回采工作面斷層構(gòu)造區(qū)域頂板控制技術(shù)研究及應(yīng)用

姜海峰 董 登

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

1 工程概況

興隆莊煤礦10309 工作面內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育，其中軌道順槽揭露的10308YF1 斷層對(duì)工作面影響程度大，范圍廣，見表1。斷層落差4.1 m，向工作面內(nèi)延伸63.2 m，與工作面夾角約30°。受該斷層構(gòu)造影響，工作面回采期間頂板破碎、大面積冒落，冒落導(dǎo)致部分液壓支架不接頂、歪架、倒架，工作面液壓支架無法對(duì)頂板有效支撐，工作面推進(jìn)困難。

表1 10308YF1 斷層產(chǎn)狀表

2 斷層構(gòu)造影響分析

工作面直接頂節(jié)理發(fā)育，完整性差，正?；夭善陂g隨采隨冒，部分液壓支架工作狀態(tài)差的區(qū)域，會(huì)給工作面頂板管理、煤質(zhì)管理造成一定困難，但由于其冒落的及時(shí)性，有利于縮短周期來壓步距，降低周期來壓強(qiáng)度[1]?；卷敽穸却螅z結(jié)性好，極限跨距大[2]，導(dǎo)致工作面回采期間周期來壓步距大、來壓強(qiáng)度大。正常回采期間通過控制支架工作阻力，提前拉移超前支架，控制好直接頂，不會(huì)造成大面積冒頂；但臨近斷層構(gòu)造區(qū)域，受斷層構(gòu)造切割及斷層構(gòu)造滑移擠壓，直接頂、基本頂完整性遭到破壞，斷層構(gòu)造應(yīng)力的釋放[3]，進(jìn)一步加劇直接頂及基本頂?shù)钠茐?。直接頂及基本頂在工作面煤壁前方發(fā)生斷裂破壞，當(dāng)工作面煤壁被截割后，直接頂及基本頂失去有效支撐[4]，緊跟煤機(jī)滾筒垮落，積聚的構(gòu)造應(yīng)力得到有效釋放空間[5]，使得超前煤壁破碎冒落，導(dǎo)致液壓支架無法對(duì)頂板進(jìn)行有效支撐，基本頂及上覆巖層在無下覆煤巖及液壓支架的有效支撐情況下，達(dá)到極限跨距，會(huì)大面積冒落，其冒落產(chǎn)生的勢(shì)能沖擊作用于液壓支架。由于液壓支架頂梁以上已漏冒，導(dǎo)致液壓支架頂梁懸空無著力點(diǎn)，上覆巖層冒落產(chǎn)生的沖擊導(dǎo)致液壓支架歪架、倒架，大面積的支架倒架歪架，使得液壓支架的支撐功能完全失效，最終陷入頂板破碎→支護(hù)失效→頂板破碎加劇的惡性循環(huán)。

3 基于現(xiàn)狀分析的針對(duì)性措施

3.1 優(yōu)化回采工藝

3.1.1 合理調(diào)采

斷層與回采工作面夾角越小，單個(gè)回采循環(huán)揭露的斷層面積越大，越不利于頂板管理。理想狀態(tài)為斷層與工作面垂直，斷層影響區(qū)域僅為斷層面兩側(cè)有限區(qū)域，現(xiàn)實(shí)中基本不存在此種情況。增大斷層與工作面傾角，減小單個(gè)循環(huán)揭露斷層面積，是過斷層期間控制頂板的有效措施。10308YF1 斷層與工作面夾角30°，按照正常推采循環(huán)，一個(gè)回采循環(huán)揭露斷層面長(zhǎng)度約1.6 m，超過單個(gè)支架頂梁寬度，受斷層影響的區(qū)域面積更大。因此，在工作面推進(jìn)至距斷層構(gòu)造20 m 前進(jìn)行調(diào)采，將原本與兩順槽垂直的工作面拉斜，按照溜頭與溜尾2:1 的方式進(jìn)行回采，即一個(gè)采煤循環(huán)，運(yùn)輸順槽側(cè)進(jìn)1.6 m，軌道順槽側(cè)進(jìn)0.8 m?？紤]到設(shè)備自重會(huì)導(dǎo)致刮板輸送機(jī)滑移，四個(gè)調(diào)采循環(huán)后，進(jìn)行一個(gè)正規(guī)循環(huán)。按照此截割方式至斷層處，運(yùn)輸順槽側(cè)超前軌道順槽側(cè)12.8 m，單個(gè)生產(chǎn)循環(huán)揭露斷層面長(zhǎng)度約為1.1 m，小于單個(gè)液壓支架頂梁寬度，最大程度降低單個(gè)回采循環(huán)揭露斷層構(gòu)造影響區(qū)域。

3.1.2 合理截割傾角

10308YF1 斷層為正斷層，上盤下降，按照煤層賦存傾角進(jìn)行截割，由斷層上盤進(jìn)入斷層下盤時(shí)會(huì)截割大量底板，給設(shè)備極大損害，截割巖石時(shí)采煤機(jī)的震動(dòng)會(huì)增大煤機(jī)截割對(duì)頂板的擾動(dòng)。為最大程度減少割底量，需在臨近斷層構(gòu)造前增大采煤機(jī)截割傾角，但如傾角過大，進(jìn)入斷層上盤區(qū)域時(shí)，采煤機(jī)前滾筒截割線距頂板距離小，對(duì)頂板擾動(dòng)影響大，不利于頂板管理。充分考慮以上原因后，確定工作面進(jìn)入斷層面前5 m 處，開始以6°的傾角提刀，保證進(jìn)入斷層面時(shí)，斷層下盤最大割底量不超過2 m，出斷層面時(shí)上盤最大留底煤量控制在1.1 m，斷層上盤留底煤區(qū)域約為18 m，斷層下盤割底區(qū)域約為30 m。如圖1。

圖1 工作面進(jìn)入斷層面煤機(jī)提刀示意圖

3.1.3 合理采高

拖頂煤降采高，以頂煤托直接頂，煤機(jī)滾筒上覆頂煤，形成緩沖層，減小采煤機(jī)截割對(duì)上覆巖層的擾動(dòng)。工作面在距離斷層構(gòu)造17 m 處開始降采高，為防止突然降采高形成臺(tái)階狀頂煤，影響液壓支架支護(hù)效果，以每個(gè)采煤循環(huán)降低0.05 m，15 個(gè)采煤循環(huán)，在距斷層構(gòu)造5 m 處，工作面整體采高降低0.75 m，斷層揭露范圍采高控制在2.7～3.2 m。

3.2 頂板破碎區(qū)域的頂板管理

3.2.1 破碎矸石的圍堵

破碎頂板沿工作面液壓支架頂梁至煤壁間的間隙涌至工作面刮板輸送機(jī)內(nèi)，為防止工作面設(shè)備負(fù)荷過大，需將破碎巖石及時(shí)運(yùn)出，隨著破碎巖體的不斷運(yùn)出，圍巖破碎半徑不斷向深部發(fā)育，頂板冒落加劇，同時(shí)破碎巖體的不斷涌出會(huì)對(duì)頂板維護(hù)人員造成傷害。對(duì)破碎頂板造成的冒落矸石的有效圍堵，使得破碎巖體形成相對(duì)完整體，不僅能對(duì)上覆巖層進(jìn)行多處點(diǎn)支撐，而且對(duì)于回采工作面設(shè)備維護(hù)工人身安全的保證有著至關(guān)重要的作用。10308YF1 斷層于52#架揭露，以2 個(gè)液壓支架/個(gè)循環(huán)的速度向溜尾方向延伸，揭露斷層面后，斷層上盤部分頂煤較薄，出現(xiàn)片幫、漏頂。為防止漏頂加劇，提前在48#架支架頂梁上金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)隨斷層揭露向溜尾方向延展，始終保證金屬網(wǎng)覆蓋斷層面及其前后4 個(gè)支架范圍。在頂板冒落時(shí)，金屬網(wǎng)對(duì)冒落的巖石進(jìn)行有效攔截，達(dá)到堵漏的目的。施工金屬網(wǎng)時(shí)降下支架前梁，將綁有木板的金屬網(wǎng)鋪到支架前探梁上，然后再升緊支架前探梁，使網(wǎng)生根。當(dāng)頂板破碎，支架不允許降前探梁時(shí)，將單體支柱支在木板兩端頭，協(xié)助支架吃網(wǎng)。吃網(wǎng)后隨工作面拉移支架，開始按正常工序聯(lián)網(wǎng)。頂板破碎架前、架間漏矸區(qū)域敷設(shè)雙層金屬網(wǎng)。施工金屬網(wǎng)時(shí)，走向?qū)?，傾向搭接，搭接長(zhǎng)度0.3 m 以上；敷設(shè)雙層金屬網(wǎng)時(shí)，雙網(wǎng)魚鱗狀搭接，扣扣相連，每扣至少擰三圈。如圖2。

圖2 斷層區(qū)域施工金屬網(wǎng)示意圖

3.2.2 頂板破碎區(qū)域追頂支護(hù)

受斷層構(gòu)造影響，煤壁片幫、空頂面積增大，液壓支架無法對(duì)頂梁前方頂板進(jìn)行有效支撐，加劇了頂板破碎、冒落。因此，對(duì)因煤壁片幫而失去支撐的頂板進(jìn)行有效支護(hù)，是防治頂板冒落的有效措施。一是充分發(fā)揮液壓支架的支撐作用，頂板破碎處緊跟采煤機(jī)前部滾筒截割拉移支架。破碎區(qū)掉落浮煤矸較多，支架拉移受阻，則在超前支架拉移前將架前浮煤矸清理干凈，采用液壓?jiǎn)误w輔助推頂?shù)姆绞揭淮涡詫⒅Ъ芾频轿?，最大限度減少支架反復(fù)升降對(duì)頂板的影響。頂板冒落處或支架高度不足處，拉移支架時(shí)支架前梁下支設(shè)液壓?jiǎn)误w，防止降架時(shí)頂板隨之冒落或下沉，造成支架高度低難以過機(jī)。二是煤壁片幫頂板破碎區(qū)域，通過在支架頂梁穿工字鋼，利用工字鋼的延伸，縮短支架頂梁前端與煤壁之間的空頂面積。工字鋼沿工作面走向布置，每個(gè)液壓支架頂梁布置兩根3.5 m 工字鋼。拉移支架時(shí)，降架后先抽工字鋼，待工字鋼前端接觸至煤壁后，升架接頂。在支架前探梁與煤壁之間形成以工字鋼支撐、金屬網(wǎng)護(hù)表的聯(lián)合支護(hù)。

4 應(yīng)用效果分析

10309 工作面軌道順槽掘進(jìn)期間，受斷層構(gòu)造影響，頂板完整性差，出現(xiàn)巷道冒落，支護(hù)困難，給巷道安全快速掘進(jìn)造成極大困難。通過合理調(diào)采，單個(gè)采煤循環(huán)揭露斷層區(qū)域變小，頂板維護(hù)難度降低；在斷層影響區(qū)域兩側(cè)支架施工金屬網(wǎng)及工字鋼，使得斷層影響區(qū)域頂板得到有效支護(hù)，可最大程度減小空頂面積，杜絕因空頂導(dǎo)致頂板漏冒；控制截割傾角及采高，托頂煤截割，形成頂煤緩沖區(qū)域，降低煤機(jī)運(yùn)行對(duì)頂板的擾動(dòng)，通過拉移超前支架，托住頂煤，能以頂煤對(duì)頂板進(jìn)行有效支撐。以上措施根本在于減小空頂面積，縮短空頂時(shí)間，增大支護(hù)強(qiáng)度，降低擾動(dòng)影響，解決了斷層構(gòu)造導(dǎo)致的頂板管控難題。

5 結(jié)論

通過合理調(diào)采、控制采高、追頂支護(hù)等措施，使得斷層構(gòu)造影響區(qū)域頂板得到有效控制，工作面安全通過斷層構(gòu)造影響區(qū)域，未出現(xiàn)大面積漏頂、冒頂。