構造帶時可適當降低采高，確保支架穩定；

（2）為實現液壓支架姿態的實時調節，避免出現傾倒問題，在支架頂梁位置安裝側推彈簧以及防倒千斤頂，在兩側護板位置安裝側推千斤頂。

（3）為提高液壓支架整體完整性并防止支架出現滑移，通過斜拉千斤頂與工作面刮板輸送機連接，在支架底座前后位置均安裝調斜千斤頂。

3.4 效果分析

為了掌握安全技術措施應用效果，對工作面回采期間液壓支架工作阻力以及煤壁片幫情況進行監測分析。經觀測工作面周期來壓步距約23 m。在頂板來壓期間僅個別支架安全閥開啟，液壓支架工作阻力介于7 456.3～8 017.6 kN之間，為額定工作阻力的81.0%～87.2%；在非來壓期間液壓支架工作阻力介于5 526.9～6 354.7 kN之間，為額定工作阻力的60.1%～69.1%。在正常回采期間以及頂板來壓期間支架工作阻力均較小，保留有較大的富裕系數。表明采用深孔預裂爆破對煤層上覆堅硬的K2灰巖弱化后可有效降低頂板來壓強度。

在工作面煤體破碎區采取化學注漿、支架頂板鋪設雙層金屬網及工字鋼梁措施后，煤壁片幫以及頂板冒落問題基本得以解決。工作面正常回采期間煤壁及頂板完整性較好，僅來壓期間煤壁出現小范圍片幫，片幫深度在0.3 m以內；液壓支架傾斜角介于6°～8°間，未發生傾倒或滑移現象，表明采取的煤壁片幫、支架穩定性措施等取得較好效果。

4 結語

15105 綜采工作面煤層為堅硬頂板大傾角軟煤，在回采過程中面臨的主要安全風險為煤壁片幫、頂板冒落以及支架失穩。采用頂板深孔預裂爆破、煤體破碎區注漿、鋪設金屬網及工字鋼梁、支架防倒防滑等措施，頂板來壓強度有所降低，煤壁片幫及冒頂問題基本得以解決，支架穩定，保證了工作面安全回采。