綜采工作面端面破碎頂板支護措施研究

王韞中

（潞安集團漳村煤礦，山西 長治 046031）

1 概述

潞安集團漳村煤礦2301工作面位于井田三盤區(qū)，工作面東面是未采區(qū)，南面是2302工作面采空區(qū)，西面是23采區(qū)排水大巷，北面是西下山大巷。2301工作面設(shè)計走向長度為554m，傾向長度為144m。工作面回采煤層屬二疊系山西組下部的3#煤層，煤層賦存穩(wěn)定，煤厚變異較小，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，兩層夾矸穩(wěn)定發(fā)育，煤層平均厚度為6.43m，煤層傾角為0～8°。2301工作面采用傾斜長壁低位放頂煤一次采全高綜合機械化采煤方法，頂板管理為全部垮落法。采煤機滾筒割煤3.4±0.1m，放煤厚度3.0m，滾筒截深0.8 m。截至目前工作面已回采210m。

2301工作面直接頂主要以泥巖為主，平均厚度為3.7m，基本頂主要以砂巖為主，平均厚度為4.48m，如表1所示。

表1 2301工作面頂?shù)装鍘r性綜合柱狀表

地質(zhì)資料顯示，2301工作面回采至230m處揭露一條F4正斷層，斷層落差為2.5m，傾角為50°。受構(gòu)造應(yīng)力影響，工作面回采至195m處時頂板出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象。工作面回采至210m處時煤壁片幫嚴重，端面空頂距最大達1.5m，端面處頂板破碎嚴重，局部出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，導(dǎo)致工作面移架困難。支架初撐力、工作阻力降低至54.7%，工作面回采速度降低至3.2m/d，不僅降低了工作面回采效率，而且威脅著工作面安全回采。

2 端面頂板破碎原因分析

（1）工作面頂煤穩(wěn)定性差。由于2301工作面采用低位放低煤回采工藝，頂煤厚度為3.0m，在回采時端面距加大，導(dǎo)致端面空頂處頂煤在支架與工作面煤柱之間形成應(yīng)力承載梁，而3#煤層發(fā)育不穩(wěn)定，膠結(jié)穩(wěn)定性差，煤體巖石普氏系數(shù)f=2.5,單軸抗壓強度K＜30MPa，承載梁承載能力出現(xiàn)切斷、破碎現(xiàn)象。

（2）煤壁片幫嚴重。受F4斷層應(yīng)力、回采壓力影響，工作面回采時位于工作面前方15m范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，對工作面煤壁作用力加大，造成煤壁出現(xiàn)剝離破壞，出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，煤壁片幫范圍位于工作面頂板往下1.5m范圍內(nèi)，煤壁片幫后致使端面空頂距加大，導(dǎo)致端面頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。

（3）支架支護效果差。由于工作面進入斷層應(yīng)力區(qū)，頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，造成支架支護效果差，支架初撐力、工作阻力達不到額定值80%，支架頂梁與破碎頂板接觸不嚴實，在移架后支架出現(xiàn)后傾現(xiàn)象，支架前探梁對頂板起到局部支撐作用，頂梁與工作面煤柱對端面處頂板產(chǎn)生剪切破碎，導(dǎo)致端面空頂處頂板破碎現(xiàn)象。

3 端面破碎頂板維護措施

根據(jù)工作面端面頂板破碎原因，提出注漿+錨索吊棚+管棚超前支護等聯(lián)合措施進行破碎頂板維護，如圖1所示。

圖1 2301工作面端面破碎頂板聯(lián)合支護平面示意圖

3.1 注漿支護

注漿支護主要對頂板及煤壁破碎巖體通過注射高強度粘合劑，對巖體裂隙進行充填粘接，提高破碎巖體整體穩(wěn)定性以及抗壓強度，起到預(yù)防頂板破碎、煤壁片幫的作用。

（1）2301工作面采用頂板淺孔注漿、煤壁深孔注漿的方式，頂板注漿鉆孔深度為4.0m，鉆孔直徑為40mm，鉆孔與頂板呈75°夾角布置，鉆孔間距為3.0m。煤壁注漿鉆孔深度為8.0m，鉆孔施工在距頂板往下0.8m處，鉆孔直徑為40mm，鉆孔垂直煤壁布置，鉆孔間距為5.0m。

（2）頂板及煤壁淺深注漿鉆孔施工完后，采用3ZBQ20/24煤礦用氣動注漿泵進行注漿，注漿液采用馬麗散與催化劑配比為1:1混合液，注漿壓力不得低于1.2MPa。為了提高注漿效果，注漿前應(yīng)對注漿孔進行封孔處理。

（3）2301工作面頂板注漿鉆孔排距為3.0m，煤壁注漿鉆孔排距為6.0m，相鄰兩排注漿鉆孔邁步式布置。

3.2 施工交錯式錨索吊棚

錨索吊棚不僅可以對端面破碎頂板進一步加固，防止頂板剪切破壞，而且通過施工錨索吊棚可以提高支架支撐力、工作阻力，保證支架支護效果。

（1）錨索吊棚主要由工字鋼梁、兩根錨索組成，鋼梁長度為3.5m，錨索長度為5.m，兩根錨索間距為1.75m，施工在相鄰兩支架之間，鋼梁起吊后采用鎖具將其與頂板預(yù)緊。

（2）錨索吊棚與工作面平行布置，錨索吊棚排距為2.0m，且相鄰兩排錨索吊棚交錯式布置，即第二排錨索吊棚的第一根錨索與第一排錨索吊棚的第一根錨索交錯布置，交錯距離為1.75m。

3.3 管棚超前支護

管棚超前支護主要是在工作面煤壁設(shè)計頂板位置施工超前支護孔，并安裝超前支護，從而對工作面超前應(yīng)力區(qū)進行超前維護，降低應(yīng)力對頂板、煤柱超前破壞作用。

（1）首先在工作面煤壁設(shè)計頂板位置施工一排超前支護鉆孔，鉆孔垂直煤壁布置，允許垂直角度偏差為±3°，支護鉆孔深度為5.0m，直徑為42mm，鉆孔間距為1.5m。

（2）鉆孔施工完后在鉆孔底部填裝三支錨固劑，分別為一支MSKC23/38型，兩支MSK23/80型，并填裝直徑為28mm中空圓鋼，圓鋼每節(jié)長度為1.2m，相鄰兩節(jié)圓鋼采用絲扣連接，每個鉆孔共計安裝4根圓鋼。

（3）圓鋼安裝后采用手持式鉆機進行錨固預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于200N·m，為了保證超前圓鋼支護安裝穩(wěn)定，在每2根圓鋼外露端采用長度為1.8m槽鋼及錨桿與頂板進行固定。

（4）當?shù)谝慌殴芘锍爸ёo施工完后且工作面回采長度達4.0m時，施工第二排管棚超前支護，相鄰兩排管棚支護交錯疊加布置，疊加距離為1.0m，依次類推直至工作面完全過破碎帶。

4 應(yīng)用效果

（1）采用注漿支護后，提高了工作面頂板及煤壁破碎煤體穩(wěn)定性，大大增加了頂煤承載能力，在回采期間工作面頂板未出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，煤壁片幫得到有效控制，端面距控制在0.5m以下。

（2）施工錨索吊棚后，不僅進一步提高了破碎頂板穩(wěn)定性，而且解決了支架在破碎頂板中初撐力、工作阻力低，無法保證支架支護效果等難題，支架初撐力提高至89.2%，工作阻力提高至87%，有效保證支架支護質(zhì)量，防止了支架傾倒、切頂事故發(fā)生。

（3）通過施工管棚超前支護，預(yù)防了工作面煤壁超前應(yīng)力對頂板及煤壁破壞作用，避免了工作面回采期間因采煤機割煤后，支架移架不及時出現(xiàn)煤壁片幫、頂板空頂面積大而發(fā)生冒頂事故。