綜采工作面頂板破碎機(jī)理及控制技術(shù)

張駿立

(山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

引 言

綜采工作面在回采期間由于受到地質(zhì)構(gòu)造、斷層應(yīng)力、頂板來壓等原因很容易發(fā)生頂板下沉、煤壁片幫的情況，這些現(xiàn)象的發(fā)生不僅會造成空頂距離增大，給工作面的正常回采造成極大的阻礙，還會由于頂板冒落發(fā)生大面積垮落。如不能采取有效的支護(hù)措施對頂板及時進(jìn)行支護(hù)，很容易發(fā)生頂板大面積垮落、支架倒架等事故，嚴(yán)重威脅現(xiàn)場工作人員的安全。因此，施工人員在進(jìn)行回采作業(yè)時，需根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況認(rèn)真研究工作面頂板發(fā)生冒落的機(jī)理，同時制定相應(yīng)的防控措施。

1 概述

長平煤礦5308工作面北部為4326采面(正在布置)，東部為4322綜采工作面(正在回采)，西部為Ⅲ5309綜采工作面(尚未布置)，南部為五盤區(qū)北翼泄水巷(已掘)，53083巷巷道掘進(jìn)對相鄰巷道掘進(jìn)無影響。5308工作面設(shè)計(jì)走向長度為1 151 m，傾向長度為185 m，工作面回采煤層為3#煤層，平均厚度為4.0 m，工作面采用綜合機(jī)械化回采工藝，截止目前工作面已回采475 m。

5308工作面回采至470 m處時位于45#～67#支架前方頂板出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，局部區(qū)域頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，隨著工作面推移，工作面回采至473 m處時位于52#～57#支架前方頂板出現(xiàn)第一次冒漏現(xiàn)象，冒漏深度達(dá)1.4 m，當(dāng)工作面回采至475 m處時在52#～67#支架前方頂板出現(xiàn)大面積破碎現(xiàn)象，且伴隨著大面積煤壁片幫現(xiàn)象，最大片幫深度達(dá)1.7 m，端面空頂距達(dá)1.5 m，嚴(yán)重威脅著工作面安全高效回采。

2 工作面頂板破碎機(jī)理

1)斷層破壞煤體。通過查閱工作面的鉆孔資料，工作面在正常生產(chǎn)時回采至487 m處時揭露一條斷層，該斷層從工作面42#支架向尾巷揭露，經(jīng)過測量該斷層的落差為3.2 m,由于該斷層的影響，工作面頂板與煤壁的煤體被大面積破壞，斷層附近上下盤的整體穩(wěn)定性下降、煤體膠結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞，斷層附近頂板出現(xiàn)多處破碎。

2)煤壁穩(wěn)定性下降。由于該綜采工作面的煤層屬于石炭系，工作面煤體煤體的整體穩(wěn)定性低、煤質(zhì)比較松軟且硬度較低，生產(chǎn)時受采動影響將煤體的構(gòu)造破壞，降低了煤體的構(gòu)造應(yīng)力，無法對頂板及煤壁形成有效的承載梁，造成工作面在過斷層期間出現(xiàn)頂板大面積脫落，影響工作面的正常生產(chǎn)[1]。

3)工作面的推進(jìn)速度快。為了能夠及時的與下個工作面完成銜接，生產(chǎn)隊(duì)組由將原來的7.0 m/d提高到9.2 m/d，回采速度的加快導(dǎo)致工作面采空區(qū)的巖石沒有及時垮落，工作面的集中應(yīng)力滯后，應(yīng)力集中區(qū)短暫的出現(xiàn)在支架上方，導(dǎo)致支架承載的壓力較大，工作面頂板出現(xiàn)了嚴(yán)重的下沉。

3 采取相應(yīng)的技術(shù)措施

為了能夠順利完成工作面的銜接，盡快通過應(yīng)力集中區(qū)，技術(shù)人員采用注漿加固的方式對破碎頂板進(jìn)行加固，同時采取其他措施進(jìn)行有效管理。

3.1 注漿加固技術(shù)

1)注漿加固原理。斷層的出現(xiàn)造成工作面在回采期間煤體的原結(jié)構(gòu)應(yīng)力被破壞，工作面出現(xiàn)煤體破碎的情況，施工人員通過在破碎煤體內(nèi)注入化學(xué)材料將破碎的煤塊黏接并封堵，進(jìn)而提高了破碎煤壁穩(wěn)定性[2]。

2)注漿材料。施工人員通過對破碎區(qū)域內(nèi)施工的窺視孔進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)斷層附近的頂板存在局部破碎嚴(yán)重的現(xiàn)象，如僅僅將化學(xué)材料注入破碎煤壁內(nèi)無法起到很到的加固效果，因此技術(shù)人員采用聚氨酯與水泥結(jié)合的快速注漿法，注漿水泥主要是按照1：1:0.5的比例將細(xì)沙：水泥：速凝劑混合在一起。

3)注漿設(shè)備：施工人員主要是采用氣動注漿泵與砂漿注漿機(jī)相互配合進(jìn)行聯(lián)合注漿作業(yè)[3]。

4)注漿工藝：①為了確保注漿加固的效果，施工人員通過采用深、淺孔聯(lián)合注漿方式，深孔是用來對工作面的超前應(yīng)力頂板進(jìn)行加固，淺孔是用來對工作面斷面頂板進(jìn)行快速加固②在綜采工作面的端面頂板位置鉆淺孔，鉆探淺孔的直徑與深度分別為50 mm、3.0 m，且淺孔要與工作面的頂板保持60°的夾角，相鄰兩個淺孔的間距為3 m，兩排淺孔的距離為4 m;③在綜采工作面的端面煤壁位置鉆深孔，鉆探深孔的直徑與深度分別為50 mm、4.0 m，且深孔要與工作面的頂板保持45°的夾角，如圖1所示，相鄰兩個深孔的間距為3.0 m，兩排深孔的距離為5.0 m；④當(dāng)淺孔與深孔全部鉆完后，施工人員使用氣動注漿泵與砂漿泵將聚氨酯與水泥砂漿合成的粘接劑準(zhǔn)入到孔內(nèi)，水泥砂漿的注漿壓力不得低于2 MPa，聚氨酯注漿壓力不得低于1.5 MPa。

5308工作面破碎頂板注漿施工剖面示意圖如圖1所示。

圖1 5308工作面破碎頂板注漿施工剖面示意圖

3.2 安全管理措施

1)為了避免生產(chǎn)時對煤壁進(jìn)行一次性割煤后，煤壁及頂板出現(xiàn)局部垮落，可以采取分層松動爆破的方式來緩解煤壁的壓力。在實(shí)際生產(chǎn)時，首先要對煤壁的下層進(jìn)行爆破，之后再對煤壁的上層進(jìn)行爆破，當(dāng)兩次爆破完成后要及時對支架進(jìn)行前移[4]。

2)工作面完成注漿作業(yè)后要等待3 h，待黏接劑硬固后才能進(jìn)行回采，同時要降低采煤機(jī)的回采深度，通常截割深度保持在0.3 m,對頂板破碎的區(qū)域要及時超前移架，避免煤壁上時間暴露。

3)為了降低頂板的壓力，需保持支架對注漿后的頂板接觸嚴(yán)密，然而支架在帶壓前移時會對頂板造成剪切破壞，為了避免支架對頂板的破壞，可以通過搭梁的方式前移支架，也就是在相鄰兩個支架的中間安裝5根工字鋼梁，工字鋼梁的長度為4 m，間距為1.8 m。

4)支架在前移時頂板已經(jīng)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的下沉，施工人員可以使用超前錨桿對破碎頂板進(jìn)行支護(hù)，支架在前移的過程采用帶壓移架的方式保持與頂板接觸的狀態(tài)前移，這樣能夠頂板的集中應(yīng)力對頂板造成的超前破壞[5]。

5)每次完成工作面的一個循壞作業(yè)后，要及時對工作面的支架及采煤機(jī)進(jìn)行矯正，嚴(yán)格按照“三直兩平”的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整工作面的偽斜，防止工作面底板留底煤，頂板有坡度的現(xiàn)象。

6)如工作面在回采期間出現(xiàn)的局部冒頂已經(jīng)嚴(yán)重影響工作面的推進(jìn)，施工人員還可以人工制作假頂?shù)姆绞絹韺敯暹M(jìn)行支護(hù)。

4 結(jié)語

截至2019年1月19日5308工作面已完全過斷層應(yīng)力區(qū)，對5308工作面應(yīng)力區(qū)頂板及煤壁采取注漿加固后，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，注漿后工作面煤巖體單軸抗壓強(qiáng)度由原來的不足25 Mpa,提高至47.6 MPa，大大提高了煤巖體穩(wěn)定及膠結(jié)性；工作面在后期回采過程中煤壁片幫深度控制在0.5 m以下，斷面空頂距控制在0.3 m以下，提高了支架移架效率，支架工作阻力及初撐力提高至89%以下，取得了顯著應(yīng)用成效。