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(yè)集團鴛鴦湖礦區(qū)的主要礦井之一，井田面積79.55km2，礦井設計生產(chǎn)能力8M/a，設計服務年限99a。目前實際生產(chǎn)能力6.5M/a，主要開采2＃煤層，該煤層全區(qū)發(fā)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(xiàn)冒頂?shù)膸茁?，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(jié)理發(fā)育完全，在回采工程中片滑現(xiàn)象嚴重。一旦工作面冒頂，嚴重影響綜采效率的發(fā)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(chǎn)安全，加強頂板管理是杜絕安全生產(chǎn)事故發(fā)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(fā)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(wěn)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(jié)理發(fā)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?shù)闹绷_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(qū)。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(qū)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(shù)

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(xiàn)由南向北傾斜的形態(tài)，西翼總體呈現(xiàn)由東向西傾斜的形態(tài)，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(huán)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(wǎng)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(wǎng)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(chǎn)的MG-900/2245-GWD采煤機，鄭州煤機廠生產(chǎn)的ZY10000/28/62D掩護式液壓支架，張家口煤機廠生產(chǎn)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(shù)：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?shù)谝淮蝸韷翰骄酁?5m，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(jù)工作面現(xiàn)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(qū)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)，受其影響，頂板易破碎、下沉，煤層節(jié)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?；夭蛇M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(chǎn)生的大塊煤。保證支架初撐力達到規(guī)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(xiàn)低頭或高射炮現(xiàn)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(chǎn)創(chuàng)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(jù)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(jù)I010202工作面現(xiàn)場實踐證明，當?shù)装鍘r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?yōu)榧茉O“一梁三柱”抬棚，并根據(jù)現(xiàn)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(yōu)點是：

①實現(xiàn)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(shù)量。

③與端頭支架及轉載機、破碎機等設備實現(xiàn)協(xié)調推進，滿足高產(chǎn)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(chǎn)現(xiàn)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(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，缺一不可。冒頂事故的發(fā)生是有條件的，也是有規(guī)律的，將頂板管理建立在科學基礎上，絕大多數(shù)頂板事故是可以避免的。