大采高綜放工作面強(qiáng)動壓端頭頂板控制技術(shù)

雷春亮

（大同煤礦集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037100）

大采高綜放面已在我國多個礦井進(jìn)行推廣應(yīng)用，由于其一次采動高度大，工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，工作面兩順槽超前影響區(qū)和工作面頂板控制難度較大，特別是工作面端頭三角區(qū)受集中應(yīng)力影響區(qū)，該區(qū)域煤巖體應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，加之構(gòu)造及上區(qū)段工作面采動壓力的影響，給其煤壁和頂板維護(hù)帶來極大的挑戰(zhàn)。康濤通過分析含泥巖夾矸煤層大采高工作面端頭和超前支護(hù)區(qū)的圍巖變形原因，提出了切頂卸壓、加強(qiáng)支護(hù)和注漿加固的控制技術(shù)[1]；高士崗研究了下分層綜放工作面端頭壓架機(jī)理，提出了加強(qiáng)端頭支護(hù)強(qiáng)度、加大端頭拉網(wǎng)密度和強(qiáng)度、優(yōu)化巷道布置的措施，保障了工作面安全生產(chǎn)[2]；題正義等人利用FLAC3D研究了綜放工作面端頭頂角處圍巖破壞演化過程，提出了頂角處掏槽、補(bǔ)打加強(qiáng)錨索，改變端頭頂角處圍巖應(yīng)力分布，提高端頭頂角處圍巖穩(wěn)定性[3]。這些研究均是結(jié)合具體地質(zhì)條件的技術(shù)分析總結(jié)，但是由于我國煤礦地質(zhì)條件差異較大，必須結(jié)合實(shí)際情況確定相應(yīng)工作面端頭頂板控制技術(shù)參數(shù)。

1 概況

馬道頭礦8211工作面開采5 （3-5）#煤層，埋深410～480 m，煤層平均厚12.6 m，煤層傾角1°～5°；工作面采面長241 m，推進(jìn)長度729 m；采厚3.9 m，放煤厚度8.7 m，采放比為1:2.23。煤層直接頂為1.6 m厚的泥巖和含礫粗砂巖，老頂為9.66 m厚的粗砂巖和含礫粗砂巖，直接底為3.61 m厚的泥巖，老底為7.33 m厚的粉砂巖和泥巖。8211工作面井下位于北二盤區(qū)三條大巷南側(cè)200 m，東側(cè)為實(shí)煤區(qū)，南側(cè)為掛里窯村保護(hù)煤柱，西側(cè)為8210工作面采空區(qū)。8211工作面采用一進(jìn)一回布置，2211巷為皮帶順槽，5211為回風(fēng)順槽，與8210工作面采空區(qū)留8 m小煤柱。根據(jù)巷道掘進(jìn)揭露和槽波探測顯示，5211巷存在多個斷層和破碎帶等影響，由于8211工作面為大采高放頂煤工作面，一次回采厚度大，工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，加之5211巷與8210工作面采空區(qū)之間為8 m小煤柱護(hù)巷，為了保證工作面回采過程中回風(fēng)側(cè)端頭煤壁及頂板安全，需要加強(qiáng)對工作面回風(fēng)側(cè)端頭的頂板管理。

2 端頭頂板控制技術(shù)

8211工作面5211回風(fēng)順槽為矩形斷面，凈寬5200 mm，凈高3500 mm，凈斷面18.2 m2，巷道掘進(jìn)后采用“錨桿+錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)”進(jìn)行支護(hù)。

2.1 超前注漿加固

由于8210工作面回采動壓影響，5211與8210工作面采空區(qū)之間的8 m小煤柱已處于塑性狀態(tài)，煤體內(nèi)原生節(jié)理裂隙貫通，煤體整體性嚴(yán)重破壞，煤體承載力降低，特別巷幫出現(xiàn)網(wǎng)兜等較大變形區(qū)，錨桿、錨索的支護(hù)作用降低，且破碎煤體的擠壓變形對錨桿、錨索產(chǎn)生較大的剪切、扭曲等作用力，使錨桿、錨索受力更加復(fù)雜，極易產(chǎn)生剪切破斷。因此，在8211工作面回采前必須對5211順槽兩幫破碎煤體進(jìn)行注漿加固[4-5]，充填圍巖裂隙，使破碎煤體粘結(jié)成為一個整體，提高煤體的整體性和承載能力，并且可保護(hù)錨桿和錨索，防止其因破碎煤體擠壓錯動出現(xiàn)剪切破斷現(xiàn)象。

在5211回風(fēng)順槽兩幫布置注漿加固鉆孔，鉆孔孔徑為42 mm，鉆孔深度為6 m；鉆孔布置形式為矩形布置，分上下兩排，間距為2 m；上排鉆孔距頂板1 m，向上仰角為10 °；下排鉆孔距頂板2 m，水平垂直巷幫布置。注漿材料采用水泥和水玻璃混合漿液，水泥為52.5硅酸鹽水泥，注漿壓力為6 MPa。為保證注漿效果，防止漏漿，鉆孔采用分組施工工藝，先進(jìn)行單數(shù)列鉆孔打鉆施工并注漿，再進(jìn)行雙數(shù)列打鉆施工并注漿，每列鉆孔由下到上累計(jì)注漿。鉆孔布置見圖1。

圖1 巷幫注漿鉆孔平面

2.2 端頭及超前支護(hù)

由于8211采面為大采高綜放工作面，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，且5211回風(fēng)順槽一側(cè)為小煤柱護(hù)巷，受到上下兩個工作面采動壓力影響，5211順槽礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，需提高5211順槽的超前支護(hù)段的支護(hù)強(qiáng)度。

（1）端頭支護(hù)

過渡支架需對端頭巷道一半以上的巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，尾架140#架與5211順槽煤柱側(cè)巷幫之間的距離若大于0.8 m時，應(yīng)支設(shè)單體支柱，每增加0.6 m增加1列單體支護(hù)，柱距0.8～1.2 m，單體支護(hù)形式采用一梁一柱，梁采用1.2 m的鉸接梁，見圖2。

圖2 端頭及超前支護(hù)平面（單位/mm）

圖3 超前支護(hù)斷面（單位/mm）

（2）超前支護(hù)

由于兩個工作面動壓影響，5211順槽超前支護(hù)長度應(yīng)加長，根據(jù)以往礦壓觀測，確定長度為180 m，采用“一梁四柱式”支護(hù)，外加“一梁兩柱式”護(hù)幫單體。①“一梁四柱式”采用4 m長π型梁加DW-45型單體，梁與巷道垂直；排距為1.2 mm，靠近采煤側(cè)單體支柱距離煤幫0.5 m，第一列與第二列單體支柱之間間距1 m，第二列與第三列單體支柱之間間距1.8 m，第三列與第四列單體支柱間距1 m；②“一梁兩柱式”護(hù)幫單體采用1.2 m鉸接梁，鉸接梁與巷道平行，單體距離非采煤側(cè)0.5 m，柱距0.6 m；③由于工作面見方時礦壓顯現(xiàn)較大，需在見方來壓前后60 m，增加木垛支護(hù)，木垛成品字形分布，木垛打在4 m長π型梁下位于木垛中心處，采煤側(cè)木垛中心距離采煤側(cè)1 m，非采煤側(cè)木垛中心距離非采煤側(cè)1.5 m，同一側(cè)的木垛間距7.2 m，木垛的底層全部用道木進(jìn)行鋪設(shè)，木垛中間支設(shè)2根單體支柱，單體支柱支設(shè)在4 m長π型梁下，單體支柱下面放一個能放兩根單體支柱的連體鋼板柱靴，柱靴厚度為10 mm，見圖2、圖3。

2.3 回風(fēng)側(cè)端頭三角區(qū)加固

由于8211工作面回風(fēng)側(cè)端頭三角區(qū)，受工作面超前支撐力壓力和上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑螇毫蓚€強(qiáng)動壓的疊加影響，煤體極易破碎，特別是在遇到斷層和破碎帶或工作面周期來壓時，使得該區(qū)域煤體更加破碎，該處極易出現(xiàn)煤壁片幫和冒頂?shù)默F(xiàn)象。如果此時工作面出現(xiàn)減產(chǎn)甚至停產(chǎn)現(xiàn)象，加重了該區(qū)域煤壁和頂板的管理難度，致其處于片幫冒頂?shù)膼盒誀顟B(tài)，帶來嚴(yán)重的安全隱患。因此，在工作面回采過程中必須及時觀測該區(qū)域煤壁及頂板情況，在工作面回風(fēng)側(cè)端頭出現(xiàn)片幫或前方存在構(gòu)造和見方來壓時，必須采用5211巷采煤側(cè)巷幫采用馬麗散進(jìn)行注漿漿加固，并采用帶壓擦頂拉架，保證支架的初撐力。馬麗散注漿加固鉆孔位于5211巷采煤側(cè)巷幫上部，距頂板1 m，仰角為30 °，鉆孔間距為2 m，孔深8 m。

3 支護(hù)效果分析

8211工作面5211順槽為馬道頭礦首個小煤柱護(hù)巷順槽，由于受到上下兩個大采高放頂煤工作面強(qiáng)烈采動影響，巷道圍巖控制難度大，特別是工作面回風(fēng)側(cè)端頭頂板及端頭三角區(qū)。為了考察8211工作面5211順槽超前影響區(qū)及工作面回風(fēng)側(cè)端頭三角區(qū)頂板控制效果，在5211巷布置巷道圍巖表面圍巖觀測測站，并對工作面回采過程中回風(fēng)側(cè)端頭煤壁片幫及冒頂情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（1）超前區(qū)表面位移觀測

通過對工作面超前區(qū)巷道表面位移觀測可知（見圖4），在超前工作面約100 m，順槽巷道圍巖變形增大，變形速率增大；巷道兩幫最大移近量為465 mm，煤柱側(cè)巷幫變形量為289 mm；巷道頂板下沉量為277 mm；超前區(qū)巷道圍巖整體變形量不大，圍巖變形可控，巷道能夠滿足安全生產(chǎn)使用要求。

圖4 巷道圍巖變形量與距工作面距離關(guān)系

（2）端頭片幫

在整個工作面回采過程中，對回風(fēng)側(cè)端頭8個架范圍內(nèi)煤壁片幫情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見圖5）。由圖可見，工作面回風(fēng)側(cè)端頭煤壁片幫深度小于0.5 m的占88.2%，片幫深度在0.5～1 m的占6.5%，片幫深度大于1 m的僅占5.3%。

圖5 工作面端頭片幫深度比例

4 結(jié)語

1）在工作面回采前，對留小煤柱側(cè)順槽的兩幫進(jìn)行注漿加固，漿液充填煤體裂隙，不僅可以粘結(jié)破碎煤體，而且可以提高煤體的粘聚力和內(nèi)摩擦角，從而使破碎煤體的斷裂應(yīng)力提高，改善破碎煤體的承載能力，同時可以保護(hù)錨桿和錨索不會因破碎煤體的擠壓而破斷。配合工作面超前“一梁四柱式”支護(hù)和 “一梁兩柱式”護(hù)幫支護(hù)，有效控制了順槽巷道圍巖變形。

2）通過超前工作面，在5211回風(fēng)順槽采煤側(cè)巷幫進(jìn)行馬麗散注漿加固，提高了工作面回風(fēng)側(cè)端頭煤壁及頂板的完整性，并通過及時擦頂帶壓移架和保證支架初撐力的技術(shù)手段，有效控制了受兩側(cè)采動壓力影響下工作面端頭三角區(qū)的煤壁片幫，保證了端頭三角區(qū)頂板安全。