綜采工作面冒落區綜合治理技術措施應用

歐陽亞琮

（晉能集團煤炭生產管理局，山西 太原 030001）

1 概況

山西煤炭運銷集團盛泰煤礦15204 工作面位于二采區北部，東部為15203 采空區，西部20 m 為準備面15205 回風順槽，南面為實體煤，北部為西翼回風大巷、膠帶大巷、軌道大巷。15204 工作面設計走向長度2500 m，傾向長度為200 m。工作面回采15#煤，煤層平均厚度3.2 m。15#煤層頂板有一層0.7 m 泥巖偽頂，直接頂以砂質泥巖為主，平均厚度7.2 m，基本頂為K2 灰巖，平均厚度11.3 m。

15204 工作面采用綜采工藝。工作面回采至720 m 處位于回風巷側頂板出現局部破碎現象，隨著工作面推進，至741 m 處時煤壁片幫嚴重，端面距達1.4 m，頂板出現冒落，頂板冒落高度為1.2 m，冒落長度為1.9 m，寬度為1.3 m。對冒落區采用頂板搭梁進行維護，但搭梁后支架無法對冒落區頂板直接進行支撐，冒落區維護難度大。當工作面推進至750 m 處出現第二次冒落，冒落范圍擴大，冒落高度達2.7 m，冒落長度為3.2 m，寬度為1.8 m，嚴重威脅著工作面安全高效回采。

2 工作面頂板冒落原因分析

（1）采空區影響。15204 工作面東部與15203采空區間隔煤柱寬度20 m，受15203 采空區殘余應力影響，15204 回風巷頂板穩定性差，頂板巖體裂隙發育，工作面回采過程中裂隙向工作面煤體內延伸，破壞了煤體及頂板整體完整性，造成煤壁片幫嚴重、端面距加大。同時，由于15204 工作面長度為200 m，工作面采用一次性移架方式，增加了端面空頂時間，端面頂板裂隙巖體失穩，導致頂板破碎垮落。

（2）斷層構造影響。工作面回采至762 m 處位于回風巷側揭露一條F4 正斷層，斷層落差1.4 m，傾角為67°，斷層以57°方位角從15203 采空區側向工作面煤體內延伸。受F4 斷層影響，工作面直接頂出現斷裂錯位。當工作面回采至740 m 處時在斷層構造應力、超前回采應力等影響下，斷層裂隙帶處出現卸壓區，應力在卸壓區釋放時對斷層兩側煤巖體產生剪切破壞作用，導致煤巖體破碎。隨著工作面不斷揭露斷層，頂板破碎現象加劇，造成頂板冒落。

（3）直接頂巖體力學性質影響。15204 工作面直接頂主要以砂質泥巖為主，該巖體巖石普氏系數f=3.0，巖體呈層狀脆性，在集中破壞應力作用下巖體抗壓強度低，形成的頂板連續梁穩定性差，易變形、破碎。當工作面出現煤壁片幫且移架不及時時，端面距加大，極易出現破碎、冒落。

3 工作面頂板冒落區綜合治理技術

為了防止15204 工作面高冒區范圍進一步擴大，加強冒落區附近煤巖體頂板穩定性，加快工作面快速回采，決定對冒落區采取“人工假頂+注漿加固+柔性自鎖超前支護”綜合治理技術。15204 工作面冒落區聯合治理技術施工斷面圖如圖1。

3.1 人工假頂

（1）在冒落區域附近施工三根錨索吊棚，每架吊棚由兩根長度為5.0 m、直徑為21.8 mm 錨索以及一根長度為3.5 m、寬度為0.15 m 槽鋼組成。錨索吊棚與工作面煤壁平行布置，吊棚排距為1.0 m。錨索吊棚施工完后，吊棚與巷道頂板面齊平。

（2）錨索吊棚施工完后，在吊棚上方依次鋪設風筒布、鋼筋網（共計4 片）、方木。方木鋪設時呈“井”型布置，方木鋪設過程中必須搭接牢固可靠，半圓木鋪設到位后必須與頂板接觸嚴實。

（3）為了防止人工假頂間隙處出現瓦斯積聚，人工假頂施工完成后，對假頂處進行注漿封堵。封堵采用羅克休化學填充發泡劑，主要為樹脂與催化劑以4:1 比例混合而成，具有反應速度快、膨脹率高、硬度高等優點。

3.2 注漿加固

頂板發生冒落后應力通過冒落區進行卸壓，冒落區附近煤巖體裂隙高度發育，工作面在過冒落區前必須對冒落區前方10 m 范圍內煤巖體采用注漿進行加固。

（1）現場觀察發現冒落區前方煤壁預留難度大，煤壁片幫嚴重，最大片幫深度達1.7 m，片幫高度達2.2 m，片幫后煤壁與頂板呈40°～60°夾角布置，在應力作用下片幫處上方頂板出現斷裂、破碎現象，所以決定對煤壁、頂板同時進行注漿加固。

（2）頂板注漿鉆孔布置在距頂板0.5 m 處，鉆孔與頂板呈45°夾角，鉆孔深度為6.0 m，鉆孔布置間距為2.0 m，每排布置4 個鉆孔。煤壁注漿鉆孔施工在距頂板1.2 m 處煤壁上，鉆孔垂直煤壁布置，鉆孔深度為5.0 m，鉆孔間距為2.0 m。煤壁注漿鉆孔與頂板注漿鉆孔交錯布置。

（3）鉆孔施工完后，依次對鉆孔進行注漿。注漿材料采用FSS 無機化學加固材料，該化學材料主要由A、B 兩種成分組成，混合比為1:1，A 料黏度為200～300 MPa.s，B 料黏度為240～350 MPa.s，混合料反應時間為120 s。

（4）采用ZBYSB66/12-6.5 型雙液注漿泵進行注漿施工，注漿時注漿壓力控制在1.5～2.0 MPa，單孔注漿量為0.54 m3。

3.3 柔性自鎖超前支護

（1）超前支護目的。通過對應力區頂板施工超前支護體，降低集中垂直應力對頂板、煤柱超前破壞作用，進一步提高煤巖體承載能力，防止工作面回采過程中頂板破碎、煤壁片幫。

（2）柔性自鎖超前支護裝置結構。15204 工作面采用的超前支護體主要由柔性自鎖式錨桿以及固定卡纜等部分組成。柔性自鎖式錨桿長度為3.5 m，桿體主要由直徑為20 mm、四芯恒阻錨索組成。桿體端頭安裝一個自鎖件，在碰撞情況下自鎖件四個自鎖機構展開并與鉆孔壁牢牢固定。

（3）超前支護工藝：① 首先在工作面煤壁與頂板之間施工超前支護鉆孔，鉆孔深度為3.2 m，鉆孔直徑為30 mm，鉆孔垂直煤壁布置，允許垂直方向誤差角度3°，鉆孔間距為0.5 m；② 支護鉆孔施工完后，依次對鉆孔內安裝柔性自鎖超前支護體并進行自鎖固定；每排施工10 根超前支護體，所有支護體安裝完成后在外露端安裝卡纜進行固定；③ 超前支護施工完成后，工作面回采期間支架頂梁沿支護體擦頂進行移架。

圖1 15204 工作面冒落區聯合治理技術施工斷面圖

4 結束語

15204 工作面采用綜合治理措施后，順利回采過高冒區以及影響帶，通過對工作面高冒區采取“人工假頂+注漿加固+柔性自鎖超前支護”綜合治理技術后取得了顯著應用成效。

（1）通過對高冒區施工人工假頂，有效控制了冒落范圍進一步擴大，工作面支架在過高冒區時支架初撐力、工作阻力達到額定值的94%，未出現支架倒架、頂梁托空等現象。

（2）對工作面煤壁、頂板進行注漿加固后，工作面煤巖體膠結穩定性得到有效提高，在后期回采過程中未出現大面積片幫現象，最大片幫深度控制在0.5 m 以下，片幫高度控制在1.0 m 以下，頂板端面空頂距控制0.3 m 以下。

（3）與傳統錨注錨桿相比，自鎖式柔性超前支護施工工藝相對簡單，支護回收率高，而且該支護可適用于大應力采掘工作面，超前支護削弱了頂板應力、煤壁超前剪切破壞作用，提高了超前應力區頂板、煤柱的穩定性。