綜采工作面極破碎頂板的超前主動支護實踐

許 起 閆左峰 劉新會

（1.山西煤炭進出口集團煤業管理有限公司，山西 太原 030006；2.陽煤集團碾溝煤業有限公司，山西 清徐 030400）

在綜采工作面回采作業過程中，由于受客觀因素的影響，經常遇到頂板破碎的問題，威脅到作業安全，特別是在斷層、陷落柱等地質構造區域和周期來壓期間，破碎頂板很容易冒落，造成冒頂現象，安全隱患極大，如果在初期引不起足夠重視，或得不到及時有效的處理，將會給生產和安全帶來難以預料的影響[1]，基于此，必須積極尋求合理有效的破碎頂板控制技術，盡可能降低安全隱患，將頂板事故盡可能消滅在萌芽狀態。目前，對于回采工作面的極破碎頂板，通常采用注射馬麗散進行加固，但由于其成本過高，在煤炭形勢日益嚴峻的情況下，給企業帶來很大負擔。由此看來，對如何兼顧高效、低成本、低勞動強度，并實現綜采工作面破碎頂板安全控制進行研究顯得十分關鍵，且具有很高的經濟價值。

1 工程概況

陽煤集團碾溝煤業有限公司5105工作面位于一采區東部，井下標高815～913m，地面標高1040～1160m，傾向長度716m，走向長度200m，可采儲量3.9×105t，服務年限5.7個月。

工作面煤層賦存穩定，平均厚度2.05m，含1層夾石，下部為1.55m厚的煤層，之上有1.0m厚的夾石層，再往上有0.5m厚的煤層，煤層硬度系數為1.0～1.5，煤層最大傾角0～13°，平均為6°，上距4#煤層平均約11m。

5105工作面直接頂為4.6m厚的砂質泥巖，基本頂為2.1m厚的細砂巖，直接底為6.36m厚的黑色泥巖，基本底為3m厚的灰色石灰巖。工作面內揭露斷層16條，其中落差超過1m的12條；陷落柱8個，最大的陷落柱長軸191m，短軸134m，最小的陷落柱長軸23m，短軸13m。工作面瓦斯絕對涌出量為25～30m3/min。采用傾斜長壁后退式采煤方法，采場使用液壓支架控制頂板，回、進風巷及兩端頭采用4.4mπ型鋼梁跨溜抬棚、單體柱維護頂板，采空區采用全部垮落法進行處理。

2 頂板管理存在的問題

2.1 冒頂規律及特征

5105工作面在回采過程中，因地質構造發育，導致經常性冒頂，每月推進不足30m，推進兩個月后，停產45天，恢復生產后，工作面冒頂更加頻繁。冒頂規律和特征如下：

（1）遇地質構造或頂板裂隙發育易冒頂，特別是推進至地質構造外緣約10～15m，礦壓開始顯現，如控制措施不當，頂板開始坍塌。

（2）冒頂高度均以4#煤層頂板硬巖為界，平均約11m。

（3）工作面長時間停產后，冒頂現象加劇，無規律可循，冒落高度仍以4#煤層頂板硬巖層為界。

（4）冒頂預兆比較明顯，每次冒頂前均發生片幫事故，片幫深度超過0.5m必須立即采取措施。

（5）冒頂形式均為漏冒性冒頂，從煤壁附近開始一直延伸至煤壁內部3～5m左右范圍。形成斜向上的漏冒區。

圖1 5105工作面冒頂示意圖

2.2 冒頂原因分析

（1）雖然工作面開采深度不大，但由于5#煤層至4#煤層之間無堅硬巖層，致使工作面前方支承壓力增加，支承壓力將煤壁壓酥，隨著工作面向前推采，工作面前方支承壓力也向煤壁深處轉移，降低了前方煤壁的支撐穩定性，再加上頂板本身裂隙較為發育，前方脆弱的煤壁失穩導致了頂板運動加劇，使工作面片幫漏頂的幾率增加。

（2）由于原生、構造以及采動等多種因素相互疊加，致使本身就比較破碎的頂板圍巖出現游離狀態，在采煤機割煤后，如果沒有進行及時支護，這類游離類巖塊會突然冒落。

（3）工作面長時間停產，導致基本頂來壓，頂板產生大量裂隙，前方煤體的剛性大打折扣，對采場上方的巖層支撐力大為縮小，必然加劇頂板冒落的幾率。

3 治理措施

3.1 治理方法及機理

該綜采工作面冒頂特征及原因，主要是由于工作面前方煤壁失去穩定性，并導致頂板運動加劇，進而導致冒頂，因此較有效的方法是對破碎頂板易漏頂區前方煤體上覆巖層實行有效的提前加固措施，使巖層重新形成一體，重新組合成梁，減輕其垂直應力。采取下列兩項主動超前支護措施：

（1）采煤機割煤后，在頂板下方密集施工管縫式錨桿，利用管縫式錨桿的自脹性脹緊圍巖，同時對下方切割部分和上方維護區域進行隔離，對上方破碎頂板起到支撐作用，以防止其垮落。管縫式錨桿的自脹機理[2]為：通過外力將錨桿打入小于錨桿外徑的鉆孔內，利用鋼管的彈性對孔壁產生徑向壓力，使錨桿與孔壁間產生摩擦阻力，加上錨桿下托盤的承托力，使巷道的圍巖處于三向受力狀態下，從而達到加固圍巖，阻止其移動使之達到穩定的目的。

①使圍巖處于三向應力狀態，改善圍巖應力條件。錨桿孔徑小于錨桿直徑，使得桿體受到孔壁的約束產生環向壓縮變形，桿體變形反過來會對圍巖產生環向壓縮應力；托盤在預緊力作用下壓緊圍巖，給圍巖以徑向應力。這樣錨桿在平行及垂直于桿體軸線方向上同時對圍巖產生三向預應力，使圍巖處于三向應力狀態，應力條件改善。

②安裝后可對圍巖立刻產生支承力，且支護阻力大小可調整。

③全長錨固，圍巖移動后仍能提供較強支護阻力。管縫式錨桿為全長錨固，均勻受力。錨桿與巖層發生滑動后仍有較高的錨固力。其允許圍巖移動的同時保持相當的支承阻力，使錨桿在承受很大的拉應力或剪力時具有柔性卸載作用，圍巖位移與錨桿摩擦力達到動態平衡。

④錨固力隨時間變長而增加。圍巖變形使錨桿孔縮小，桿體由于錨桿孔縮小而被擠壓得更緊，錨桿徑向張力提高，錨固力增加。

（2）在易冒頂區域及其附近范圍，預先施工斜向超前錨索對工作面前方未采但已受壓失穩、經管縫式錨桿加固的區域進行懸吊。

3.2 支護材料規格

（1）管縫式錨桿規格

Φ30×2000mm縱向開縫高強度鋼管；

間距：300～500mm。

（2）超前錨索規格

材料：1860級鋼絞線；

規格：Φ17.8×13500mm；

間距：1500×（600～1000）mm；

墊片：150×100×10mm厚鐵墊片；

托梁：長1000mm的22kg/m的軌道或厚度不低于15mm的鋼板；

藥卷：MSCK-23/120樹脂藥卷；

錨具規格：KM-18型單孔錨具。

3.3 現場施工措施

（1）在采煤機割煤過程中，采煤機司機要密切關注頂板穩定性情況，當出現煤壁片幫、裂隙增多、壓力增大等現象時，立即停機，帶壓移架，并升緊接實頂板，然后將采煤機退出此區域，開始施工管縫式錨桿，及時將下方切割部分和上方維護區域進行隔離并支撐，以防止其垮落，錨桿間距300～500mm，施工位置為液壓支架頂梁下方200mm，錨桿傾角+5°。管縫錨桿支護要求如下：

①縫管錨桿表面平整，無拉傷、銹蝕，焊縫無裂紋和氣孔夾渣，不允許燒穿管壁，且托盤在桿體上應能自由移動。

②擋環焊縫拉脫力≥80kN，桿體極限抗拉力≥110kN，初錨力≥25kN/m，托盤承載力≥65kN。

③初始錨固力必須達到70kN。

（2）在管縫式錨桿施工現場后方5架位置，開始施工超前錨索，并配1m長道軌或厚鋼板作為托梁，對工作面前方未采區域進行加固懸吊，要求每架支架下至少布置一根。錨索支護要求如下：

①錨索眼深13.2m，藥卷攪拌時間控制在30～60s。

②超前錨索孔與巷道頂板夾角不小于70°，不大于85°。

③錨索承載力在320kN以上，張拉預緊力達到160kN。

（3）采煤機割煤時，三架作為一個循環，然后退回機組，進行超前支護施工，如頂板較為破碎，則以一架支架距離作為一個循環，嚴禁超距離截割、拉架，造成長時間空頂。

（4）在工作面推進方向，以排距0.6～1m為一個完整的支護循環，逐步走出頂板破碎區域。

4 應用效果

（1）采取管縫式錨桿和斜向長錨索聯合超前支護措施后，絕大部分頂板破碎區域可以得到有效控制，支護效果十分明顯，日推進度由每天不足0.5m增加至平均約1.5m。

（2）支護區域推進過程中，煤壁穩定性良好，很少出現明顯的片幫現象，冒頂現象得到控制。

（3）考慮到管縫式錨桿自身的脹緊效應有限，且承受垂直壓力不足，可以將管縫式錨桿改進為非中空式主動脹緊錨桿，由內對錨桿桿壁施加膨脹作用力，一方面增加脹緊力，另一方面也可以增加錨桿受垂直應力的承受能力。

通過對碾溝公司5105工作面破碎頂板超前聯合支護的成功實踐，證明了利用管縫式錨桿的自脹效應和斜向錨索懸吊作用對前方不穩定頂板進行加固的可行性，保證了工作面安全高效開采，并大大降低了回采成本，這項技術對于面臨嚴峻形勢下的煤炭企業，可以試驗借鑒。