綜采工作面端面破碎頂板控制技術(shù)應(yīng)用

張 浩 董 磊 劉俊超

（1.鐵法煤業(yè)集團(tuán)大隆礦，遼寧 鐵嶺 112614；2.鐵法煤業(yè)集團(tuán)內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010020；3.鐵法煤業(yè)集團(tuán)建設(shè)工程有限責(zé)任公司礦山建設(shè)服務(wù)分公司，遼寧 鐵嶺 112614）

1 概況

鐵法煤業(yè)集團(tuán)大隆礦1302 工作面位于二水平南一采區(qū)的中部，東側(cè)以FS1403-3 斷層為界，南側(cè)以南一1301 運(yùn)順階段煤柱為界，西側(cè)以采區(qū)大巷保護(hù)煤柱與設(shè)計(jì)的南一1303 運(yùn)順為界，北側(cè)以工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱為界。1302 工作面走向長(zhǎng)度為944 m，傾向長(zhǎng)度為211 m，工作面切巷與運(yùn)輸順槽成113°夾角布置。工作面回采煤層為13#層煤，該煤層為復(fù)合煤層，煤層最大厚度為2.60 m，最小為1.0 m，平均厚度為1.74 m。煤層局部含夾石0～1 層，累計(jì)夾石厚度0.10 m。采用綜合機(jī)械化回采工藝，回采高度控制為1.8～2.5 m，采用MG300/720-AWD 型采煤機(jī)落煤，ZY6400/13/27A（ZY6400/13/29）液壓支架支撐頂板，全部垮落法管理頂板。

1302 工作面回采至425 m 處時(shí)，位于回風(fēng)順槽側(cè)的147～157#支架前方端面頂板破碎嚴(yán)重，158#、157#、156#三架支架前方出現(xiàn)局部冒漏現(xiàn)象，煤壁片幫嚴(yán)重，煤壁與頂板夾角為74°。工作面在移架時(shí)難度大，在破碎區(qū)支架初撐力及工作阻力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，采煤機(jī)割煤時(shí)煤壁垮落嚴(yán)重等，制約著工作面安全高效回采。

2 工作面端面頂板破碎原因

（1）工作面?zhèn)涡庇绊憽Ｊ艿刭|(zhì)構(gòu)造影響，工作面切巷在布置時(shí)存在偽斜，工作面?zhèn)涡苯嵌葹?3°，工作面切巷與回風(fēng)順槽夾角為67°，工作面回采后在尾部形成三角煤柱區(qū)域。在回采應(yīng)力作用下，三角煤柱預(yù)留難度大，出現(xiàn)工作面及回風(fēng)順槽側(cè)煤壁片幫嚴(yán)重、煤柱對(duì)頂板支撐作用力降低，從而導(dǎo)致工作面尾部超前2～3 m 處頂板破碎現(xiàn)象。

（2）上覆采空區(qū)影響。1302 工作面上覆為12#層南一1202 和南一1203 工作面采空區(qū)，12 層煤與13 層煤在工作面東側(cè)最大間距10.70 m，西側(cè)最小間距2.70 m，工作面與12 煤層平均間距6.94 m。在1302 工作面尾部與上覆采空區(qū)間距為4.27 m，受上覆采空區(qū)殘余應(yīng)力影響，頂板集中應(yīng)力大，破壞嚴(yán)重。

（3）地質(zhì)構(gòu)造影響。1302 工作面水文地質(zhì)資料顯示，在工作面422～465 m 處北側(cè)35 m 存在一條FS-403-3 正斷層，斷層落差為0～13 m，傾角為56°。工作面與斷層之間保安煤柱主要以13#煤及炭質(zhì)泥巖為主，保安煤柱在該斷層應(yīng)力作用下出現(xiàn)煤柱破碎、變形，從而導(dǎo)致回風(fēng)順槽頂板出現(xiàn)裂隙，且向工作面頂板延伸，破壞了尾部頂板穩(wěn)定性。

（4）煤巖體穩(wěn)定性影響。13#煤層偽頂主要以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，平均厚度為0.5 m，直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為4.2 m。頂板巖體穩(wěn)定性差，在應(yīng)力破壞作用下，頂板承載作用降低。

3 端面破碎頂板聯(lián)合控制技術(shù)

3.1 斜角鉆孔卸壓施工

（1）斜角卸壓鉆孔施工在回風(fēng)順槽頂板處，距斷層側(cè)巷幫間距為0.5 m，鉆孔采用MT130 型鉆機(jī)配套六棱中空鉆桿以及直徑為50 mm 一字型鉆頭施工。

（2）工作面回采至426 m 處時(shí)，在端頭支架前方0.5 m 施工第一個(gè)卸壓鉆孔。鉆孔布置間距為5.0 m，鉆孔直徑為50 mm，深度為8.0 m，鉆孔以70°斜角向FS-403-3 斷層側(cè)布置。卸壓鉆孔超前工作面10 m 布置。

3.2 注漿

注漿主要是對(duì)回風(fēng)順槽側(cè)三角煤柱進(jìn)行維護(hù)，提高三角煤柱穩(wěn)定性。

（1）工作面回采至426 m 處時(shí)，對(duì)三角煤柱進(jìn)行注漿施工。第一個(gè)注漿鉆孔施工在工作面與回風(fēng)順槽夾角處，鉆孔深度為5.0 m；第二鉆孔施工在回風(fēng)順槽側(cè)煤壁上，與頂板間距為1.5 m，鉆孔仰角為45°，向采空區(qū)側(cè)斜角為60°，相鄰鉆孔間距為4.0 m。如圖1 所示。

圖1 1302 工作面端面破碎聯(lián)合支護(hù)平面示意圖

（2）注漿鉆孔施工完后，依次對(duì)鉆孔注入馬麗散化學(xué)注漿材料，單孔注漿量為400 kg，注漿壓力為1.5 MPa。第一次注漿時(shí)注漿孔數(shù)為4 個(gè)，注漿3 h 后工作面方可回采，在后期回采時(shí)超前工作面4～8 m 進(jìn)行注漿施工。

3.3 超前管棚支護(hù)

為了防止超前集中應(yīng)力對(duì)工作面頂板產(chǎn)生破壞作用，在148#～158#支架前方煤壁施工一排超前管棚支護(hù)。

（1）1302 工作面采用的超前管棚支護(hù)主要為一根長(zhǎng)度為3.5 m、直徑為30 mm 鋼管。首先采用Y-28 型風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)在工作面設(shè)計(jì)頂板施工一排支護(hù)鉆孔，鉆孔深度為3.0 m，直徑為40 mm，鉆孔垂直于煤壁布置，每架支架前方施工2 個(gè)。

（2）支護(hù)鉆孔施工完后，在鉆孔內(nèi)安裝超前管棚支護(hù)，并在其外露端安裝圓鋼托架進(jìn)行固定。每?jī)筛芘镏ёo(hù)采用一根圓鋼托架進(jìn)行固定，圓鋼托架長(zhǎng)度為3.5 m。

（3）管棚支護(hù)安裝后采煤機(jī)割煤時(shí)，上滾筒割煤高度應(yīng)低于支護(hù)安裝高度。在移架時(shí)采用分段移架方式，并保證支架頂梁與管棚支護(hù)接觸嚴(yán)實(shí)。

3.4 柔性恒阻錨索棚支護(hù)

當(dāng)工作面端面距大于1.0 m 時(shí)，需在工作面端面處施工柔性恒阻錨索棚支護(hù)，從而對(duì)端面破碎頂板進(jìn)行有效控制。

（1）柔性恒阻錨索棚支護(hù)主要由兩根長(zhǎng)度為6.0 m、直徑為22 mm 恒阻錨索以及一根柔性托棚組成。每架柔性托棚主要由10 根長(zhǎng)度為3.0 m、直徑為12 mm 圓鋼焊制而成。

（2）柔性恒阻錨索棚支護(hù)與工作面頂板平行布置。首先在工作面端面破碎頂板處施工兩根恒阻錨索，錨索垂直頂板布置，布置間距為1.7 m，兩根錨索分別施工在相鄰兩架支架中間。

（3）恒阻錨索施工完成后，對(duì)錨索外露端安裝柔性托棚并采用一根長(zhǎng)度為0.5 m、寬度為0.3 m鋼帶以及鎖具進(jìn)行固定預(yù)緊，預(yù)緊后保證柔性托棚與頂板接觸嚴(yán)實(shí)。

4 結(jié)論

（1）1302 工作面施工斜角卸壓鉆孔后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面北部FS-403-3 斷層應(yīng)力卸壓作用。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)頂板觀察發(fā)現(xiàn)，采取卸壓措施后，回風(fēng)順槽頂板及工作面尾部頂板變形下沉現(xiàn)象得到有效控制，頂板裂隙發(fā)育減弱，回風(fēng)順槽兩幫頂板跨距由原來的0.32 m 降低為0.11 m。

（2）通過對(duì)工作面尾部三角煤柱采取注漿施工后，大大提高了三角煤柱膠結(jié)穩(wěn)定性及煤柱對(duì)頂板支撐作用力，降低三角煤柱垮落、破碎現(xiàn)象，在后期回采中未出現(xiàn)三角煤柱局部垮落現(xiàn)象。

（3）通過對(duì)工作面頂板超前施工管棚支護(hù)，對(duì)工作面應(yīng)力區(qū)頂板進(jìn)行了超前支護(hù)，降低了集中應(yīng)力對(duì)頂板超前破壞作用，提高工作面頂板整體穩(wěn)定性。在后期移架時(shí)支架頂梁與超前支護(hù)能夠充分接觸，保證了支架工作阻力，避免支架倒架、傾架事故發(fā)生。

（4）對(duì)端面空頂距施工柔性恒阻錨索棚支護(hù)，解決了工作面端面距加大、端面破碎嚴(yán)重、頂板維護(hù)難度大等技術(shù)難題。該支護(hù)柔性大，支護(hù)強(qiáng)度高，可應(yīng)用于大變形應(yīng)力圍巖中。

截至2019 年12 月21 日，1302 工作面已回采至470 m，工作面頂板已趨于穩(wěn)定。對(duì)工作面尾部破碎頂板采取聯(lián)合控制措施后，工作面在后期回采中未出現(xiàn)端面頂板大面積破碎以及煤壁片幫現(xiàn)象，端面距降低至0.3 m 以下；工作面回采移架時(shí)支架初撐力及工作阻力提高至95%以上，保證了工作面安全高效回采。