綜采工作面端面破碎頂板安全支護技術

曹志輝

（山西焦煤集團山煤國際長春興煤業公司，山西 大同 037101）

1 概況

山西焦煤集團山煤國際長春興煤業公司101 工作面采用低位放頂煤回采工藝，回采的22#煤層厚度為9.5 m，傾角為2°，采煤機破煤厚度為3.5 m，放煤高度為6.0 m，煤層整體結構相對穩定。煤體頂底板巖性見表1。

表1 101 工作面22#煤層頂底板巖性匯總表

101 工作面采用ZF13000/25/38 型液壓支架支護，額定工作阻力40.3 MPa；ZTZ20000/28.5/42型端頭液壓支架1 架；MG500/1180-WD 采煤機；SGZ1000/1400 型前部刮板運輸機；SGZ1200/1400型后部刮板運輸機；SZZ1200/700 型轉載機；PCM400 型破碎機；ZY2700 型自移裝置。

根據101 運輸順槽掘進期間揭露的地質構造，順槽447 m 處巷道左幫揭露斷層，452 m 在巷道右幫揭露斷層。斷層落差為1.8 m，傾角為42°，斷層與巷道之間的夾角為47°。工作面回采至435 m處時在14#支架前方揭露斷層，在揭露斷層后出現嚴重煤壁片幫以及端面破碎現象，端面距達1.7 m，煤壁片幫深度達1.2 m。

2 工作面端面破碎機理

（1）圍巖穩定性差。101 工作面回采的22#煤層結構復雜、穩定性差，煤層內含多層夾矸，受采動影響，煤巖體出現嚴重擾動破壞，出現離層、破碎現象。

（2）回采工藝影響。101 工作面采用放煤工藝，工作面回采時下部煤層采落后上部頂煤在支撐情況下，承載強度降低。工作面回采后支架后方頂煤在放煤時，對支架前方頂煤產生水平張拉破壞作用，造成端面頂板破碎。

（3）支架切頂破壞嚴重。101 工作面主要采用ZF13000/25/38 型液壓支架進行頂板支護，當頂板來壓時前探梁對頂板產生切頂破壞作用，從而導致頂板破碎。

（4）構造應力影響。101 工作面煤體在F7 斷層作用下，煤體內部出現高度發育的裂隙，裂隙擴張延伸對煤體產生剪切作用，破壞了煤巖體穩定性。隨著工作面回采距斷層越來越近，應力破壞越嚴重。同時，構造應力在裂隙帶內進行釋放，對裂隙巖體產生卸壓破壞，加劇了煤巖體破壞力度。

（5）煤壁片幫嚴重。工作面過斷層期間集中應力對煤壁產生剝離破壞作用，工作面煤壁從頂往下1.5 m 范圍內出現垮落，造成煤壁與頂板存在67°夾角，煤壁最大片幫深度達1.7 m，一方面降低了煤柱對頂板有效支撐作用，另一面加大了工作面端面距。

（6）回采速度慢。101 工作面回采至斷層應力區后平均回采速度不足3.0 m/d，若頂板支護不及時，增加集中應力對頂板破壞持續時間，導致頂板出現斷裂、破碎現象。

3 頂板支護優化改進[1-5]

3.1 玻璃鋼梯形棚支護

3.1.1 支護結構

101 工作面端面頂板施工的玻璃鋼梯形棚由玻璃鋼梯形梁、夾板、錨索等部分組成。玻璃鋼梯形梁長度為3.5 m，寬度為0.5 m，由5 根直徑20 mm、長度3.5 m 玻璃鋼管連接而成。每架玻璃鋼梯形梁采用三組夾板固定，在玻璃鋼梯形梁上固定2個玻璃拱形墊片，墊片上焊制一個直徑30 mm 支護孔，孔間距1.75 m。每架玻璃鋼梯形棚固定在頂板同一排兩根錨索下方。

3.1.2 支護工藝

（1）101 工作面在揭露斷層后若架前頂板出現破碎且端面距達1.0 m 時，沿工作面傾向方向在端面頂板施工一排玻璃鋼梯形棚，棚與棚之間間距為1.0 m，排距為1.5 m。

（2）梯形棚支護時，先對端面頂板施工兩個錨索支護孔。為了防止拉架時造成梯形棚錨索變形、斷裂，梯形棚兩根錨索施工在相鄰兩架支架前探梁之間。錨索孔深度為4.0 m，直徑為28 mm。

（3）梯形棚安裝到位后，采用張拉千斤對錨索鎖具進行預緊，保證梯形梁與頂板能夠完全貼合。根據工作面頂板破碎情況，決定從14#支架向端頭處施工梯形棚，每排布置9 架。

3.2 注漿加固

為了控制煤壁片幫、端面頂板破碎現象，決定在順槽側煤壁布置超前注漿孔，對煤巖體進行超前加固。

（1）在101 工作面運輸順槽煤壁側布置注漿鉆孔，注漿孔垂直煤體布置，開口中心位置與頂板垂直距離為1.0 m，鉆孔直徑為50 mm，平均深度為25 m，鉆孔終孔位置延伸至斷層巖體外邊緣，注漿孔布置間距為3.0 m。

（2）注漿鉆孔施工完后，及時采用風管將鉆孔內煤屑排除，然后對注漿孔內插入一根直徑為20 mm 注漿軟管。注漿軟管插入孔內深度為3.0 m，在孔口0.5 m 范圍內安裝一個聚氨酯柔性止漿塞。注漿液采用水泥與水玻璃配比為3:1 的混合漿液，注漿壓力為3.0 MPa。

（3）注漿完成后，在后期回采時觀察注漿區域漿液結塊情況，結塊率不得低于85%。若存在局部區域注漿不到位時，需補充鉆孔進行二次注漿。

101 工作面斷層應力區聯合支護平面示意圖如圖1。

圖1 101 工作面斷層應力區聯合支護平面示意圖（mm）

4 結語

（1）通過對破碎區頂板施工玻璃鋼梯形棚支護后，大大提高了應力區頂板穩定性，有效控制了端面頂板破碎現象，工作面在后期回采中液壓支架過應力區時未出現支架頂梁托空現象。

（2）注漿后煤體結塊率以及單軸抗壓強度明顯提高，實測101 工作面斷層區未注漿區煤體結塊率為57%，單軸抗壓強度為21 MPa，注漿后煤體結塊率為89%，單軸抗壓強度為45 MPa。

（3）采取聯合支護后控制了101 工作面煤壁片幫現象，縮小了回采期間端面距，回采過程中煤壁最大片幫深度為0.4 m，最大端面距為0.3 m。