薄煤層綜采工作面頂板控制技術(shù)應(yīng)用

＊王 征

（山西焦煤汾西礦業(yè)香源煤業(yè) 山西 030500）

煤礦是人們生產(chǎn)和生活中不可或缺的能源，也是工業(yè)發(fā)展的重要燃料。而在煤礦開采過程中，頂板控制技術(shù)具有非常重要的作用，尤其是在工作面開采過后，兩端頭的頂板管理更是重點(diǎn)，頂板隨采隨落，可以減少懸頂面積，有效防止采空區(qū)漏風(fēng)及煤與瓦斯事故的發(fā)生。

1.基本概況

(1)工作面井上下位置關(guān)系及基本情況

3207保護(hù)層綜采工作面對(duì)應(yīng)地面位置：北面距關(guān)王廟350m，南面距馬莊村900m，西面距磁窯河1120m，東面距百草溝梁555m，地表標(biāo)高為1312～1535m，蓋山厚度為652～827m，井田內(nèi)溝谷縱橫地形復(fù)雜，溝谷縱橫地面部分地段被第四系黃土覆蓋，除部分果樹和農(nóng)田外，無其它建筑物設(shè)施。

3207保護(hù)層工作面位于三采區(qū)北翼，南面為三采區(qū)開拓大巷煤柱,東面為3205保護(hù)層工作面（已采），西面為3209保護(hù)層工作面，工作面標(biāo)高為656～706m。

3207保護(hù)層工作面由3207保護(hù)層運(yùn)輸巷、3207保護(hù)層材料巷、3207保護(hù)層切割巷、3207保護(hù)層回風(fēng)巷（3209保護(hù)層運(yùn)巷）構(gòu)成完整的生產(chǎn)系統(tǒng)。3207保護(hù)層材料巷與西翼軌道巷聯(lián)通，構(gòu)成進(jìn)風(fēng)、行人、運(yùn)料系統(tǒng)；3207保護(hù)層運(yùn)輸巷從西翼軌道巷開口，用于工作面輔助進(jìn)風(fēng)以及人員行走和運(yùn)煤、運(yùn)料系統(tǒng)；工作面回風(fēng)通過工作面經(jīng)3207保護(hù)層留巷、3207保護(hù)層回風(fēng)巷與三采回風(fēng)巷聯(lián)通，構(gòu)成回風(fēng)系統(tǒng)。

工作面開采02#煤，02#煤為二疊系下統(tǒng)山西組煤層，02#煤厚0.5～0.8m左右，平均厚度0.73m，是井田較穩(wěn)定地段，煤層結(jié)構(gòu)簡單，工作面大部分穩(wěn)定可采，黑色，屬中灰、低中硫的焦煤，煤層傾角為6°～21°，平均傾角13°。

(2)頂?shù)装迩闆r

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

2.工作面材、運(yùn)兩巷超前支護(hù)及端頭支護(hù)方式

(1)材、運(yùn)兩巷超前支護(hù)

①超前支護(hù)距離：兩巷超前支護(hù)距離從工作面煤壁向外支護(hù)范圍不得小于30m，架設(shè)超前支護(hù)安排在檢修班進(jìn)行，所架設(shè)長度不少于次日兩個(gè)生產(chǎn)班的推進(jìn)距離。

②兩巷超前支護(hù)方式及參數(shù)：材巷超前支護(hù)采用單體支柱配合π梁構(gòu)成“一梁三柱”的形式垂直于巷道居中布置，π梁梁頭距東、西側(cè)幫0.3m，架設(shè)單體液壓支柱兩側(cè)距梁頭200mm，中柱距兩側(cè)支柱1600mm，排距1000mm。

運(yùn)巷超前支護(hù)采用單體支柱配合π梁構(gòu)成“一梁三柱”的形式垂直于巷道靠西側(cè)布置，π梁西側(cè)梁頭距西側(cè)幫0.2m。超前支護(hù)支設(shè)后π梁梁頭距離東側(cè)巷幫大于0.5m（為1.0m），剩余空頂范圍使用單體液壓支柱配合0.8mπ梁（或柱帽）垂直巷道居中支護(hù)。架設(shè)單體液壓支柱兩側(cè)距梁頭200mm，中柱距兩側(cè)支柱1600mm，排距1000mm。

支設(shè)過程中，受現(xiàn)場條件影響時(shí)，支柱間距可做適當(dāng)調(diào)整。對(duì)于兩巷頂板破碎區(qū)域，兩巷超前支護(hù)排距縮小為0.5m。

(2)材、運(yùn)兩巷端頭支護(hù)

①材巷端頭采用對(duì)梁邁步式進(jìn)行支護(hù)，由單體支柱和π梁構(gòu)成的“一梁三柱”。梁錯(cuò)距0.6m，同步梁中心距0.8m，異步梁中心距0.2m。工作面正?；夭善陂g，根據(jù)端頭支護(hù)段寬度調(diào)整，每當(dāng)距離超過或減少0.8m時(shí)，增設(shè)或減少一對(duì)邁步梁進(jìn)行支護(hù)，靠近支架的對(duì)梁與支架間距不得超過0.5m。

②運(yùn)巷端頭支護(hù)方式為：隨工作面推進(jìn)向留巷內(nèi)推移，原超前支護(hù)π型梁支護(hù)不變。運(yùn)巷端頭支護(hù)π型梁梁頭未能被1#支架頂梁挑住時(shí)，正常進(jìn)行“一梁三柱”支設(shè)。當(dāng)受設(shè)備影響，操作空間不足時(shí)，靠近支架側(cè)單體支柱采用抬棚方式進(jìn)行支護(hù)，采用對(duì)梁距離端頭支護(hù)梁頭0.2m處進(jìn)行抬棚，每根抬棚梁端0.2m處支設(shè)一根支柱，中間支設(shè)一根支柱，構(gòu)成一梁三柱；1#支架距原巷道支護(hù)π梁東側(cè)梁頭寬度W≤0.5m時(shí)，可不進(jìn)行支護(hù)；當(dāng)W＞0.5m時(shí)，增設(shè)一對(duì)邁步梁進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)與材巷端頭支護(hù)一致。現(xiàn)場受設(shè)備等因素影響時(shí)，支柱間距可做適當(dāng)調(diào)整，保證柱間距滿足安全行人要求（0.8m）。

3.工作面兩巷、留巷頂板控制技術(shù)

3207保護(hù)層工作面采用高水速凝充填沿空留巷技術(shù)，同時(shí)為保證兩端頭頂板及時(shí)垮落，運(yùn)巷采用水力切頂預(yù)裂技術(shù)使得回采期間運(yùn)巷落山側(cè)頂板及時(shí)垮落，材巷采用高效無聲破碎劑使得材巷頂板及時(shí)垮落。

(1)水力切頂預(yù)裂技術(shù)

①預(yù)裂方案

A.水力預(yù)裂鉆孔布置

a.根據(jù)工作面煤層柱狀情況，設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)：設(shè)計(jì)鉆孔深度為30m，孔間距為6～8m（根據(jù)現(xiàn)場預(yù)裂效果進(jìn)行調(diào)整），仰角為50°，方位角25°。b.預(yù)裂位置：運(yùn)巷鉆孔預(yù)裂范圍13～29m，鉆孔采用倒退式預(yù)裂，平均每3m預(yù)裂一次（頂板堅(jiān)硬時(shí)，調(diào)整為每2m預(yù)裂一次），單孔預(yù)計(jì)預(yù)裂7～9次。c.鉆孔設(shè)備：鉆孔施工采用ZYJ-400/270型鉆機(jī)，鉆桿為長度1.0m的Φ42mm鉆桿，采用Φ75mm鉆頭。d.封孔、預(yù)裂設(shè)備：封孔、預(yù)裂采用3BZ4.6/60-90型高壓注水泵，配合ZS1.5m的注水鋼管、密封件及FKss-50/20封孔器。

B.預(yù)裂要求

a.采用后退式單孔多次預(yù)裂，預(yù)裂次數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場窺視效果進(jìn)行調(diào)整。若頂板出現(xiàn)異響和大面積出水，需及時(shí)停止預(yù)裂。b.預(yù)裂時(shí)，高壓泵調(diào)定初始?jí)毫?5MPa；預(yù)裂時(shí)間不小于30min，根據(jù)現(xiàn)場水壓變化情況和附近錨桿、鉆孔的出水情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。c.施工鉆孔和預(yù)裂鉆孔可當(dāng)班同時(shí)進(jìn)行，以提高水力切頂預(yù)裂效率。

C.施工要求

a.施工作業(yè)前，先檢查頂板，確認(rèn)頂板支護(hù)安全后，方可開鉆作業(yè)。b.施工期間，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工。c.施工期間產(chǎn)生積水、煤渣，必須及時(shí)排水和清理。d.施工的鉆孔要做好平、直工作，盡量呈一條直線，使得封孔器可以順利穿入孔內(nèi)實(shí)施預(yù)裂。e.鉆孔時(shí)要嚴(yán)格按照既定的方位、角度進(jìn)行施工，保證預(yù)裂范圍及層位。f.預(yù)裂過程中，安排專人設(shè)警戒，并隨時(shí)關(guān)注附近頂板出水情況，發(fā)現(xiàn)大量漏水情況停止預(yù)裂，若無大量漏水情況，預(yù)裂時(shí)間不少于30min。g.預(yù)裂過程中，留設(shè)專人隨時(shí)關(guān)注作業(yè)地點(diǎn)附近支護(hù)情況，如出現(xiàn)錨桿（索）斷裂或其他異常情況，立即停止預(yù)裂，并采取臨時(shí)支護(hù)，設(shè)警戒，匯報(bào)調(diào)度指揮中心和生產(chǎn)技術(shù)部，采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。h.封孔器及注水管卸壓時(shí)間不少于8min。

②水力預(yù)裂工藝流程

A.預(yù)裂組成

頂板水力預(yù)裂包括封孔、高壓水預(yù)裂、保壓注水、預(yù)裂監(jiān)測等主要工序，該預(yù)裂系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：靜壓水進(jìn)水管路、高壓水泵、注水管、蓄存預(yù)裂介質(zhì)水和油的儲(chǔ)能器、高壓泵、高壓注水膠管、高壓封孔器、壓力流量監(jiān)測儀。a.封孔器：由中心管和封隔器膠筒組成水路通道。封孔器連接高壓膠管，高壓水經(jīng)由高壓膠管封孔器膠筒中，兩節(jié)膠筒膨脹與周圍巖孔封閉，封孔器連桿拉住兩節(jié)膠筒，防止膠筒周圍與鉆孔發(fā)生位移，待兩節(jié)膠筒之間形成密閉空間后，高壓水通過中心管進(jìn)行到密閉腔體內(nèi)，對(duì)鉆孔進(jìn)行預(yù)裂。b.注水管：注水管每根長度為1.5m，采用螺紋扣連接方式，螺紋扣安設(shè)“O”形圈進(jìn)行密封，注水管一是可以將封孔器送至預(yù)裂位置，二是作為預(yù)裂過程中的加壓通道。c.高壓水泵：高壓水泵可定壓力為60MPa，用于給靜壓水加壓形成高壓水，預(yù)鉆孔進(jìn)行水力預(yù)裂，該泵需要由專業(yè)人員操作。d.預(yù)裂時(shí)先對(duì)封孔器進(jìn)行注入高壓水，待達(dá)到12～16MPa左右時(shí)，停止加壓，關(guān)閉截止閥鎖住高壓水壓力，然后對(duì)中心管加注高壓水進(jìn)行預(yù)裂，即進(jìn)入保壓階段。此階段鉆孔周圍在高壓水作用下不斷產(chǎn)生新的裂紋，通過安設(shè)的流量計(jì)和壓力表，對(duì)頂板預(yù)裂情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

B.預(yù)裂工藝

a.采用ZYJ-400/270型鉆機(jī)施工鉆孔。b.為封隔器加壓使膠筒膨脹，達(dá)到封孔目的。c.連接高壓泵實(shí)施預(yù)裂。封孔壓力為12～16MPa，保證連接處密封完好，試壓達(dá)到要求后投入使用。

③施工工序

A.工序。進(jìn)入作業(yè)地點(diǎn)進(jìn)行瓦斯檢查→施工前安全確認(rèn)→鉆孔布置→鉆孔→預(yù)裂→窺視→竣工驗(yàn)收。

B.預(yù)裂工序

a.先將注水鋼管連接并將封孔器送至鉆孔預(yù)裂位置，然后對(duì)封孔器進(jìn)行加壓，待壓力達(dá)到12～16MPa后停止加壓，觀察壓力表顯示壓力是否下降，若不下降即為封孔器正常工作。b.在距離預(yù)裂位置20m范圍內(nèi)設(shè)警戒，預(yù)裂期間，除作業(yè)人員外，其他人員禁止通行。c.利用高壓泵對(duì)封孔器封閉空間加注高壓水，待壓力表至22～25MPa左右，進(jìn)入保壓階段，待鉆孔附近出現(xiàn)大量漏水情況即預(yù)裂完成。

(2)沿空留巷技術(shù)

沿空留巷充填體位置選擇在機(jī)頭采空側(cè)支架后方，充填包規(guī)格采用：長×寬×高=4m×2.7m×3m、長×寬×高=5m×2.7m×3m，保證充填后充填墻距原巷道西側(cè)幫凈寬為4.5m。

在工作面機(jī)頭割煤之后，返刀至工作面25架，然后停止生產(chǎn)，閉鎖刮板輸送機(jī)及采煤機(jī)，在施工頂錨桿區(qū)域敲幫問頂并進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)后再進(jìn)行錨網(wǎng)帶支護(hù)。在工作面機(jī)頭頂板采用Ф22mm×1700mm的螺紋鋼錨桿，每個(gè)錨桿使用兩支錨固劑（K2355在上，Z2355在下），從巷道煤幫處的角錨桿開始每隔0.8m垂直巷道輪廓線施工一根錨桿，每排4根（頂板破碎時(shí)增加為5根），排距0.8m，頂錨桿錨固力為140kN，扭距為300N·m；配合2.7m的W鋼帶壓網(wǎng)，頂板破碎時(shí)W鋼帶長度延長為3.5m，新鋪設(shè)的頂鋼帶距原運(yùn)巷鋼帶0.5m。鋪網(wǎng)規(guī)格為：留巷側(cè)順巷道鋪設(shè)礦用阻燃抗靜電鋼塑復(fù)合網(wǎng)（規(guī)格為：4.5m×0.9m），采空區(qū)側(cè)垂直巷道鋪設(shè)六菱形金屬網(wǎng)（規(guī)格為：3.5m×0.9m）。鋼塑復(fù)合網(wǎng)短邊沿東西方向布置，留巷側(cè)長邊與運(yùn)巷頂網(wǎng)（運(yùn)巷頂網(wǎng)與幫部金屬網(wǎng)斷開拆除）搭接距離為0.2m，采空區(qū)（留墻上方）側(cè)長邊與金屬網(wǎng)短邊搭接距離為0.1m；相鄰鋼塑復(fù)合網(wǎng)短邊搭接距離為0.1m。所有搭接均使用16#鉛絲聯(lián)網(wǎng)，扣距不大于0.2m。聯(lián)網(wǎng)絲均使用長度為0.4m的16#鉛絲雙股對(duì)折，扭結(jié)不少于3圈。聯(lián)網(wǎng)絲外露部分朝南插入網(wǎng)內(nèi)，鋼塑復(fù)合網(wǎng)短邊搭接不得與相鄰兩側(cè)金屬網(wǎng)網(wǎng)絲接觸。

支設(shè)柔模時(shí)使用Ф20mm×2700mm的對(duì)拉錨桿穿過柔模兩側(cè)的吊掛孔，對(duì)拉錨桿的兩側(cè)使用和螺帽配合的鐵餅、梯子梁固定并緊固。

沿空留巷時(shí)，巷旁充填采用高水速凝充填材料。該材料由甲料、乙料兩種組分構(gòu)成，甲料、乙料以重量比1:1配合使用。其中甲料是以硫鋁酸鹽水泥熟料為基材，與懸浮劑及少量超緩凝劑混磨而成，乙料是由石灰、石膏、懸浮劑和復(fù)合速凝早強(qiáng)劑等混磨而成。高水速凝材料出廠后分為甲料和乙料兩部分，要求甲料和乙料兩部分必須等液進(jìn)漿，混合均勻，其強(qiáng)度才能達(dá)到最大。

為確保支設(shè)柔模期間頂板控制及人員安全，在支設(shè)柔模前對(duì)充填區(qū)域內(nèi)的“一梁三柱”由里向外逐排進(jìn)行替換，先緊貼原支護(hù)π型梁逐架依次支設(shè)兩根戴帽點(diǎn)柱，點(diǎn)柱間距2.5m，排距1.0m，并在采空區(qū)側(cè)使用原木點(diǎn)柱對(duì)單體支柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，原木點(diǎn)柱間距1.0m，支設(shè)在單體支柱之間，作為柔模兩側(cè)點(diǎn)柱，之后方可對(duì)原支護(hù)進(jìn)行拆除。

充填完畢后，對(duì)充填包上部接頂不嚴(yán)地點(diǎn)使用混凝土進(jìn)行填實(shí)，并及時(shí)對(duì)充填墻與頂板間的縫隙進(jìn)行抹水泥封堵，保證充填墻體不漏風(fēng)。

(3)高效無聲破碎劑預(yù)裂頂板技術(shù)

①鉆孔與巷道頂板進(jìn)行垂直布置。

②鉆孔間、排距300mm×300mm，現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際破碎效果間、排距進(jìn)行微調(diào)，孔徑40mm，孔深500～800mm（鉆孔深度根據(jù)底板巖厚度設(shè)計(jì)），每排鉆孔布置呈一條直線。

③破碎劑充填工藝

A.攪拌：先將按破碎劑重量比為28%～35%的水倒入容器中，然后加入破碎劑，用機(jī)械或手工（用手?jǐn)嚢枰飨鹉z手套）攪拌成具有流動(dòng)性的均勻漿體。B.充填：填孔之前必須將孔清理干凈，不得有水和雜物，充填作業(yè)采用直接灌入法逐個(gè)進(jìn)行充填。充填完成后將孔口搗實(shí)并用廢舊皮帶蓋嚴(yán)。充填深度為孔深的95%，攪拌后的破碎劑必須在10min內(nèi)充填至孔內(nèi)。

4.效果分析

通過對(duì)3207保護(hù)層工作面頂板情況的觀測分析，工作面機(jī)頭、機(jī)尾頂板隨著工作面開采均能隨采隨落，同時(shí)水力切頂預(yù)裂頂板切斷了留巷與采空區(qū)頂板的連接，切斷了采空區(qū)側(cè)懸臂梁，減小了巷道對(duì)充填體的壓力，提高了留巷效果。