綜采工作面端面破碎頂板聯合支護技術應用

魏秋玉

（山西潞安集團左權阜生煤業有限公司，山西 晉中 032600）

綜采工作面受地質構造影響，過構造帶時煤壁片幫嚴重、端面距加大，造成端面頂板破碎、冒漏，工作面推進速度慢［1-3］，嚴重制約著工作面安全高效回采。綜采工作面主要采用液壓支架進行頂板支護，但是當頂板出現破碎后，支架初撐力、工作阻力達不到設計值，不僅達不到預期支護效果，而且很容易造成支架頂梁“鏤空”現象，導致支架倒架、歪架等事故。因此，對工作面過斷層區采取合理有效的圍巖控制技術，對工作面安全高效回采具有重要意義。本文以阜生煤礦1208 工作面為工程背景，擬通過分析工作面過斷層期間端面頂板破碎原因，以選取合理有效的圍巖支護技術。

1 工作面概況

山西潞安集團左權阜生煤業有限公司1208工作面（以下簡稱工作面）北部為二采區大巷，南部為井田邊界，西部為井田三采區邊界，東部為1206 工作面采空區。

工作面共設有運輸順槽、回風順槽、切眼、底板消突巷、高抽巷等5 條巷道。其中運輸順槽長度為865.1 m，回風順槽長度為846 m，工作面可采長度為741 m，切眼長度為146 m。工作面使用MG750/1940-WD 型采煤機進行回采，采高為6.0 m，使用ZY12000/29/64 支架支護頂板。工作面回采至660 m 處在17#支架前方煤壁揭露一條F5正斷層，斷層落差為1.7 m，傾角為57°，斷層向端頭延伸，并在工作面前方48 m 處運輸順槽揭露，斷層對工作面回采影響長度為48 m。工作面揭露斷層后從17#支架向1#支架推進過程中出現嚴重煤壁片幫現象，導致架前端面距達1.7 m，通刀割煤完成后從頭向尾依次拉架，當工作面推進至670 m 處時再拉14#、15#、16#、17#支架時，端面頂板出現嚴重破碎，且伴隨著局部冒漏，工作面揭露斷層后回采速度降低至1.4 m/d。

1208 工作面開采的15#煤層, 平均厚度為6.0 m，煤層整體穩定性好、結構簡單，頂板及底板巖性如表1 所示。

表1 1208 工作面回采的15#煤層頂底板巖性

2 端面頂板破碎分析

2.1 構造影響

斷層侵入回采煤層后破壞了斷層兩側煤柱力學結構，造成斷層區圍巖破碎嚴重，在構造應力作用下出現煤壁片幫、垮落，頂板破碎等［4］。

2.2 煤層賦存條件影響

工作面回采的15#層內含多層以炭質泥巖為主的夾矸，煤層在夾矸作用下破壞了連續穩定結構，在回采過程中受回采應力、構造應力等集中應力作用下［5］，煤體出現擴張破壞作用，造成煤體裂隙發育且破碎垮落。

2.3 回采工藝影響

工作面采用一次性采全高回采工藝，工作面回采時采煤高度大，回采后煤柱支撐強度不足，在應力作用下很容易造成因煤壁垮落導致頂板承載強度低，出現頂板斷裂、破碎現象。

2.4 端面距超限

工作面回采煤柱在剝離破壞作用下產生片幫現象，造成端面距加大，最大端面距達1.7 m，工作面采用順序拉架方式，導致工作面端面頂板空頂時間長、支護不及時，從而導致超前端面頂板破碎、冒漏等。

2.5 頂板承載強度低

工作面直接頂為灰褐色泥巖，巖體內部含植物化石，巖體脆性大抗壓強度低［6-7］，單軸抗壓強度不足15 MPa，巖體成層狀結構，承載強度低，工作面回采時在支架頂梁切頂作用下出現斷裂、破碎現象。

3 端面頂板聯合支護

為了控制工作面斷層區端面頂板破碎現象，保證工作面安全快速推進，決定對裂隙巖體采取注漿填充、加固，對煤柱施工超前管棚控制超前應力破壞作用，對空頂端面頂板施工梯形梁棚進行控制維護。

3.1 注漿加固支護

（1）注漿加固技術。圍巖在斷層應力作用下內部出現裂隙帶，隨著工作面推進，裂隙區范圍擴大，從而破壞了圍巖整體完整性，通過對頂板圍巖施工注漿鉆孔，并注入有機或無機注漿材料，注漿材料具有很強的流動性及粘接性能，注漿液能夠滲透至圍巖裂隙內，對裂隙帶進行填充并起到粘接作用，漿液凝固后的凝固體具有很強的抗壓強度，漿液在圍巖內形成網絡骨架起到承載作用，從而大大提高破碎圍巖抗應力強度，起到破碎圍巖二次重組作用。

（2）注漿材料。工作面破碎煤體采用聚氨酯有機化學材料作為注漿材料，該注漿材料主要由A、B 兩種組分組成，其中A 組分為反應劑主要由聚醚多元醇、催化劑、阻燃劑等部分組成，B 組分為催化劑主要由多亞甲基多苯基異氰酸酯組成，A、B組分以配比1∶1 混合。注漿材料滲透至圍巖裂隙中不僅本身材料發生化學反應，材料中異氰酸酯基團能夠吸收圍巖裂隙中水分并進行反應，從而避免出現因圍巖含水率高導致注漿材料粘接效果差的現象。

（3）注漿工序。注漿鉆孔布置在斷層區前方煤壁上，每回采4.0 m 為一個循環，布置一排注漿鉆孔。鉆孔布置在距頂板1.5 m 處的煤壁上，且以45°上仰角布置，鉆孔有效深度為5.0 m，采用42 mm 合金鋼鉆頭鉆進，鉆進后孔徑為45 mm。鉆孔中心間距為3.0 m，注漿區每布置10 個鉆孔為一個注漿循環，如圖1 所示。鉆孔施工后在其內部安裝注漿鋼管，在孔口處采用止漿塞進行封孔，將外露注漿鋼管通過注漿軟管與注漿泵連接。注漿時注漿壓力控制在5.0 MPa 范圍內，注漿期間隨時觀察鉆孔附近煤壁注漿液滲透情況，發現漿液滲透時立即停止注漿。

圖1 1208 工作面端面破碎頂板聯合支護

3.2 JW 型錨棚支護

工作面回采期間當架前端面距在1.0 m 以上時，為了防止端面頂板出現破碎垮落現象，對空頂端面頂板施工JW 型梁棚支護。JW 型鋼梁采用厚度為8 mm 鋼板軋制而成，長度為3.5 m，寬度為0.28 m，鋼梁橫截面成“JW”型。鋼梁上布置兩個錨索支護孔，孔間距為1.75 m(支架寬度），錨索長度為4.5 m，直徑為21.8 mm。JW 型錨索吊棚布置在1#～17#支架前方，與支架前探梁平行布置，第一排鋼棚平行布置在前探梁前方0.5 m 處，每兩架支架布置一架鋼棚，布置排距為1.0 m。

3.3 超前管棚支護

為了防止煤壁出現超前破碎現象，回采前在設計頂板位置施工一排垂直煤壁超前管棚支護。管棚支護體采用直徑為30 mm，長度為3.0 m 的無縫中空鋼管，管棚支護體下端頭為銷尖狀便于插入煤體內，上端頭為絲扣結構，鋼棚支護體管壁均勻布置三排卸壓小孔。超前管棚支護施工在1#～17#支架前方煤壁上，管棚支護鉆孔深度為2.5 m，直徑為32 mm，鉆孔布置間距為1.0 m，且以3°仰角布置。鉆孔施工完后插入超前管棚支護體，超前管棚支護施工完后工作面繼續回采，在斷層區優化移架方式，采用分段式超前移架，即工作面從20#支架斜切進刀，三角煤柱回采后及時對1#～20#支架進行超前移架。若圍巖破碎嚴重，可將超前管棚兼做注漿孔，將注漿管與管棚體連接進行注漿施工，實現管棚與注漿協同支護。

4 應用效果

1）支護效果。1208 工作面2021 年4 月17 日，工作面揭露F5斷層，19 日開始對斷層區圍巖采取聯合支護技術，27 日早班工作面完全過斷層區。采取聯合支護技術后，工作面在后期回采過程中通過現場觀察，取得了如下效果：①控制了圍巖破碎現象。采取聯合控制技術后煤壁片幫現象得到了有效控制，通過現場觀察發現工作面煤壁片幫深度由原來的1.9 m 減小至0.5 m，最大片幫長度由原來的14 m 減小至3.5 m，端面距由原來的1.7 m 減小至0.4 m，未出現頂板大面積破碎以及冒漏現象。②提高圍巖抗壓強度。受斷層影響斷層區圍巖單軸抗壓強度不足15 MPa，注漿后圍巖單軸抗壓強度提高至45 MPa。通過窺視孔觀察發現，注漿區圍巖膠結穩定性好，注漿后結矸率提高了75%，大大提高了圍巖抗壓強度。③保證了支架支護強度。對端面破碎頂板采取梯形錨棚、超前管棚支護后，控制了端面頂板破碎現象，支架在后期移架時未出現倒架、歪架現象，且支架在斷層區初撐力、工作阻力提高至95%以上，保證了支架支護效果。

2）經濟效益。工作面過斷層前期平均回采速度為1.4 m/d（2 刀），斷層區采取聯合控制技術后工作面回采速度提高至4.2 m/d（6 刀），采煤機每刀割煤量為300 t，按噸煤利潤為350 元，每天可增加經濟效益為42 萬元，月經濟效益達1 260 萬元，經濟效益可觀。

5 結語

通過分析1208 工作面斷層區端面破碎原因，決定對斷層區圍巖采用注漿加固、超前管棚以及梯形錨棚等聯合支護技術。該技術應用結果表明，聯合支護技術抑制了1208 工作面斷層區圍巖應力破壞現象，解決了工作面過斷層期間圍巖破碎嚴重、回采效率低、支架支護難度大等技術難題，取得了顯著成效。