采煤工作面破碎頂板控制技術(shù)探究

王慧龍

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

引言

綜采采煤工作面的特殊性容易導(dǎo)致頂板破碎問題的發(fā)生，從而對井下作業(yè)的安全造成一定威脅。在實(shí)際的井下作業(yè)中，冒頂問題是破碎頂板中經(jīng)常出現(xiàn)的安全問題，對井下作業(yè)的安全造成很大的影響。雖然有時(shí)冒頂?shù)姆秶淮?，然而不進(jìn)行及時(shí)的處理會造成問題的不斷擴(kuò)大，對綜采工作面的安全造成很大的影響。所以在實(shí)際的工作中要加強(qiáng)對此問題的重視，采用破碎頂板控制技術(shù)來及時(shí)地處理和改善此問題，從而加強(qiáng)綜采工作面的安全性和穩(wěn)定性。

1 造成破碎頂板冒頂問題的原因

煤礦綜采工作面范圍內(nèi)處于破碎頂板位置的巖石具有強(qiáng)度低和整體性差的特點(diǎn)，并且嚴(yán)重缺乏穩(wěn)定性，這些問題在很大程度上給破碎頂板的維護(hù)造成很大的困難。通過對以往煤礦企業(yè)的井下作業(yè)實(shí)踐分析可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的坍塌事故都是由于破碎頂板出現(xiàn)冒頂問題而沒有進(jìn)行有效的處理所導(dǎo)致的，一旦出現(xiàn)坍塌事故會給企業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。通過對破碎頂板冒頂修復(fù)技術(shù)改進(jìn)在一定程度上減少了冒頂事故的出現(xiàn)。一般冒頂問題出現(xiàn)的范圍在1～2 個(gè)或者3～5 個(gè)支架范圍內(nèi)，然而冒頂問題仍然是坍塌事故發(fā)生的重要原因。與之前的冒頂問題相比，改進(jìn)后的技術(shù)對冒頂破碎頂板的防范范圍相對加大，要想將控制技術(shù)合理應(yīng)用到破碎頂板冒頂問題中，就需要企業(yè)對綜采工作面中出現(xiàn)冒頂?shù)脑蚝鸵?guī)律進(jìn)行分析和掌握。通過對以往發(fā)生事故的原因分析，斷層帶和褶皺帶是出現(xiàn)冒頂問題最多的區(qū)域，通過對這些地帶的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，這些區(qū)域容易出現(xiàn)下沉和裂縫發(fā)育不完善的問題，巖層受到上述影響而出現(xiàn)較為嚴(yán)重的破碎問題。頂煤和頂板的強(qiáng)度可以體現(xiàn)以上問題，所以頂板受到礦石的強(qiáng)大作用力而發(fā)生巖層破碎，有時(shí)破碎面呈現(xiàn)長度為幾米的塊狀，有時(shí)會呈現(xiàn)出粉末狀。

2 破碎頂板造成的影響

1）綜采工作面中很多區(qū)域的巖石受到擠壓會導(dǎo)致此處的頂板形成斷層，從而造成頂板的部位不完整性[1]。如此一來會使許多泥沙、碎石或者煤泥等物質(zhì)填充到斷裂的的巖縫中，斷層也由此變成滑面無法保證上層和下層巖石的附著。頂板之間相互分離改變了原來應(yīng)力場分布，因此在表面光滑的斷層周圍非常容易出現(xiàn)斷層。

2）由于地殼的運(yùn)動對頂板的完整性造成影響，當(dāng)巖石附近的地殼發(fā)生運(yùn)動之后會給巖石形成一定的外力而產(chǎn)生擠壓從而此區(qū)域會出現(xiàn)褶皺。而這些褶皺區(qū)域所殘余的應(yīng)力在很大程度上影響應(yīng)力場的分布，導(dǎo)致褶皺區(qū)域和向斜區(qū)域內(nèi)有大量的彈性能聚集，特別是較小的褶皺受到彈性力的影響會使此處的頂板布局出現(xiàn)冒頂問題。

3）由于煤層的擠壓影響了破碎頂板的完整性，煤層不斷帶給巖石擠壓作用力，而巖層或者煤層受到擠壓后會變薄，與此同時(shí)頂板受到煤層的擠壓后會出現(xiàn)許多的節(jié)理，而形成滑動面造成大部分的頂板出現(xiàn)嚴(yán)重的破碎，非常容易造成局部區(qū)域出現(xiàn)冒頂。巖石受到構(gòu)造的影響形成大小和形狀各異的巖塊，而這些巖塊具有獨(dú)立性所以局部容易出現(xiàn)冒頂?shù)默F(xiàn)象，甚至?xí)斐删植康拇竺绊?，一旦形成冒頂會使周圍巖石的強(qiáng)度嚴(yán)重降低，從而對綜采工作面造成嚴(yán)重的安全威脅。

3 破碎頂板頂板控制技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 鋪頂網(wǎng)與鐵錨桿控制技術(shù)的應(yīng)用

首先分析鋪頂網(wǎng)的作用。由于綜采工作面頂板出現(xiàn)破碎影響頂板的完整性，可以將金屬網(wǎng)鋪到支架頂梁上以此來保證的整體性。支架頂板梁上所鋪的金屬網(wǎng)規(guī)格為0.8 m×10 m，網(wǎng)格距為50 mm×50 mm。同時(shí)為了加強(qiáng)金屬網(wǎng)的硬度和彈性，采用Φ2.2 mm 冷拔絲當(dāng)作鋪頂網(wǎng)材質(zhì)，避免出現(xiàn)支架頂網(wǎng)對移架產(chǎn)生影響，對應(yīng)綜采工作面較好的區(qū)域可以鋪單網(wǎng)，而對于頂板破碎嚴(yán)重和受力較大的地段可以采用雙網(wǎng)，從而使金屬網(wǎng)的強(qiáng)度加大，避免出現(xiàn)移架問題或者頂板冒落而形成的撕網(wǎng)問題。其次，鐵錨桿控制技術(shù)的應(yīng)用分析。通過對工作面形成煤壁片幫的過程分析[2]，不管是構(gòu)造產(chǎn)生的裂隙問題還是受到采煤運(yùn)動的影響，一共有三種形式的片幫：其一，從若面向自由面的方式滑落；其次，隨著進(jìn)刀方向而出現(xiàn)冒落；其三，煤壁受到擠壓形成裂隙之后不斷向外部移動出現(xiàn)變形，達(dá)到一定的極限后滾落下來。然而這三種片幫方式中任何一種出現(xiàn)片幫運(yùn)動矢量都可能導(dǎo)致自由面的鉛體向下或者水平向外的現(xiàn)象。所以只有加強(qiáng)控制自由面煤體向下和向外的位移活動，促使切頂線從煤壁處慢慢地向采空區(qū)位置移動，從而移動到支架頂梁的后端，如此才能有效控制工作面發(fā)生側(cè)片幫和漏頂問題。在分析以上問題的同時(shí)也要考慮到采煤機(jī)具體作業(yè)問題，將木錨桿超前支護(hù)應(yīng)用到破碎煤體的支護(hù)中，如此一來將被動支護(hù)變成主動支護(hù)。

3.2 注漿加固工藝的分析

煤巖體化學(xué)注漿加固的原理是將化學(xué)漿液填充到頂板圍巖或者煤層出現(xiàn)的裂縫中，使圍巖或者煤層保持整體性，有效提升圍巖的整體承受能力，使圍巖更加的穩(wěn)定，從而綜采巷道內(nèi)的應(yīng)力處于平衡狀態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用到工作面回采過程中斷層的上下端頭和加固支護(hù)工作面的破碎頂板區(qū)域。這種化學(xué)漿液主要應(yīng)用的是波雷因化學(xué)材料。這種材料的粘合性和機(jī)械性非常的強(qiáng)，將其注入到縫隙中可使低粘度混合物在短時(shí)間內(nèi)在細(xì)小的縫隙中膨脹，從而對該區(qū)域進(jìn)行有效的加固并產(chǎn)生密封處理作用。將注漿孔設(shè)置到端頭的巷幫位置以及工作面的破碎帶煤區(qū)域，開口離頂板的距離為0.5 m，仰角的度數(shù)為20°，注漿孔的直徑和孔的深度分別為30 mm 和4 m。注射漿液的順序?yàn)椋簽榱吮苊庾{孔之間出現(xiàn)串漿現(xiàn)象，應(yīng)用間隔打眼的方式。每個(gè)注漿孔的注漿量為200 kg，具體的注漿量要根據(jù)實(shí)際情況靈活改動，注漿終止壓力為3～5 MPa。

3.3 挑順山梁與架走向梁工藝分析

采煤機(jī)截割煤完成后，出現(xiàn)的新煤層在短時(shí)間內(nèi)不會出現(xiàn)冒落的現(xiàn)象，但是當(dāng)支架卸載之后會出現(xiàn)冒落的現(xiàn)象。如此可以使用挑順山梁的方式，先將頂梁完整處的支架移出，在移架之前將1～2 根長度為3～4 m、直徑為180 mm 的木梁支護(hù)到平行工作面位置，以此來維護(hù)頂板的完整性，最后將頂板破碎處的支架移出。架走向梁的應(yīng)用方式，首先需要在煤壁頂板的位置挖出梁窩，之后走向梁的兩頭分別加到煤壁上支架的梁窩上。倘若煤壁容易出現(xiàn)片幫或者不適合挖窩梁，可以將一個(gè)臨時(shí)貼幫柱支設(shè)在煤壁的旁邊。

3.4 架走向棚工藝的應(yīng)用分析

如果工作面出現(xiàn)破碎頂板的現(xiàn)象就表明冒落的范圍較大，這時(shí)不適合用挑順山梁的方法進(jìn)行支護(hù)，此時(shí)的頂板也不具備放順山梁的條件?？梢詫⒁涣憾蛘咭涣喝淖呦蚺镌谙噜彽闹Ъ荛g進(jìn)行超前支護(hù)，之后將1 架或者2 架順山抬棚支護(hù)架設(shè)到走向棚下。順山棚可以同時(shí)托住3 架走向棚梁[3]，最后可以將頂板下的順山抬棚和走向棚移出，支架在順山梁和走向梁的保護(hù)下完成前移。通過對某綜采工作面回采過程分析發(fā)現(xiàn)符合頂板的完整性不穩(wěn)定，當(dāng)頂板具有較好的完整性時(shí)可以選用前述頂板管理技術(shù)，如果出現(xiàn)頂板裸露就需要加強(qiáng)支護(hù)，從而形成良好的控制效果。然而對于膠結(jié)程度較低的復(fù)合型破碎頂板，這種管理工藝比較被動所以效果不佳。這是因?yàn)槠扑轫敯宓哪z結(jié)程度低一旦出現(xiàn)裸露現(xiàn)象就會造成巖石流動，這種現(xiàn)象很難進(jìn)行支護(hù)控制，就會形成嚴(yán)重的冒頂事故，對綜采工作面的生產(chǎn)安全形成很大的影響。通過對以往問題分析采用破碎頂板控制支護(hù)方式最為有效合理。對于頂板固結(jié)較好的位置可以應(yīng)用上述管理方式，而對于破碎程度嚴(yán)重的地段可以采用注漿固化頂板支護(hù)技術(shù)進(jìn)行控制。對移架工藝進(jìn)行合理的調(diào)整，在割煤之前支護(hù)和輸送機(jī)之間要留出一個(gè)截深的距離，當(dāng)割煤之后需要對頂板進(jìn)行移架支護(hù)并且要求一次性完成移架。當(dāng)頂板破碎嚴(yán)重或者煤壁出現(xiàn)較為嚴(yán)重的片幫問題時(shí)，可以采用超前移架的工藝，在割煤之前要進(jìn)行移架完成超前支護(hù)。

4 結(jié)語

通過本文對控制技術(shù)的分析發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以應(yīng)用到采煤工作面回采過程中的不同時(shí)期和不同區(qū)域，并且對于整個(gè)回采過程都比較適用，可以有效保證破碎頂板的完整性和穩(wěn)定性，并且有效提高了綜采工作面的單產(chǎn)水平。通過對以上應(yīng)用方式分析，將其應(yīng)到工作面破碎頂板中可以有效控制住前者對回采工作面產(chǎn)生的影響，在很大程度上控制了破碎頂板的整體性，并且有效保證了工作面開采任務(wù)的完成，在很大程度上為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。