8307 綜采工作面端面破碎頂板支護(hù)技術(shù)

范佳鑫

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦，山西 大同 037031）

1 概述

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦8307 工作面位于三盤區(qū)西翼，工作面南北走向布置，工作面布置在山西組4#煤層中，南部為井田邊界，西部為未采區(qū)，東部為三盤區(qū)大巷，北部為西翼運(yùn)輸大巷。8307 工作面設(shè)計走向長度為1200 m，傾向長度為185 m，工作面沿4#煤層底板進(jìn)行布置，回采煤層總厚度為3.5 m，平均傾角為3°，煤層中含3～4 層夾矸，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體穩(wěn)定性差。煤層頂?shù)装鍘r性見表1?；夭蓞^(qū)域內(nèi)主要以中小斷層為主，根據(jù)順槽掘進(jìn)期間地質(zhì)資料來看，工作面回撤過程中預(yù)計揭露12 條斷層，平均落差為1.4 m，傾角為47°。

表1 8307 工作面回采的山西組4#煤層頂?shù)装鍘r性表

2 工作面端面破碎機(jī)理分析

2.1 回采現(xiàn)狀

目前8307 工作面已回采至720 m，工作面回采至712 m 處位于工作面尾部揭露F6 正斷層，斷層落差為1.9 m，傾角為52°，斷層從機(jī)尾向工作面中部依次揭露。當(dāng)工作面回采至718 m 處時工作面全部揭露斷層，工作面揭露斷層后斷層區(qū)頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，端面頂板破碎、斷裂、頂板承載強(qiáng)度降低，工作面煤壁受力大，煤壁片幫嚴(yán)重，端面距加大。工作面回采至720 m 處時，87#～119#支架前方端面距達(dá)1.7 m，煤壁最大片幫深度為2.4 m，片幫長度為19 m，液壓支架在端面破碎區(qū)支護(hù)時支護(hù)效果差。

2.2 端面破碎機(jī)理

（1）煤體穩(wěn)定性差。8307 工作面回采的4#煤層整體穩(wěn)定性、承載強(qiáng)度低，煤體最大抗壓強(qiáng)度為19 MPa，工作面回采時煤壁支撐強(qiáng)度低，位于煤壁側(cè)頂板先出現(xiàn)下沉、斷裂。

（2）地質(zhì)構(gòu)造影響。F6 侵入工作面煤體后，工作面上部為煤體，下部為泥巖及粗砂巖，位于巖體膠結(jié)面處煤體在構(gòu)造應(yīng)力作用下呈硅化現(xiàn)象，而且斷層加劇了裂隙帶范圍擴(kuò)大，增加圍巖破碎程度。

（3）支護(hù)單一。8307 工作面在回采過程中主要采用ZZG10000/20/38 型液壓支架進(jìn)行頂板支護(hù)，但是當(dāng)工作面揭露斷層后端面頂板破碎嚴(yán)重且端面距大，支架在端面破碎區(qū)進(jìn)行移架、升架難度大，支架頂梁出現(xiàn)不接頂現(xiàn)象，導(dǎo)致支架初撐力、工作阻力不足，支護(hù)相對單一滿足不了工作面回采需求。

3 端面破碎頂板支護(hù)技術(shù)[1-5]

3.1 注漿加固

注漿加固主要通過對端面破碎頂板施工注漿孔，高壓注入有機(jī)化學(xué)材料將破碎頂板進(jìn)行粘接，使破碎頂板二次重組，提高頂板承載強(qiáng)度。

（1）注漿鉆孔布置參數(shù)。工作面注漿采用雙孔注漿方式，每組兩個注漿孔，包括頂板孔（1#）和煤壁孔（2#）。頂板孔主要對端面頂板進(jìn)行加固，煤壁孔主要對煤壁進(jìn)行加固。頂孔深度為3.0 m，直徑為45 mm，鉆孔以60°仰角布置；煤壁孔布置煤壁上，距頂板間距為1.5 m，鉆孔深度為5.0 m，直徑為45 mm，鉆孔布置仰角為45°。每組鉆孔布置排距為3.0 m，斷層區(qū)共計布置10 組注漿鉆孔。

（2）注漿設(shè)備及注漿液：① 采用ZQSJ-90/2.4手持式鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為90 N·m，額定轉(zhuǎn)速為260 r/min；② 采用2ZBQ50/4 型氣動雙液注漿泵進(jìn)行注漿施工，注漿泵空氣用量為0.7 m3/min，注漿最大壓力為6.0 MPa；③ 注漿材料采用雙組分合成高分子——聚亞胺膠脂材料（馬麗散），采用高壓灌注。

（3）注漿工序：注漿鉆孔施工→安裝注漿軟管→安裝止?jié){塞→連接注漿泵→開泵注漿。注漿時注漿壓力由高到低，穩(wěn)定注漿壓力為2.0 MPa，穩(wěn)壓時間不得低于10 min。注漿完成后在相鄰兩個注漿孔之間施工驗證孔并取樣，分析注漿效果，若注漿不到位必須補(bǔ)孔重新注漿。

3.2 錨索吊棚施工

為了控制端面頂板圍巖松動圈出現(xiàn)蠕動變形、下沉，在端面頂板施工錨索吊棚進(jìn)行維護(hù)控制，如圖1。

（1）支護(hù)結(jié)構(gòu)。錨索吊棚采用玻璃鋼柔性錨棚材料，頂梁采用5 根長度為3.0 m、直徑為25 mm 玻璃圓鋼組成，圓鋼采用三組夾板進(jìn)行固定，圓鋼兩側(cè)端頭安裝護(hù)套，頂梁寬度為0.5 m。每架吊棚配套兩根長度為5.0 m、直徑為17.8 mm 預(yù)應(yīng)力錨索起吊。

（2）支護(hù)工藝。錨索吊棚施工在87#～119#支架前方頂板上，錨索吊棚與支架頂梁平行布置，吊棚布置間距為1.5 m，布置排距為1.0 m。工作面過斷層區(qū)時平均端面距在1.0 m 左右，所以工作面每割煤一刀后及時在支架前探梁前方0.3 m 處施工一排錨索吊棚。采煤機(jī)在斷層區(qū)割煤后進(jìn)行超前支護(hù)，超前移架，減小頂板受壓時間。

3.3 超前管棚支護(hù)

（1）支護(hù)目的。8307 工作面過斷層期間在煤壁前方形成集中應(yīng)力疊加區(qū)，圍巖在集中應(yīng)力作用下出現(xiàn)超前破碎、斷裂，破壞了圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)，工作面在回采時集中應(yīng)力向回采空間釋放，降低煤壁承載強(qiáng)度，造成煤壁片幫、垮落。超前支護(hù)是對超前應(yīng)力集中區(qū)施工管棚，形成人工管棚假頂，管棚在煤壁支撐作用下形成支撐效應(yīng)梁結(jié)構(gòu)，削弱集中應(yīng)力破壞作用。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)。超前管棚支護(hù)主要由一組長度為3.0 m、直徑為32 mm 中空鋼管組成，鋼管端頭為實芯銷尖狀，端頭銷尖長度為0.5 m，鋼管兩側(cè)均勻布置三排小孔，孔徑為10 mm，間距為0.3 m。

（3）支護(hù)工藝：① 首先采用ZQSJ-90/2.4 手持式鉆機(jī)配套長度為3.0 m 鉆桿以及直徑為35 mm“八字型”合金鋼鉆頭進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔布置在設(shè)計頂板下方0.3 m 處，鉆孔垂直煤壁布置，布置間距為1.5 m，如圖1 所示。② 鉆孔施工完后對鉆孔內(nèi)安裝超前管棚，在管棚外露段安裝JW 型鋼帶進(jìn)行固定。

圖1 8307 工作面端面破碎頂板支護(hù)平面示意圖（mm）

4 效果

當(dāng)前，8307 工作面已過F6 斷層區(qū)，該斷層對工作面影響回采長度為58 m，通過對斷層破碎區(qū)采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，取得了顯著應(yīng)用成效。

（1）通過雙孔注漿對端面破碎區(qū)圍巖以及煤壁進(jìn)行重組，增加了破碎圍巖摩擦角，提高了圍巖抗壓強(qiáng)度以及韌性，圍巖能夠起到有效的抗蠕動變形，延長了端面頂板承載梁結(jié)構(gòu)。

（2）傳統(tǒng)單錨索支護(hù)時形成的應(yīng)力梁對頂板應(yīng)力削弱力度小，錨索屬于柔性支護(hù)體，在支護(hù)過程中桿體易出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，通過安裝梯形梁一方面可以有效約束錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象，另一方面可以控制相鄰兩根應(yīng)力錨索之間圍巖在剪應(yīng)力作用出現(xiàn)破碎、垮落。

（3）對工作面煤壁施工超前管棚支護(hù)，解決了傳統(tǒng)錨桿（索）、支架支護(hù)時圍巖控制滯后性大等技術(shù)難題，實現(xiàn)了應(yīng)力區(qū)圍巖超前維護(hù)的目的，有效防止在多重應(yīng)力作用下出現(xiàn)頂板圍巖超前破碎垮落等現(xiàn)象。

（4）采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，工作面在后期回采中端面頂板破碎現(xiàn)象以及煤壁片幫現(xiàn)象得到了有效控制，端面最大控頂距在0.5 m 以下，煤壁最大片幫長度控制在4 m 以下，最大片幫深度控制在0.7 m 以下。