15209綜采工作面端面破碎機理及控制

許海明

（山西高平科興游仙山煤業有限公司，山西 晉城 048400）

1 概況

山西高平科興游仙山煤業有限公司15209綜采工作面位于+810m水平二采區。工作面可采范圍北至15209工作面運輸順槽，南至15209工作面回風順槽，東至工作面切眼，西至工作面停采線。15209綜采工作面東鄰井田邊界，南鄰設計15208工作面運輸順槽，西鄰二采區回風巷，北鄰設計15210工作面回風順槽。

15209綜采工作面設計走向長度為872m，傾向長度為154m，回采煤層為15#層。該煤層位于太原組底部，基本頂主要以炭質泥巖為主，平均厚度為2.4m，直接頂板為K2灰巖，平均厚度為11.8m。揭露煤層厚度為3.20～5.16m，平均厚4.10m，煤層結構簡單，煤層傾角1～7°，黑色，細條帶狀結構，內生裂隙發育。

15209綜采工作面采用綜合機械化工藝，全部垮落法填充采空區，目前工作面已回采235m。受地質構造等影響，工作面回采至231m處工作面位于回風側頂板出現端面破碎現象，破碎傾向長度達26m（80～95#支架之間），局部出現冒落現象，最大冒落高度達1.7m。

2 工作面端面破碎機理

（1）地質構造影響。15209工作面回采至237m處位于回風順槽揭露一條F5正斷層，斷層落差為1.4m，傾角為48°。斷層破壞了煤巖體的連續穩定性，導致位于斷層側煤巖體穩定性差，在回采動壓作用下，煤巖體出現松動破碎現象，且向工作面深部延伸，從而導致端面破碎、煤壁片幫現象。

（2）采空區影響。15209工作面南部為15208工作面采空區，相鄰兩個工作面預留保安煤柱寬度為30m。受采空區殘余應力作用，保安煤柱垮落現象嚴重，煤柱支撐作用力降低，導致保安煤柱側頂板出現下沉、斷裂現象，頂板裂隙發育，且裂隙帶向工作面內延伸。

（3）不穩定頂板影響。15209工作面直接頂主要以炭質泥巖為主，巖體不穩定，單軸抗壓強度不足30MPa，頂板承載能力低，在頂板集中應力作用下出現破裂現象，形成圍巖松動圈，且隨著時間推移，松動圈范圍不斷擴大，導致頂板冒落現象。

（4）回采工藝影響。15209工作面采用MG300/730-WD型采煤機進行割煤，截割深度為0.73m。割煤后不能及時進行移架，導致支架前探梁對頂板產生切頂破壞，加劇了頂板破壞程度。

（5）煤壁片幫嚴重。由于15209工作面回采煤層為15#煤層，煤層內夾多層矸石，總厚度為0.8m，煤體穩定性差。而且工作面采用一次性采全高回采工藝，工作面回采高度大，導致回采后煤體不穩定，容易出現片幫現象，造成端面空頂距加大，加劇端面破碎現象。

3 端面破碎聯合控制措施

為了有效控制15209工作端面破碎現象，決定在回風順槽施工走向梯形梁組合錨索吊棚，對工作面進行“注漿加固技術+走向掏槽搭梁”聯合維護措施。

3.1 施工梯形梁組合錨索吊棚

為了提高采空區及斷層側煤巖體穩定性，降低采空區以及斷層對工作面煤巖體破壞范圍，決定在回風順槽側施工一排組合錨索吊棚，進行頂板加固。

（1）組合錨索吊棚主要由一根長度為2.0m、寬度為0.5m梯形梁以及三組組合錨索組成。每組組合錨索主要由3根長度為6.0m、直徑為21.6mm恒阻錨索以及一塊規格為長×寬=0.5×0.5m鋼托板組成，托板上焊制三個直徑為30mm圓孔。

（2）組合錨索吊棚施工在回風順槽頂板上，距工作面煤壁間距為1.0m，錨索吊棚走向布置，吊棚間距為1.0m。每架錨索吊棚施工三組組合錨索，間距為0.8m。如圖1所示。

（3）首先在回風順槽頂板施工吊棚中部組合錨索，組合錨索施工完后及時安裝梯形梁，并采用鋼托板及鎖具將其與頂板進行固定。中部組合錨索施工完后，依次施工兩端組合錨索，錨索外露長度控制在0.15～0.25m范圍內，預緊力不得低于170kN。

（4）梯形梁組合錨索吊棚超前工作面5.0m布置。為了降低采空區及斷層處集中應力作用，在相鄰兩架吊棚之間施工一個卸壓孔，孔徑為90mm，深度為5.0m，卸壓孔垂直頂板布置。

3.2 注漿加固技術

為了防止煤壁片幫，提高破碎頂板膠結穩定性，決定對工作面煤壁及頂板巖體采取注漿加固技術。

（1）注漿鉆孔布置在工作面煤壁上，距頂板1.0m，第一個鉆孔距回風順槽2.0m，相鄰兩個鉆孔間距為3.0m。工作面共計布置9個注漿鉆孔，鉆孔成一字型布置。

（2）采用YT-28型鑿巖機、中空鉆桿以及直徑為45mm合金鉆頭聯合進行鉆孔施工，鉆孔深度為5.0m，孔徑為45mm，鉆孔與煤壁成45°仰角布置。

（3）注漿鉆孔施工完后，對鉆孔依次埋入注漿軟管，并采用PKJW型環形封孔器對鉆孔封孔處理。將注漿軟管與ZBQ型注漿泵連接進行注漿施工，注漿液采用馬麗散混合液，注漿壓力為1.2MPa。

圖1 15209工作面端面破碎區聯合支護平面示意圖

（4）第一排鉆孔注漿完成2h后工作面方可回采，當工作面回采3.0m后施工第二排注漿鉆孔并進行注漿施工，注漿后在回采過程中若發現鉆孔注漿失效現象時，必須補打注漿孔重新進行注漿。

3.3 走向掏槽搭梁施工

為了防止支架對頂板切頂破壞，防止端面冒落現象，提高支架初撐力、工作阻力，決定對端面處安裝走向鋼梁。

（1）首先在兩架支架之間前方煤壁處進行掏槽施工，掏槽寬度為0.3m，高度為0.5m，深度為3.0m。掏槽布置在設計頂板位置，且垂直煤壁布置，槽鋼間距為1.5m。

（2）掏槽施工完成后在槽內安裝一根長度為3.0m工字鋼梁，在相鄰鋼梁之間上方搭接兩根長度為1.5m、寬度為0.18m槽鋼。槽鋼與工作面平行布置，槽鋼平面與頂板接觸嚴實，在工字鋼梁外露端采用錨桿與頂板進行固定。

（3）工作面回采后使支架頂梁緊貼槽鋼面帶壓擦頂移架，當支架移架到位后及時將槽鋼前移，工作面回采3.0m后及時安裝第二排走向鋼梁。

4 應用效果

（1）通過對15209回風順槽頂板施工梯形錨索吊棚，加強了頂板穩定性，防止因采空區、斷層應力作用導致巷道頂板破碎現象。通過施工卸壓孔對集中應力進行有效釋放，削弱了集中應力對端面頂板及煤壁產生破壞作用。

（2）通過對工作面施工仰斜注漿鉆孔進行注漿，煤巖裂隙帶達到充分粘接，使頂板不穩定巖體單軸抗壓強度提高至64MPa，提高了煤巖體整體穩定性及膠結穩定性，防止了煤壁片幫現象。

（3）15209工作面施工走向掏槽搭梁后，防止了端面空頂下沉、冒落現象，對工作面頂板起到超前支護作用，提高了工作面頂板穩定性以及液壓支架初撐力和工作阻力，保證了支架支護效果。

對工作面端面破碎區采取聯合控制措施后，在后期回采期間工作面端面距控制在0.3m以下，端面空頂處未出現冒落現象，工作面支架初撐力、工作阻力提高至87%以上，工作面回采速度提高至7.5m/d。