煤礦綜采工作面過斷層時的頂板控制措施探析

（晉能控股煤業集團首陽煤礦 山西 048400）

引言

綜采工作面的過程當中會有遇到斷層帶的情況，在這個狀態下，由于受到回采應力以及構造應力等因素的影響，容易導致工作面發生煤壁片幫、頂板破碎以及端面間距增加或者工作面的超前區產生頂板斷裂的事故。由于在采用液壓支架支護斷層破碎區的過程當中，沒有辦法提供足量的工作阻力用于支撐破碎區頂板，由此引發支護效果嚴重下降。與此同時，在移架支架的過程當中也很容易引發頂板冒落以及倒架的故障，很容易引發工作面回采的安全隱患。因此，在綜采工作面的過斷層期間應嚴格遵照實際的情況選擇有效的對應措施，比如合理地控制斷層帶頂板。本研究將選取晉能控股煤業集團（以下簡稱：晉能集團）的首陽煤礦工作面（15103）作為研究對象，進而提出“聚氨醋纖維網配套JW錨索梁+超前支護”的方案用以工作面過F5斷層過程中的頂板進行處理。

1.概述介紹

晉能集團首陽煤礦的工作面（15103）的位置處在一采區的區中西部，南邊有一采區輔運巷，北邊是小窯破壞區的保安煤柱，在東邊是已經采的工作面（15101），西邊是已經采的工作面（15102）。具體的工作面（15103）規格如下，其回采煤層是15#，煤的厚度范圍約為4.3米至4.9米，平均厚度在4.6米左右，煤層之間含有零至兩層的夾石，且單層的夾石厚度范圍約為0.1米至1米之間，該工作面的特點是煤層賦存相對比較穩定。設計的工作面的切巷長是約192.5米，設計的運輸順槽的長度是約950米，設計的回風順槽的長度是約980米，并且工作面的可采長度是約840米。

工作面（15103）綜采的工藝是綜采一次采全高采煤法，其采煤的高度是4.5米。根據有關的地質資料可知，當工作面回采到位于514米高的地方時會在其尾部暴露一個F5的正斷層，其斷層的規格如下，傾角約是78度，落差約達2米左右，工作面的回采受到斷層的影響約為68米左右。直到約2018年10月22日當天為止，工作面的已回采長度約達514米左右，然而，處在頭部的1至5號位置的支架當中的煤壁和頂板產生比較嚴重的破碎，拉長了工作面回采的時間，降低了速度，增加了頂板維護的難度，對工作面回采過程的安全產生了嚴重的威脅。

2.關于工作面過F5斷層的問題解析

(1)煤壁以及頂板的嚴重破碎問題

工作面15103選用的采煤方法為綜采一次采全高采煤法，在回采過F5斷層的時候，由于受到回采應力以及周期來壓等因素的影響，容易導致工作面頂板發生煤層破碎，并且降低頂板的承載能力。在工作面采煤之后，基于支架頂梁的切頂作用，會引起端面處發送嚴重的頂板破碎現象。除此之外，在綜采工作面進程中還容易遇到斷層帶。在此情境下，基于構造力以及回采應力等影響，會引起眾多事故，包括比如頂板破碎、煤壁片幫等。

(2)具有較差的支架支護效果

當在斷層的破碎帶區采用支架頂梁支護破碎頂板時，由于頂梁中存在垂直向上的阻力，會加劇對頂板產生的破碎力度，從而導致支架頂梁的上方發生破碎，并且會移向支架頂梁的前方和后方，由此引發支架頂梁的上方產生鏤空，具有較低的支護效果。

(3)超前區的頂板產生斷裂

在進行工作面回采過程當中，工作面的前方5米至10米的范圍之中會容易產生破壞工作面的超前頂板的超前應力。除此之外，在過斷層帶的過程當中，處在運輸順槽側煤柱的支撐作用力較低的時候，很容易在超前區發生頂板斷裂。與此同時，伴隨工作面的前移會使得斷裂區向工作面的走向處發生不斷延伸，從而導致更嚴重的頂板破碎。

(4)放煤的量不充分

工作面（15103）過斷層期間破斷層上盤底巖，因為斷層F5的落差是1.5米，導致斷層前方的煤體發生上移的現象。但是，由于工作面回采的煤層厚度達到12.3米厚，使得增加了工作面直接過斷層的時候斷層上盤的放煤高度，基于頂煤的放煤不夠充分，引發未放下的頂煤會滯留在采空區當中累積大量的遺煤，對采空區的安全管理非常不利。

3.控制斷層帶位置頂板的措施分析

(1)煤層深孔爆破預裂

在煤層與直接頂間之間進行施工深孔并定向爆破。在防止破壞直接頂的基礎上，煤層和直接頂之間產生裂隙和工作面煤層相平行。在放煤的過程中由于裂隙產生的作用，導致煤層和直接頂充分地脫落。

當工作面回采到大概514米處的時候，于工作面前方的5米的位置中的回風順槽側煤壁進行三個爆破預裂孔的施工。具體而言，三個終孔的位置規格如下，第一個終孔與運輸順槽相距15米，第二個終孔與運輸順槽相距10米，第三個終孔與運輸順槽相距5米。于此同時，所有的預裂孔終孔都處在煤層和直接頂的交接面，并且，每間隔10米會施工一組預裂孔，每組預裂孔的水平投影將位于同一根直線。

在完成爆破預裂孔的施工后，需要在同一組的預裂孔中填裝一根定向聚能管（長度是1米），與此同時，還需要焊制4個圓孔（直徑10毫米）均勻分布在聚能管的兩邊。每一組的預裂孔在每次爆破時爆破的順序是從里向外實現依次爆破，并且，每次允許爆破孔的數量是1個。

(2)鋪設聚酯纖維柔性網

工作面（15103）斷層帶處選取采用的是型號為JDPET600×600MS的聚醋纖維柔性網，其中，規格如下，每一個卷網的寬度是20米，長度是60米，只需要在工作面（15103）過斷層的期間鋪設聚酯纖維柔性網。

在聚醋纖維柔性網鋪設的設置方面，沿著工作面的傾向方向進行鋪設的寬度大約是10米左右。當工作面回采到約514米的位置，應在支架頂梁的前方鋪設一卷纖維網，與此同時，采取單錨桿對此固定，并保持錨桿之間的距離為3米，總共進行7根的施工。在固定好聚醋纖維柔性網之后，在端面破碎頂板的地方施工一排由兩根長是4米的錨索和一根JW型鋼梁構成的“JW”型錨索梁，其中，在布置的過程中應保持錨索梁和工作面相互平行，并且每排布置間距1米共施工5架。

圖1 工作面（15103）過F5斷層頂板的聯合控制措施解析

固定好工作面端面處的纖維網且第一排的JW型錨索梁施工完畢之后，將繼續進行工作面的回采。與此同時，在回采的過程當中將纖維網和頂梁吊掛，移架的時候把纖維網向煤壁鋪展，在移架之后確保支架頂梁、纖維網和錨索梁相互緊密接觸。詳情如圖1所示，每當工作面回采2米時需要對端面頂板進行一排JW型錨索梁的施工。

(3)頂板超前支護

為了有效減緩超前應力對頂板產生的破壞，需要工作面過斷層期進行頂板施工一排的超前支護。為有效降低對工作面回采的影響，應施工一排超前支護鉆孔于工作面的運輸順槽側煤壁處。

在鉆孔的施工結束之后還需在鉆孔內依次進行鋼針的安裝，其長度是1.5米，直徑是30毫米，并且采用絲扣式對相鄰的兩節鋼針進行連接。

4.研究結論

基于對處在斷層帶的頂板厚煤層進行深孔爆破預裂之后，由于工作面在后期回采中斷層帶上盤厚煤層發生充分垮落，引起采空區出現大量遺煤等問題。基于在端面破碎頂板選用聚氨醋纖維網并且配套JW型錨索梁能夠有效減緩端面頂板發生破碎現象，并且改善煤壁片幫。與此同時，確保工作面的移架過程當中頂板和支架頂梁之間進行充分接觸以提升支護的效果。除此之外，基于工作面的煤體處裝備超前鋼針進行支護，能夠有效提高超前應力區頂板的穩定性以確保安全高效地進行工作面回采。