極復(fù)雜地質(zhì)條件下采煤工作面頂板控制研究

姜海峰，羅廣利，宗瑞申，李世先

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272102）

1 工作面概況

7302 工作面位于七采區(qū)中部，工作面埋深- 489m，本工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層總體為一單斜構(gòu)造，傾角2～12°,平均7°，發(fā)育有次一級的波狀起伏。工作面采用傾斜長壁綜采放頂煤采煤法，推進(jìn)長度391m，工作面面長157m。

工作面中DF4 斷層延伸距離長，從開始揭露該斷層落差2m，到目前為止該斷層落差大約8m，對回采生產(chǎn)影響較大。工作面邊采邊撤部分過肖家莊三號斷層尾部，回采后期過DF5、肖家莊二號斷層一部分。各斷層的平面位置及延展情況見表1。

表1 7302（外段）綜放工作面斷層表

表2 工作面設(shè)備布置

2 工作面回采過程中發(fā)生的歪架事故

2.1 歪架原因分析

1） 7302 工作面由于受斷層影響，工作面提臥刀

幅度較大，造成工作面底板不平，在工作面變坡點(diǎn)處，兩側(cè)支架受重力在水平方向上的分力F1 作用下，容易造成歪架，出現(xiàn)架間隙。一旦有了間隙，開始架間漏矸，然后頂板破碎，支架頂梁失去了頂板壓力的作用，形成一個自由體，在拉移支架的過程中，失去了相鄰支架的導(dǎo)向和作用力，在拉移支架過程中，支架受重力在傾向方向的水平分力影響，本架就會歪斜，進(jìn)而造成臨架歪斜。另一方面，產(chǎn)生架間隙后，架間漏矸造成底板浮煤增多，支架底座箱踩在浮煤上，底座箱不平，進(jìn)一步加劇支架的歪斜程度。如圖1、圖2 所示。

2） 支架側(cè)護(hù)板彈簧力不夠，側(cè)護(hù)容易被擠壓縮回，產(chǎn)生架間隙。

圖1 7302 工作面實(shí)測剖面圖

圖2 A- A 剖面

2.2 治理措施

1） 聯(lián)網(wǎng)、使料，人工再造假頂，使支架頂梁受力，不至于本架受臨架拉移時干擾而歪斜。另外臨架拉移時，本架還可打出側(cè)護(hù)板，給臨架一個作用力，減少支架的歪斜。

2） 在聯(lián)網(wǎng)使料過程中需要注意幾點(diǎn)：①聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量，由于拉架時掉矸容易砸壞金屬網(wǎng)，必要時聯(lián)三層金屬網(wǎng)。②使棚時，要1 條工字鋼使在3 組支架上，以中間一組支架為中心，兩頭擔(dān)在相鄰支架上，防止棚頭下到前梁下，造成無法降架子。③聯(lián)網(wǎng)吊網(wǎng)時，要用葫蘆將網(wǎng)吊好，不能用護(hù)幫板吊網(wǎng)，吊不夠高，煤機(jī)容易割網(wǎng)，要把前梁頭的網(wǎng)用葫蘆拉緊，防止煤機(jī)挑頂時割網(wǎng)。

3）清理好底板浮煤，保證底板平整。沒有底板就沒有頂板，底板浮煤多，容易歪架子，更容易造成支架拉不夠一整排，無法及時支護(hù)裸露的頂板，造成該段拖后，對頂板控制不利，還會造成擠壓電纜槽小擋板。因此，頂板不好時，絕不能忽視底板浮煤的清理工作。

4）用單體支柱幫扶拉移支架。柱腳打在齒軌上，柱頭打頂梁耳子上，使柱子略微吃勁，然后降架子，在拉移支架的過程中，給遠(yuǎn)距離柱子供液，此時柱子受力較大，容易反彈，人員一定要遠(yuǎn)離柱子，卸柱子時，要緩慢卸液。

2.3 在頂板破碎，吃網(wǎng)使棚困難時的治理方法

1）注意好拉移支架的順序，先從沒有架間間隙的地方開始拉。拉架時，要打住本架側(cè)護(hù)板操作閥拉移支架。

2）在有架間隙的地方，要在架間聯(lián)好雙層金屬網(wǎng)堵漏，減少架間漏矸，減少清衛(wèi)生工作量，也防止架間漏矸砸傷人。

采取以上措施一周后支架歪斜度數(shù)統(tǒng)計表見表3：

表3 連續(xù)一周支架歪斜度數(shù)監(jiān)測統(tǒng)計表

由表3 可知，在采取措施前，支架歪斜度數(shù)最大達(dá)到25°，在連續(xù)采取以上措施進(jìn)行拉移支架后，支架歪斜度數(shù)逐漸減少至10°，效果十分明顯。

3 關(guān)于頂板破碎時聯(lián)網(wǎng)使料優(yōu)缺點(diǎn)

1）聯(lián)網(wǎng)是為了使棚，是為了讓棚在頂板生根，聯(lián)上網(wǎng)，必須及時使好工字鋼，否則單純聯(lián)網(wǎng)意義不大。

2）聯(lián)網(wǎng)后對頂板控制不是很有利，聯(lián)網(wǎng)、吊網(wǎng)工作量大，推進(jìn)速度慢，老頂及上覆巖層繼續(xù)下沉，壓力繼續(xù)增大，勢必造成煤壁支撐壓力增大，片幫、掉頂加劇。控制頂板，就需要快速推進(jìn)，在頂板完成一個彎曲、下沉、斷裂周期內(nèi)，盡可能的加快推進(jìn)速度，就可以把壓力甩在支架后面，另外過機(jī)時必須收回護(hù)幫板（采高允許的情況下盡量不收護(hù)幫板）吊網(wǎng)，過機(jī)后無法及時拉超前打出護(hù)幫板進(jìn)行支護(hù)頂板，只能空著頂板，我們頂板控制的主要對象就是能夠及時有效的支護(hù)前梁頭至煤壁的空頂段頂板，防止空頂段頂板離層- 掉頂- 冒頂，因此聯(lián)網(wǎng)對工作面控制頂板并不利。

4 工作面支架初撐力對頂板管理的作用

工作面控制頂板，支架初撐力至關(guān)重要，工作面頂板實(shí)質(zhì)就是以煤壁為支點(diǎn)的一個懸臂梁，壓力集中在煤壁處，升好支架初撐力，支撐好懸臂梁，則煤壁的受力就會減小，進(jìn)而減少片幫冒頂?shù)陌l(fā)生。如圖3 所示。

圖3 工作面支架初撐力不足時的壓力分布模型

支架初撐力不足時，頂板彎曲下沉量增大，造成頂板提前斷裂，失去了傳遞巖梁的作用，整塊巖梁全部由支架和煤壁支撐，煤壁支撐壓力處于峰值較高，造成壓死支架、煤壁片幫、冒頂事故。

當(dāng)工作面支架初撐力足夠時，對頂板的支撐效果好，頂板下沉量小，不會發(fā)生彎曲下沉斷裂，巖石的重量由支架、煤壁、老空巖石共同支撐，工作面處于巖梁的保護(hù)下，煤壁支撐壓力峰值較小，不會對煤壁產(chǎn)生破壞。如圖4 所示。

圖4 工作面支架初撐力足夠時的壓力分布模型

5 煤機(jī)滾筒直徑與工作面采高的關(guān)系

7302 工作面由于左右滾筒直徑不同，機(jī)尾側(cè)滾筒直徑2.24m，機(jī)頭側(cè)滾筒2m，造成機(jī)頭挑頂困難，采高不夠，支架出現(xiàn)錯茬，主要原因在于機(jī)尾滾筒直徑太小。根據(jù)工作面三機(jī)配套看，ZF12000 支架因?yàn)橛星吧炝海斄鹤兒?，收回伸縮梁、護(hù)幫板后，前梁厚度0.5m，前梁頭正對煤機(jī)行星頭部，行星頭至煤機(jī)滾筒截齒高0.6m，也就是說搖臂行星頭調(diào)高頂?shù)角傲侯^，頂板剛能掃到與前梁平，無法加大采高，生產(chǎn)過程中，為了調(diào)頂，經(jīng)常是煤機(jī)行星頭硬頂著前梁頭往上調(diào)，挑頂十分困難。尤其是聯(lián)網(wǎng)時，挑頂高度更是打了折扣。

6 近距離煤層注漿加固

破碎的頂板允許暴露的時間較短且暴露面積較小，如果不及時對其進(jìn)行加固支護(hù)極易發(fā)生漏頂事故，如果得不到有效地控制，裸露的范圍越來越大，造成較大的冒頂事故，為了防止破碎的頂板發(fā)生漏跨事故，必須在局部發(fā)生以前就要對頂板進(jìn)行加固，使其在不形成更大漏冒之前就將其加以封堵，加強(qiáng)支護(hù)，超前預(yù)注漿固化是一種改善圍巖結(jié)構(gòu)，提高圍巖整體性和承重能力、降低支護(hù)所需成本、提高支護(hù)效果的有效方法，利用漿液把破碎的圍巖的薄弱面充分進(jìn)行加固，改善圍巖的力學(xué)性能，從而提高圍巖的整體性。

7 效果及結(jié)論

1） 針對7302 工作面地質(zhì)條件，分析了采用綜合機(jī)械化采煤的可行性，并且分析了影響工作面安全高效開采的主要技術(shù)因素；

2） 針對7302 工作面地質(zhì)條件，選用了合適的液壓支架，經(jīng)回采實(shí)踐表明，該支架適應(yīng)工作面煤層及煤層頂?shù)装鍡l件；

3） 針對7302 工作面地質(zhì)條件，提出了相應(yīng)的破碎頂板加固方案，設(shè)計了注漿方案，工藝簡單，成本低，效果明顯。

4） 7302 工作面自回采以來，生產(chǎn)過程中未出現(xiàn)嚴(yán)重的煤壁片幫現(xiàn)象，并且工作面月進(jìn)尺最高150米，現(xiàn)場實(shí)踐表明，7302 工作面采煤方法選擇正確，液壓支架選型合理，破碎加固可行，取得了顯著成就。