采煤工作面破碎頂板控制技術探究

王慧龍

（山西汾西宜興煤業有限責任公司，山西 孝義 032300）

引言

綜采采煤工作面的特殊性容易導致頂板破碎問題的發生，從而對井下作業的安全造成一定威脅。在實際的井下作業中，冒頂問題是破碎頂板中經常出現的安全問題，對井下作業的安全造成很大的影響。雖然有時冒頂的范圍不大，然而不進行及時的處理會造成問題的不斷擴大，對綜采工作面的安全造成很大的影響。所以在實際的工作中要加強對此問題的重視，采用破碎頂板控制技術來及時地處理和改善此問題，從而加強綜采工作面的安全性和穩定性。

1 造成破碎頂板冒頂問題的原因

煤礦綜采工作面范圍內處于破碎頂板位置的巖石具有強度低和整體性差的特點，并且嚴重缺乏穩定性，這些問題在很大程度上給破碎頂板的維護造成很大的困難。通過對以往煤礦企業的井下作業實踐分析可以發現，大多數的坍塌事故都是由于破碎頂板出現冒頂問題而沒有進行有效的處理所導致的，一旦出現坍塌事故會給企業帶來嚴重的經濟損失。通過對破碎頂板冒頂修復技術改進在一定程度上減少了冒頂事故的出現。一般冒頂問題出現的范圍在1～2 個或者3～5 個支架范圍內，然而冒頂問題仍然是坍塌事故發生的重要原因。與之前的冒頂問題相比，改進后的技術對冒頂破碎頂板的防范范圍相對加大，要想將控制技術合理應用到破碎頂板冒頂問題中，就需要企業對綜采工作面中出現冒頂的原因和規律進行分析和掌握。通過對以往發生事故的原因分析，斷層帶和褶皺帶是出現冒頂問題最多的區域，通過對這些地帶的結構分析發現，這些區域容易出現下沉和裂縫發育不完善的問題，巖層受到上述影響而出現較為嚴重的破碎問題。頂煤和頂板的強度可以體現以上問題，所以頂板受到礦石的強大作用力而發生巖層破碎，有時破碎面呈現長度為幾米的塊狀，有時會呈現出粉末狀。

2 破碎頂板造成的影響

1）綜采工作面中很多區域的巖石受到擠壓會導致此處的頂板形成斷層，從而造成頂板的部位不完整性[1]。如此一來會使許多泥沙、碎石或者煤泥等物質填充到斷裂的的巖縫中，斷層也由此變成滑面無法保證上層和下層巖石的附著。頂板之間相互分離改變了原來應力場分布，因此在表面光滑的斷層周圍非常容易出現斷層。

2）由于地殼的運動對頂板的完整性造成影響，當巖石附近的地殼發生運動之后會給巖石形成一定的外力而產生擠壓從而此區域會出現褶皺。而這些褶皺區域所殘余的應力在很大程度上影響應力場的分布，導致褶皺區域和向斜區域內有大量的彈性能聚集，特別是較小的褶皺受到彈性力的影響會使此處的頂板布局出現冒頂問題。

3）由于煤層的擠壓影響了破碎頂板的完整性，煤層不斷帶給巖石擠壓作用力，而巖層或者煤層受到擠壓后會變薄，與此同時頂板受到煤層的擠壓后會出現許多的節理，而形成滑動面造成大部分的頂板出現嚴重的破碎，非常容易造成局部區域出現冒頂。巖石受到構造的影響形成大小和形狀各異的巖塊，而這些巖塊具有獨立性所以局部容易出現冒頂的現象，甚至會造成局部的大冒頂，一旦形成冒頂會使周圍巖石的強度嚴重降低，從而對綜采工作面造成嚴重的安全威脅。

3 破碎頂板頂板控制技術的應用分析

3.1 鋪頂網與鐵錨桿控制技術的應用

首先分析鋪頂網的作用。由于綜采工作面頂板出現破碎影響頂板的完整性，可以將金屬網鋪到支架頂梁上以此來保證的整體性。支架頂板梁上所鋪的金屬網規格為0.8 m×10 m，網格距為50 mm×50 mm。同時為了加強金屬網的硬度和彈性，采用Φ2.2 mm 冷拔絲當作鋪頂網材質，避免出現支架頂網對移架產生影響，對應綜采工作面較好的區域可以鋪單網，而對于頂板破碎嚴重和受力較大的地段可以采用雙網，從而使金屬網的強度加大，避免出現移架問題或者頂板冒落而形成的撕網問題。其次，鐵錨桿控制技術的應用分析。通過對工作面形成煤壁片幫的過程分析[2]，不管是構造產生的裂隙問題還是受到采煤運動的影響，一共有三種形式的片幫：其一，從若面向自由面的方式滑落；其次，隨著進刀方向而出現冒落；其三，煤壁受到擠壓形成裂隙之后不斷向外部移動出現變形，達到一定的極限后滾落下來。然而這三種片幫方式中任何一種出現片幫運動矢量都可能導致自由面的鉛體向下或者水平向外的現象。所以只有加強控制自由面煤體向下和向外的位移活動，促使切頂線從煤壁處慢慢地向采空區位置移動，從而移動到支架頂梁的后端，如此才能有效控制工作面發生側片幫和漏頂問題。在分析以上問題的同時也要考慮到采煤機具體作業問題，將木錨桿超前支護應用到破碎煤體的支護中，如此一來將被動支護變成主動支護。

3.2 注漿加固工藝的分析

煤巖體化學注漿加固的原理是將化學漿液填充到頂板圍巖或者煤層出現的裂縫中，使圍巖或者煤層保持整體性，有效提升圍巖的整體承受能力，使圍巖更加的穩定，從而綜采巷道內的應力處于平衡狀態。這項技術主要應用到工作面回采過程中斷層的上下端頭和加固支護工作面的破碎頂板區域。這種化學漿液主要應用的是波雷因化學材料。這種材料的粘合性和機械性非常的強，將其注入到縫隙中可使低粘度混合物在短時間內在細小的縫隙中膨脹，從而對該區域進行有效的加固并產生密封處理作用。將注漿孔設置到端頭的巷幫位置以及工作面的破碎帶煤區域，開口離頂板的距離為0.5 m，仰角的度數為20°，注漿孔的直徑和孔的深度分別為30 mm 和4 m。注射漿液的順序為：為了避免注漿孔之間出現串漿現象，應用間隔打眼的方式。每個注漿孔的注漿量為200 kg，具體的注漿量要根據實際情況靈活改動，注漿終止壓力為3～5 MPa。

3.3 挑順山梁與架走向梁工藝分析

采煤機截割煤完成后，出現的新煤層在短時間內不會出現冒落的現象，但是當支架卸載之后會出現冒落的現象。如此可以使用挑順山梁的方式，先將頂梁完整處的支架移出，在移架之前將1～2 根長度為3～4 m、直徑為180 mm 的木梁支護到平行工作面位置，以此來維護頂板的完整性，最后將頂板破碎處的支架移出。架走向梁的應用方式，首先需要在煤壁頂板的位置挖出梁窩，之后走向梁的兩頭分別加到煤壁上支架的梁窩上。倘若煤壁容易出現片幫或者不適合挖窩梁，可以將一個臨時貼幫柱支設在煤壁的旁邊。

3.4 架走向棚工藝的應用分析

如果工作面出現破碎頂板的現象就表明冒落的范圍較大，這時不適合用挑順山梁的方法進行支護，此時的頂板也不具備放順山梁的條件。可以將一梁二柱或者一梁三柱的走向棚在相鄰的支架間進行超前支護，之后將1 架或者2 架順山抬棚支護架設到走向棚下。順山棚可以同時托住3 架走向棚梁[3]，最后可以將頂板下的順山抬棚和走向棚移出，支架在順山梁和走向梁的保護下完成前移。通過對某綜采工作面回采過程分析發現符合頂板的完整性不穩定，當頂板具有較好的完整性時可以選用前述頂板管理技術，如果出現頂板裸露就需要加強支護，從而形成良好的控制效果。然而對于膠結程度較低的復合型破碎頂板，這種管理工藝比較被動所以效果不佳。這是因為破碎頂板的膠結程度低一旦出現裸露現象就會造成巖石流動，這種現象很難進行支護控制，就會形成嚴重的冒頂事故，對綜采工作面的生產安全形成很大的影響。通過對以往問題分析采用破碎頂板控制支護方式最為有效合理。對于頂板固結較好的位置可以應用上述管理方式，而對于破碎程度嚴重的地段可以采用注漿固化頂板支護技術進行控制。對移架工藝進行合理的調整，在割煤之前支護和輸送機之間要留出一個截深的距離，當割煤之后需要對頂板進行移架支護并且要求一次性完成移架。當頂板破碎嚴重或者煤壁出現較為嚴重的片幫問題時，可以采用超前移架的工藝，在割煤之前要進行移架完成超前支護。

4 結語

通過本文對控制技術的分析發現該技術可以應用到采煤工作面回采過程中的不同時期和不同區域，并且對于整個回采過程都比較適用，可以有效保證破碎頂板的完整性和穩定性，并且有效提高了綜采工作面的單產水平。通過對以上應用方式分析，將其應到工作面破碎頂板中可以有效控制住前者對回采工作面產生的影響，在很大程度上控制了破碎頂板的整體性，并且有效保證了工作面開采任務的完成，在很大程度上為企業創造經濟效益。