頂板破碎帶化學注漿加固技術應用研究

李一飛

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦， 山西 太原 030053）

1 西曲礦工程概況

西曲礦位于山西太原西山煤田西北邊緣，礦井面積為15.7 km2，屬低瓦斯礦井。礦井可采煤層為太原組8 號、9 號煤層，煤層總厚度18.78 m。28306 工作面現主要開采太原組8 號煤層，工作面位于西曲礦南五盤區，地表位于長峪溝北部；東為8 號層28503 工作面；南為鐵磨溝礦8 號層81004 工作面，現已回采完畢；西為鐵磨溝礦8 號層81006 工作面，現已回采完；北與三盤區巷道相連[1]。28306 工作面開采的8 號層與上覆3 號煤層層間距約145 m，與下覆12 號煤層層間距為5.3～10.3 m。28306 工作面傾向長176 m，可采走向長度為360 m，煤層平均厚度為4.73 m。工作面上方存在一層粉灰色粉砂巖，含碳質、膠結松軟、性脆，厚度為0.82～2.10 m，平均1.4 m，回采過程中隨采隨落；直接頂為粉砂巖和細砂巖，平均厚度3.5 m；老頂為中砂巖與粗砂巖互層，平均厚度為25.8 m。受構造應力影響，綜采工作面在回采期間頂板出現破碎現象，若不采取合理有效的維護措施，不僅使回采效率降低，無法保證支架初撐力，而且易發生工作面頂板冒頂事故。

2 工作面末采期間冒頂分析

由于28306 工作面煤層上方存在一層偽頂，回采過程中極易垮落，隨著工作面不斷推進，采場面積逐步加大，厚度不大的直接頂逐漸塌落而堅硬的基本頂大面積懸露時，會在工作面頂板巖層形成一個自然壓力拱，從而使得煤壁前方應力集中程度增加，煤壁在采動壓力作用下變軟、片幫增多，偽頂隨著煤壁片幫而在支架前方垮落，造成工作面大面積漏頂[2]。

當工作面推進至330 m 時，臨近二次見方區，上覆高位關鍵層面積逐漸增大，由于采面停采，加之工作面中部支架滯后頭、尾端，導致工作面切頂線前移，當工作面見方及周期來壓時，中部壓力顯現較大；受上覆頂板影響，放假復工后工作面45 號—87 號支架范圍發生局部漏、冒頂，造成該區域的頂板破碎，空頂距增加，局部范圍頂板冒漏深1.8 m 左右。28306 工作面原預計停采位置為360 m，但是307 盤區為孤島煤柱開采，應力集中，為避免停采煤柱過小而造成盤區巷道應力集中問題，通過研究決定，工作面停面位置定位在350 m 處。因此，如何安全高效地處理漏頂及對工作面回撤通道進行支護成為需重點解決的難題。具體采面液壓支架應力原始曲線如圖1 所示。

圖1 工作面支架壓力曲線圖

3 工作面漏頂及回撤通道支護技術

經分析得知，采面漏頂以及回撤通道圍巖支護存在的主要問題是頂板巖層穩定性較差，因此提高頂板破碎巖層穩定性是實現采面漏頂防治以及確保回撤通道圍巖控制的關鍵。因此，本文提出通過化學注漿+補強支護方式來控制破碎頂板。

3.1 工作面漏頂處理技術

工作面漏頂處理技術主要包括有構筑假頂、化學注漿以及強化支架移架管理等。在頂板破碎區域，用U 型卡纜將10 號工字鋼梁固定在支架前梁下，將鋼梁一端放在支架前梁下，另一端伸在破碎區域支架對應的煤壁或頂板上。然后從支架側逐序往鋼梁上搭方木或道木做假頂，將頂板破碎區域內支架不接頂處頂板全部棚好。待工作面頂板壓力穩定后，在鋼梁靠近煤壁端下方支設單體支柱。在頂板破碎區域支架前的支架頂部煤壁硬煤處，利用風動鉆打眼，并將無腿棚子插入眼中，外露0.2 m；用小錨鏈將1 對無腿棚子連接住，其上放置3.0 m 或4.0 m 長的鋼梁，鋼梁一端放在支架前梁上，一端放在無腿棚子錨鏈上；1 架支架插入4 根無腿棚子，放置2 根鋼梁后，即在鋼梁之上用方木、道木密背做假頂；同時假頂間的木料用雙股8號鉛絲捆緊捆牢，形成整體。頂板破碎嚴重或頂板壓力較大時，在鋼梁靠近煤壁端下方支設單體支柱。移支架時，在支架前梁上固定鋼梁一端的支架，必須等破碎區其他支架移到位后方才拉移；在移破碎區其他支架時，必須將支架降至完全離開假頂后再移架；移架后將支架升起至能接頂即可，不得強升，以免將所做假頂升翻。采用風動鉆打孔，在30 號—90 號支架間每隔10 m 施工1 組鉆孔，并注射瑪麗散，通過馬麗散提高頂板巖層穩定性。具體工作面漏頂處理如圖2 所示。

圖2 工作面漏頂支護示意圖

3.2 末采段推進階段頂板支護

1）待工作面處理完推進一刀后開始鋪網，直到工作面回撤通道施工完畢；

2）在40 號—90 號支架間的機道頂板施工Φ17.8 mm×7 500 mm 的錨索，間排距為2 000 mm、1 500 mm；在1 號—40 號、90 號—120 號支架間機道頂板施工Φ20 mm×2 000 mm的錨桿，間排距為1 500 mm、1 500 mm；

3）升緊支架并采用擦頂帶壓的方式進行移架，針對支架不接頂問題，采用圓木、道木等及時背頂；

4）每推進5 m，30 號—90 號支架間每隔10 m 施工1 組鉆孔注射瑪麗散。

3.3 回撤通道支護設計

在工作面停采后施工回撤通道時，充分考慮頂板、煤壁情況，對回撤通道進行支護[3]。具體采用的支護方法為：頂板采用錨桿、錨索、挑梁、金屬網聯合支護，煤壁處采用絞手木、短鋼梁聯合支護。當支架前梁距停采線還有5.5 m 時，在支架上開始剎第一道鋼梁，鋼梁長3.0 m，共剎3 道，間距1.0 m。所剎鋼梁的一端與外側煤幫間距不大于200 mm，并保證所有的鋼梁端頭對齊，同時在每根鋼梁下支設1 根單體支柱。

3.3.1 擴機道

割第一刀煤時，機組由頭部或尾部斜切進刀后，向相反方向前行割煤。割完第一刀，溜子移到位后，其余割煤過程中，只移溜子不移架；割第二、三刀煤時，機組由頭部或尾部斜切進刀后，向相反方向前行割煤，在機道用單體柱配合道木支設1 排臨時點柱，柱距1.5 m，之后在距離支架前梁0.75 m 處的機道頂板施工第一排錨桿。打完第一排錨栓后再繼續割刀，割完第三刀后，距前梁前端1.25 m 處打1 排錨索；割完前三刀煤后，進行分段擴機道割煤。從尾向頭以分段方式進行擴機道，先在工作面尾部進行擴機道，當尾部6～7 m 范圍內的寬度達到2.5 m 的要求后，開始在支架正中追機剎3.5 m 挑梁。割完第四刀煤后，在距離支架前梁1.75 m 處的機道頂板打第二排錨桿。

3.3.2 端頭支護

擴機道結束后，在兩巷的上下出口垂直工作面各打2 組錨索吊梁，吊梁長度3 m，間距2 m，組距0.8 m，錨索長度6.5 m。在每根吊梁兩頭支設單體柱。在1 號架與120 號支架及外側與煤幫之間分別用方木和道木各打2 個井字型木垛，木垛需嚴密接頂，并用木楔子背緊。

3.3.3 工作面煤壁支護

工作面采至停采線后，將網下垂3 m，在煤壁中部用絞手木、短鋼梁、錨索進行加固。間距2.0 m，絞手木長2.5 m，短鋼梁長0.5 m，錨索長度為5.0 m。具體停采支護設計如圖3 所示。

圖3 停采支護示意圖

4 應用效果及經濟效益分析

通過采取切實可行的技術措施及現場組織管理，28306 工作面局部漏頂得到有效控制，工作面回撤通道頂板最大變形量及煤壁的圍巖變形量均在可控范圍，避免了冒頂、工作面難以停面的尷尬局面，實現了安全推進及安全停面，保證工作面支架能順利撤出，有效提升了破碎頂板巖體穩定性及承載能力，保證了礦井的安全回采。同時頂板管理技術也為后續的28503 工作面的回采過程中防漏冒頂及安全穩定的回撤提供了寶貴的借鑒經驗。

針對末采階段大范圍的漏頂現象，部分礦為保證開采安全，對工作面進行密閉處理，放棄回撤工作面的設備、設施，而我礦通過采取上述措施，保證了設備、設施的安全回撤，同時多創造了約3 000 萬元的經濟效益。