綜放工作面端面破碎機理及聯合維護措施

趙永全

（大同煤礦集團虎龍溝煤礦，山西 朔州 036000）

1 概述

大同煤礦集團虎龍溝煤礦81505工作面位于井田東盤區，工作面東部為實煤區，南部與盤區東軌道大巷相接，西部鄰近81503工作面采空區，北部鄰近塔山煤礦二盤區。

81505工作面設計走向長度為2480m，傾向長度為180m。工作面回采煤層為3～5#石炭系煤層，平均厚度為12.73m，煤層松軟、易破碎且結構復雜，煤層中含夾石（9～12層）及火成巖。煤層無偽頂，直接頂主要以炭質泥巖為主，平均厚度為1.8m。煤層頂底板巖性如表1所示。

81505工作面采用MG650-1630-WD型雙滾筒采煤機割煤，SGZ-1000/2×855型前、后部刮板輸送運煤，ZF-13000/25/38型液壓支架、ZFG-13000/27.5/42型過渡支架和ZTZ-20000/27.5/42型端頭支架管理頂板。工作面采用綜合機械化放頂煤回采工藝，采高為3.5m，放煤厚度9.23m，采放比為1:2.64，頂板管理采用自然垮落法。

表1 81505工作面煤層頂底板巖性表

2 工作面回采期間技術難題及原因分析

2.1 回采遇到的難題

截至2019年4月23日，81505工作面已回采560m。工作面回采至540m處時，工作面端面空頂處出現局部破碎現象；工作面回采至548m處時，端面空頂距加大，最大空頂距達1.2m，端面空頂處出現局部冒落現象，冒落高度為0.5m。工作面回采后受端面破碎頂板影響，在移架時87#～104#支架頂梁受力大，多數支架頂梁出現變形現象，同時支架移架到位后支架初撐力僅為額定值的56%，工作阻力僅為額定值的61.2%，大大降低了支架支護效果。工作面從550m處時端面頂板出現大面積破碎現象，回采效率降低至3.5m/d，嚴重影響了工作面安全快速回采。

2.2 端面破碎機理分析

（1）地質構造影響。根據虎龍溝礦地測科提供資料顯示，81505工作面回采至577m處揭露一條正斷層F5，斷層落差為1.2m，傾角為56°。斷層從回風順槽577m處揭露，從運輸順槽602m處貫穿，斷層與工作面夾角為8°。受地質構造影響，工作面回采至540m處頂板進入斷層應力區。隨著工作面推進，頂板應力集中現象嚴重，導致頂板出現破碎現象，特別是端面空頂處，在無支護情況下破碎更為嚴重。

（2）切頂破壞影響。81505工作面采用的放頂煤回采工藝，放煤高度為9.23m。工作面在放煤過程中頂板壓力前移，從支架頂梁尾端至煤壁處頂板煤柱形成孤島煤柱且壓力集中顯現，在支架頂梁與煤壁處空頂煤柱受頂板垂直應力加大，在無支撐作用力下，支架頂梁以及煤壁對空頂處煤柱產生兩端切頂破壞，導致煤柱整體性破壞，從而造成端面頂板破碎現象。

（3）煤層賦存條件影響。由于3～5#煤層穩定性差，煤層結構復雜，煤體單軸抗壓強度不足20MPa，在壓力作用下易破碎，煤體承載能力低，在構造應力、回采壓力等應力作用下，端面空頂處煤體形成的承載梁無法支撐頂板垂直集中應力，導致端面破碎現象。同時，工作面回采高度較大，在回采過程中從頂板往下1.5m范圍內煤壁出現剝離破壞，片幫嚴重，加大了頂板空頂距，導致端面破碎范圍進一步擴大。

3 端面破碎聯合維護措施

為了降低81505工作面端面破碎現象，提高工作面回采效率，保證工作面回采安全，決定對工作面采用“斜角深孔注漿技術+梯形玻璃鋼錨棚支護”進行頂板維護，并合理優化工作面回采工藝。

3.1 斜角深孔注漿加固技術

為了提高頂板及幫部煤體膠結穩定性及抗壓強度，決定對裂隙煤體高壓注入化學粘結材料，從而改變煤體物理性質。

（1）鉆孔施工。鉆孔的深度及仰角直接決定著注漿效果，通過現場窺視孔觀察發現，頂板破碎范圍為0～2.4m，決定在工作面煤壁距頂板1.2m處施工超前注漿鉆孔。鉆孔仰角為45°，鉆孔深度為6.0m，鉆孔直徑為40mm，鉆孔間距為3.0m，鉆孔終孔位置位于頂板穩定煤體內，如圖1所示。

（2）注漿設備。采用型號為2ZBQ氣動注漿泵進行注漿，注漿泵配套注漿筒兩個、高壓槍一把、注漿鋼管一根以及流量閥、壓力表等。采用型號為FKS-80/15封孔器進行封口。采用馬麗散雙液型高分子注漿材料注漿，該化學材料具有粘合力強、強度高、與水能夠迅速反應膨脹等優點，對煤巖體裂隙具有很好的粘接、封堵效果。

（3）注漿工藝。鉆孔施工完后，將一根直徑為20mm注漿鋼管埋入注漿孔內，并在孔口處安裝封口器。注漿時先高壓后低壓施工，注漿穩定后壓力保持至1.2MPa，單孔注漿量達145kg或煤體、鄰孔有漿液滲出時停止注漿。

3.2 梯形玻璃鋼錨棚支護

為了進一步提高端面破碎頂板穩定性及支架支護效果，決定在端面破碎頂板處施工梯形玻璃鋼錨棚支護。

（1）梯形玻璃鋼錨棚支護由長度為3.0m、直徑為20mm加長玻璃鋼錨桿，長度為3.5m、寬度為0.5m梯形圓鋼棚以及長度為0.5m11#槽鋼等組成。

（2）為了防止移架時影響玻璃鋼錨桿支護效果，決定在相鄰兩架支架之間施工玻璃鋼錨桿。錨桿垂直頂板布置，每根錨桿采用兩支錨固劑錨固，錨固力為10t，錨桿錨固后外露長度控制在10～30mm。

（3）玻璃鋼錨桿施工完后在相鄰兩根錨桿外露端安裝一根梯形圓鋼棚，鋼棚與錨桿之間采用槽鋼固定預緊，預緊力不得低于200N·m。鋼棚安裝后保證鋼棚面與頂板接觸嚴實。

（4）梯形玻璃鋼錨棚支護排距為0.3m，鋼棚支護后支架頂梁緊貼鋼棚面帶壓擦頂進行移架，直至工作面完全過頂板破碎帶。

3.3 回采工藝優化

為了保證工作面能夠同時揭露斷層，降低頂板巖體破碎范圍，工作面回采至567m處進行回采工藝優化，決定采用調面偽斜回采工藝。

（1）由于F5斷層從回風順槽側揭露，且超前運輸順槽18m，所以為了保證工作面與斷層面平行，需以尾端支架為旋轉點，工作面進行旋轉回采。

（2）工作面刮板輸送機允許最大彎曲角為2°，采煤機截割深度為0.7m，最大允許彎曲長度為21m，單架寬度為1.75m，在刮板輸送機允許彎曲范圍內安裝12個支架，而81505工作面共計安裝109個支架，共計等分點為9個，以支架號為等分點號，等分點分別位于 97#、85#、73#、61#、49#、37#、25#、13#、1#支架。

（3）首先將采煤機移至97#支架處下行割煤至尾端，支架上行裝煤并移至85#支架處，然后對97#～109#支架進行移架推溜，再從85#支架斜切進到下行割煤至尾端，最后再上行裝煤并移至73#支架。依次類推，直至工作面采煤機移至1#支架，完成一個旋轉回采，共計完成1刀長刀割煤、8刀短刀割煤，旋轉深度為6.3m。工作面共需要完成4個循環即可調斜。

（4）工作面調斜完成后，降低采煤機截割深度在0.5m左右。工作面完全過斷層破碎帶后再次進行旋轉回采調斜，保證工作面與頭尾順槽垂直。

4 結 語

大同煤礦集團虎龍溝煤礦生產技術部通過技術研究，對81505工作面回采期間出現的端面破碎原因進行分析，并提出了“斜角深孔注漿技術+梯形玻璃鋼錨棚支護”聯合維護措施，對回采工藝進行優化。通過實際應用效果發現，采用聯合支護措施后，端面破碎煤體單軸抗壓強度提高至57.8MPa，提高了煤體承載能力。在后期回采過程中未出現嚴重端面破碎現象，工作面支架初撐力及工作阻力提高至85%以上，提高了支架支護效果；工作面回采速度提高至6.7m/d，保證了工作面回采安全，取得了顯著成效。

圖1 81505工作面端面破碎頂板聯合支護剖面示意圖