淺談大采高綜采工作面對頂板的控制

陳泓旭

（太原理工大學，山西 太原 030000）

紅柳煤礦是神華寧夏煤業集團鴛鴦湖礦區的主要礦井之一，井田面積79.55km2，礦井設計生產能力8M/a，設計服務年限99a。目前實際生產能力6.5M/a，主要開采2＃煤層，該煤層全區發育，大部可采，平均厚度4.91m。實踐表明工作面采高加大，煤壁更易片幫造成支架端面距加大，從而大大增加了工作面出現冒頂的幾率，特別是像紅柳煤礦這樣頂板是以砂巖和泥巖為主的復合型頂板，遇水易變軟泥化，且煤層節理發育完全，在回采工程中片滑現象嚴重。一旦工作面冒頂，嚴重影響綜采效率的發揮，并且在處理冒頂時往往會對人身造成傷害。要確保煤礦生產安全，加強頂板管理是杜絕安全生產事故發生的關鍵。本文以I010202綜采工作面為例進行分析，對大采高綜采工作面的頂板管理提出了一些措施和方法。

1 I010202綜采工作面地質概況

I0102020綜采工作面所回采的2＃煤內生裂隙較發育，部分裂隙被方解石和黃鐵礦充填，煤中常見黃鐵礦結核。平均真密度為1.42～1.49t/m3，平均視密度為1.31～1.36t/m3。煤為條帶狀結構，層狀構造。宏觀煤巖成分以暗煤、亮煤為主，夾少量鏡煤條帶和絲炭薄層。為穩定的厚煤層，煤層局部含一層厚度0.04m左右的夾矸。煤層沿走向及傾向均存在一定變化。煤層中節理發育，頂板巖石較破碎，煤壁易片幫、頂板易冒落。

煤層基本頂為粗砂巖，厚18.86m，灰白色，含石英小礫石，泥質膠結，膠結程度較差，較松散，遇水振蕩或手捻可散；直接頂：細砂巖、泥巖，厚6.15m，灰白色、灰色、細粒砂巖和粉砂巖泥巖組成的復合型頂板，波狀層理，遇水變軟；偽頂為碳質泥巖，厚度0.10m，灰黑色，薄層狀，遇水變軟，易脫落。直接底為粉砂巖，厚度4.26m，灰色，灰褐色，具斜層理，遇水變軟；老底為泥巖，厚度2.42m，灰色，薄層狀，中夾粉砂巖，成互層狀，見滑面。

2＃煤老頂的直羅組下段粗砂巖孔隙裂隙含水層是影響本井田的主要含水層，工作面回采后該含水層的水會通過采動裂隙涌入工作面采空區。預計工作面的正常涌水量為150m3/h，涌水量形式以老空涌水及工作面淋水為主，工作面下端頭段為重點出水區域，隨著工作面的推進，周期性來壓，老頂將大面積垮落，導通離層水，最大涌水量850m3/h，不排除瞬時突水的可能性。

2 I010202綜采工作面概況

2.1 I010202綜采工作面主要技術參數

工作面走向長1616.8m，傾斜長305.5m，煤層厚4.5～6.1m，平均煤厚5.4m，傾角1°～15°，平均傾角8°，工作面大部處于馬家灘背斜軸部及兩翼，背斜東翼總體呈現由南向北傾斜的形態，西翼總體呈現由東向西傾斜的形態，煤巖層沿走向及傾向均有一定的起伏變化，對回采有一定影響。工作面開采2＃煤一次采全高，仰斜開采，采用走向長壁綜合機械化采煤方法，工作面沿頂留底推進，正常采高5.0m，循環進度0.865m。

2.2 巷道布置及特征

工作面為一進一回布置，兩巷相互平行，東側的巷道做為回風巷為拱形斷面采用錨網噴支護，上凈寬2400mm，下凈寬4800mm，凈高3997mm；西側的巷道做為運輸巷為異矩形斷面采用錨網索噴支護，凈寬5200mm，凈高3850mm。

2.3 設備配套情況

工作面采用上海天地生產的MG-900/2245-GWD采煤機，鄭州煤機廠生產的ZY10000/28/62D掩護式液壓支架，張家口煤機廠生產的SGZ1250/2565型刮板輸送機 、SZZ1350/525型轉載機和PCM525型錘式破碎機。ZY10000/28/62D掩護式液壓支架主要技術參數：支撐高度2.8m～6.2m；支護強度 1.03～1.06Mpa；最大工作阻力 10000KN。

2.4 工作面頂板來壓情況

通過對I010202綜采工作面回采期間頂板壓力觀測，直接頂初次來壓步距75m，直接頂第一次來壓步距為65m，第二次來壓步距為62m，第三次來壓步距為58m，第四次來壓步距為56m，第五次來壓步距為53m，平均來壓步距為58m。

3 I010202工作面及運輸巷回采過程中頂板情況

I010202綜采工作面風、機兩巷平均推進至785.5m，通過中部回撤通道時，下出口至運輸巷頂板突然下沉，下沉段36m，運輸巷高度降至2.6m，因壓力大，下端頭支架前梁低頭，擠壓至刮板運輸機弧形檔煤板；工作面2＃到5＃支架前冒頂，最大冒落高度12m；67＃至78＃支架和93＃至97＃支架頂板冒頂，回撤通道南翼巷道鼓包變形；79＃至92＃支架段回撤通道頂板整體垮落。根據工作面現場情況，在運輸巷先后采取了挑頂、起底、架設抬棚、增加密集帶帽點柱、打設錨索托梁，并在工作面注膠等方法通過頂板下沉、冒落區域。

4 頂板下沉、冒落原因分析

（1）煤層頂板為碳質泥巖、細砂巖松軟破碎，對于一次采全高的大采高工作面，更容易片幫，大范圍的片幫往往會造成大面積的空頂。片幫是誘發頂板冒落的重要因素。

（2）受工作面前方中部回撤通道壓力變化的影響，煤層、頂板在構造應力的作用下受擠壓破壞，表現為頂板離層、破碎、冒落。

（3）過中部回撤通道時，工作面一次性貫通回撤通道過長，支架支護難度大，支護不及時極易造成冒頂。

（4）周期來壓顯現，受其影響，頂板易破碎、下沉，煤層節理大、片幫嚴重。

（5）下端頭前，運輸巷內巷道寬8m，高5m（原第二部皮帶機頭），斷面積過大，巷道頂板支護困難，整體下沉，影響工作面正常回采進度，造成前方壓力集聚。

5 控制頂板下沉、冒落的方法

5.1 工作面頂板

（1）支架及時支護，提前采煤機前滾筒架收護幫板，割煤后距采煤機1～2架及時打護幫板，采用帶壓擦頂，超前移架的方式，以減少因采動影響、煤壁片幫產生的大塊煤。保證支架初撐力達到規定的要求，控制頂板下沉量。

（2）支架盡量保持頂梁水平，避免出現低頭或高射炮現象，否則會造成支架切頂線前移，造成頂板在煤幫垮落，難以控制頂板。

（3）推移刮板輸送機、拉架要一次到位，盡量減少拉架頻次，減少拉架對頂板的破壞。

（4）嚴格控制工作面的采高和偽斜。將采高控制在4.5m以下，減少煤壁片幫對頂板壓力的影響，同時將偽斜控制在10～15m，避免偽斜過大對煤壁的影響。

（5）采用雙向割煤工藝，加快工作面推進速度，減小了工作面頂板壓力的影響，縮短了頂板的空頂時間，為安全生產創造良好的條件。

（6）在工作面頂板破碎、冒落段注膠對頂板和煤壁進行加固，防止冒落范圍擴大。根據實際情況，確定注膠的眼孔深度、角度、眼距、布置位置。

5.2 下端頭及運輸巷頂板

（1）采用人工和爆破的方式挑頂，使運輸巷頂板的高度可以讓下端頭順利推過，保證工作面正常的回采速度。在頂板破碎時，先在頂板注膠加固后，再進行挑頂工作。

（2）使用風鎬對運輸巷進行起底，增加運輸巷的高度使下端頭可以正常推進，但根據I010202工作面現場實踐證明，當底板巖性松軟時，起底后會使端頭支架鉆底嚴重，使支架支護頂板和正常推進更困難。

（3）將運輸巷超前支護形式變為架設“一梁三柱”抬棚，并根據現場情況縮小棚距（不大于400mm），延長超前支護距離（50m），確保超前支護質量。在運輸巷超前距離外，頂板尚未下沉段增加密集帶帽點柱和打設錨索托梁，提前做好頂板支護。

（4）改造端頭支架，在端頭支架頂梁上沿走向焊接“∏型鋼梁”，增加端頭支架對運輸巷的支護范圍。

（5）打貼幫柱，在支架護幫板下支設1顆單體支柱。將離層、冒落的矸石擠在支架頂梁上，盡量防止大塊煤矸冒落，減少處理大塊的時間，同時促使支架前段頂板垮落程度減小。

（6）引進大采高綜采面超前支護支架。其優點是：

①實現超前支護機械化，提高工作效率和安全性。

②控制兩巷受采動影響的頂板下沉、冒頂。支架對巷道圍巖控制能力強，尤其在頂板破碎處應用超前支護支架，可以大大減少架棚數量。

③與端頭支架及轉載機、破碎機等設備實現協調推進，滿足高產高效工作面對端頭設備快速推移的要求。

6 結論

技術措施完善可行是頂板管理的基礎，生產現場管理到位是搞好頂板管理的保證，職工安全意識高低是頂板管理的關鍵，這三個環節環環相扣，缺一不可。冒頂事故的發生是有條件的，也是有規律的，將頂板管理建立在科學基礎上，絕大多數頂板事故是可以避免的。