綜采工作面圍巖破碎機(jī)理及控制技術(shù)

牛正杰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城公司，山西 晉城 048000）

1 概述

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四明山煤礦9103綜采工作面位于一采區(qū)中部，東部為9102工作面(尚未回采結(jié)束），南部為實(shí)體煤層（地質(zhì)異常區(qū)），西部為實(shí)體未開采煤層（9104設(shè)計(jì)工作面），北部為一采區(qū)三條大巷。9103工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為970 m，傾向長(zhǎng)度為205 m。工作面回采煤層為9#煤層，平均厚1.51 m，平均傾角為6°。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)穩(wěn)定，煤體硬度f=2.0。煤層無偽頂，直接頂以5.4 m砂質(zhì)泥巖為主，基本頂為3.2 m的石灰?guī)r，直接底為2.4 m的黃色泥巖，基本底為2.8 m的細(xì)粒砂巖。

9103工作面與9102工作面采用沿空留巷布置方式。9103回風(fēng)順槽為沿空巷，工作面采用MG2×125/600-WD采煤機(jī)割煤，割煤深度為0.8 m，采用127架ZY5000/11/23型掩護(hù)式液壓支架支護(hù)頂板。在綜采工作面的運(yùn)輸端頭與回風(fēng)端頭各布置6架ZYG5000/14/28A型過渡支架，支架中心距1.5 m。9103工作面已回采至440 m。

2 工作面回采現(xiàn)狀

9103工作面在前400 m范圍回采過程中圍巖相對(duì)穩(wěn)定，局部出現(xiàn)煤壁片幫以及端面破碎現(xiàn)象，但通過及時(shí)移架進(jìn)行了有效控制。工作面回采至420 m處位于129#～104#支架前方煤壁開始出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，頂板垮落破碎。隨著工作面推進(jìn)，煤壁片幫現(xiàn)象更加嚴(yán)重，導(dǎo)致工作面回采至440 m處時(shí)129#～104#支架前方端面頂板空頂距達(dá)1.9 m，煤壁片幫后煤壁與頂板成62°夾角。分析導(dǎo)致工作面圍巖破碎主要有以下幾方面原因：

（1）煤層賦存穩(wěn)定性差。工作面回采高度為1.51 m，9#煤層穩(wěn)定性差，工作面采用MG2×125/600-WD采煤機(jī)割煤時(shí)，煤體伴隨著破煤力的作用出現(xiàn)片幫。通過現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，工作面在前期割煤過程中工作面平均端面距在1.2 m以上，而9103工作面長(zhǎng)度為202 m，采煤機(jī)每割完一刀煤需2.5 h，割煤完成后工作面采用一次性移架方式，在此期間頂板空頂時(shí)間長(zhǎng)，頂板出現(xiàn)斷裂破碎現(xiàn)象。

（2）圍巖應(yīng)力影響。通過對(duì)9103回風(fēng)順槽頂板觀察發(fā)現(xiàn)，預(yù)計(jì)工作面回采至446 m處在尾部揭露一條F5斷層，斷層落差為1.6 m，斷層與工作面煤柱成58°夾角布置，工作面回采至420 m處構(gòu)造應(yīng)力開始顯現(xiàn)。同時(shí)，9103工作面采用無煤柱回采工藝，回采過程中始終受9102采空區(qū)殘余應(yīng)力影響，所以工作面回采至420 m處時(shí)，工作面尾部頂板及煤壁受構(gòu)造應(yīng)力、采空區(qū)殘余應(yīng)力、回采應(yīng)力以及周期來壓集中作用，導(dǎo)致工作面超前區(qū)頂板斷裂、煤柱破碎。

（3）支護(hù)效果差。9103工作面直接頂主要為泥巖，承載能力低，由于支架支護(hù)范圍小，造成相鄰支架上方巖體出現(xiàn)垮落，頂板原巖三向應(yīng)力變?yōu)殡p向或單向受壓狀態(tài)，加劇了頂板破碎現(xiàn)象。

3 工作面破碎頂板控制技術(shù)

為了保證工作面快速過斷層，減緩工作面圍巖破壞，從420 m處決定采取“深孔卸壓+鋪設(shè)聚氨酯纖維網(wǎng)+超前管棚支護(hù)”聯(lián)合支護(hù)[1-5]。

3.1 深孔卸壓施工

由于采空區(qū)殘余應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及回采應(yīng)力在工作面前方20 m范圍產(chǎn)生應(yīng)力疊加區(qū)，導(dǎo)致圍巖裂隙發(fā)育并在裂隙區(qū)產(chǎn)生卸壓破壞作用，所以決定在沿空巷施工卸壓鉆孔，降低應(yīng)力疊加現(xiàn)象。

（1）為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)力充分卸壓，卸壓孔施工在9103回風(fēng)順槽頂板中部。鉆孔深度為10 m，直徑為55 mm，卸壓孔水平向前傾斜75°布置，鉆孔布置間距為5.0 m。

（2）為了防止卸壓孔在卸壓過程中應(yīng)力對(duì)卸壓孔壁巖體產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致巖體產(chǎn)生裂隙帶，卸壓孔內(nèi)安裝護(hù)孔管。每節(jié)護(hù)孔管長(zhǎng)2.0 m，直徑為50 mm，護(hù)孔管四周均勻布置8排直徑為8 mm圓孔，每節(jié)護(hù)孔管采用絲扣連接，孔口處采用錨桿將護(hù)孔管進(jìn)行固定，如圖1。

圖1 9103工作面破碎頂板聯(lián)合支護(hù)平面示意圖

3.2 鋪設(shè)聚氨酯纖維網(wǎng)

由于傳統(tǒng)金屬網(wǎng)在大應(yīng)力圍巖中使用時(shí)易變形，對(duì)圍巖蠕動(dòng)變形適應(yīng)效果差，為提高9103工作面頂板穩(wěn)定性，控制頂板破碎、冒漏現(xiàn)象，決定對(duì)頂板鋪設(shè)聚氨酯纖維網(wǎng)。

（1）9103工作面采用的聚氨酯纖維網(wǎng)長(zhǎng)55 m，寬8.0 m。柔性纖維網(wǎng)采用寬度為10 mm纖維條帶縱橫編制而成，纖維網(wǎng)網(wǎng)格為60 mm×60 mm，厚度為205 mm，質(zhì)量為0.7 kg/m2，縱橫向斷裂強(qiáng)度為60 kN/m，斷裂伸長(zhǎng)率小于13%。

（2）工 作 面 回 采440 m處，對(duì) 工 作 面129#～104#支架前方頂板鋪設(shè)柔性纖維網(wǎng)。第一卷纖維網(wǎng)在鋪設(shè)時(shí)在網(wǎng)的兩端各施工一根固定錨桿，然后采用鋼絲繩將纖維網(wǎng)進(jìn)行固定。

（3）第一卷柔性纖維網(wǎng)固定后，隨著工作面推進(jìn)對(duì)頂板進(jìn)行鋪設(shè)，網(wǎng)鋪設(shè)后采用單錨索進(jìn)行固定。錨索長(zhǎng)度為4.5 m，錨索布置間距為3.0 m，排距為2.0 m，相鄰兩卷柔性網(wǎng)搭接寬度為0.5 m。

（4）工作面每推進(jìn)2.0 m，在柔性纖維網(wǎng)下方施工一排JW型錨索鋼梁。鋼梁長(zhǎng)度為3.0 m，寬度為0.32 m，每根鋼梁采用兩根長(zhǎng)度為4.5 m錨索固定。

3.3 超前管棚支護(hù)

（1）支護(hù)原理。傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)利用錨固劑將桿體錨固在頂板上，利用托盤及螺母對(duì)桿體施加預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)錨桿（索）懸吊、組合梁（拱）支護(hù)作用，屬于主動(dòng)支護(hù)。而超前管棚支護(hù)在圍巖產(chǎn)生應(yīng)力作用下，以巖體作為支撐點(diǎn)對(duì)圍巖產(chǎn)生一個(gè)被動(dòng)支護(hù)作用力，從而實(shí)現(xiàn)圍巖超前支護(hù)的目的。

（2）支護(hù)工藝。采用鉆機(jī)在129#～104#支架的前方煤壁頂板施工一排支護(hù)鉆孔，鉆孔深3.0 m，直徑為30 mm，鉆孔間距為0.5 m。鉆孔施工完后對(duì)鉆孔內(nèi)插入長(zhǎng)度為3.2 m、直徑為25 mm圓鋼。以此類推，直至工作完全過應(yīng)力區(qū)，停止施工超前管棚支護(hù)。

3.4 效果分析

截至2020年3月21日，9103工作面已回采至495 m，圍巖已趨于穩(wěn)定。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，工作面在420～480 m段受應(yīng)力破壞作用逐漸加大，頂板最大下沉量達(dá)0.34 m，支架在該區(qū)域內(nèi)初撐力及工作阻力不足75%，且工作面回采速度為4.7 m/d。

9103工作面在應(yīng)力破碎區(qū)采取聯(lián)合控制技術(shù)后，圍巖應(yīng)力得到有效改善，隨著支護(hù)強(qiáng)度增大，頂板下沉量逐漸減小，工作面回采至450 m后頂板下沉量控制在0.11 m以下，如圖2。液壓支架在支護(hù)區(qū)初撐力及工作阻力提高至98%以上，工作面回采速度提高至7.6 m/d，同時(shí)煤壁片幫、頂板破碎現(xiàn)象得到有效改善，端面距由原來的1.9 m減小為0.4 m。

圖2 支護(hù)前后頂板下沉量對(duì)比曲線圖

4 結(jié)語

對(duì)9103工作面回采期間的圍巖破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，采取了鉆孔卸壓、鋪設(shè)柔性纖維網(wǎng)以及施工超前支護(hù)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力卸壓，降低了圍巖應(yīng)力破壞強(qiáng)度，控制了煤壁片幫、端面距加大等應(yīng)力顯現(xiàn)，對(duì)圍巖起到了有效控制作用。