王莊煤業3505 綜采工作面破碎頂板控制技術探究

王首杰

（晉能控股煤業集團長治公司生產指揮中心，山西 長治 046000）

引言

長治王莊煤業位于長治市上黨區蔭城鎮西陜村，屬沁水煤田，主采3 號煤層，平均厚度為4.94 m，核定產能260 萬t/年，煤種為貧煤。3505 綜采工作面在工作面巷道掘進過程中距離停采線800 m 位置揭露軸向近南北向、傾向近東西的向斜構造。根據鄰近工作面通過向斜構造的實踐經驗，在工作面回采過程中計劃采用縮短切眼長度，繞過構造影響區域的方式通過向斜構造。因此，在回采前已掘進新切眼及相關巷道。為最大限度回收煤炭資源、提高工作面服務年限，經王莊煤業深入探討，最終決定采用注漿加固的方式仰采通過向斜構造影響區域，以確保綜采工作面在回采過程中的頂板安全，提高回采效率。

1 王莊煤業3 號煤層概況

1.1 3 號煤層頂、底板概況

煤層偽頂厚度為0.1～0.5 m，平均0.2 m，炭質泥巖為黑色，薄層狀，結構疏松，隨采隨落；直接頂厚度為2.75 m，灰黑色，厚層狀，均勻層理，見少量不完整植物化石；老頂厚度為6.00 m，灰色，薄層狀，波狀層理，成分以石英為主，長石巖屑次之，泥質膠結，分選性差，堅硬。

直接底厚度為3.60 m，深灰色，厚層狀，均勻層理，見少量不完整植物化石；老底厚度為2.45 m，灰黑色，厚層狀，均勻層理，見少量不完整植物化石。向下依次為細粒砂巖2.30 m，砂質泥巖0.80 m，泥巖1.6 m，粉砂巖0.90 m，泥巖2.25 m，砂質泥巖3.05 m，石灰巖2.95 m，泥巖1.31 m。工作面頂底板情況如表1 所示。

表1 頂板巖性分析

1.2 3505 綜采工作概況

3505 工作面所采煤層為3 號煤層，所處水平為+980 水平，隸屬35 采區，工作面標高為+949.7～+1 021.3 m，工作面可采長度2 016.04 m，可采面積700 698.14 m2。3505 工作面北為3503 工作面采空區，南為F2 正斷層保安煤柱，西為35 采區膠輪巷，東為井田邊界線保護煤柱。煤層情況如表2 所示，工作面位置及井上下關系如表3 所示。

表2 3 號煤層情況

表3 工作面位置及井上下關系

1.3 地質構造概況

該區域構造形態總體為軸向近南北向、傾向近東西的向斜構造，地層傾角預計約為1°～11°。該區域無斷層、陷落柱、巖漿巖的影響，因此地質構造復雜程度為簡單類型[1-2]。工作面地質構造如表4 所示。

表4 工作面地質構造表

S1 向斜：位于井田中南部，井田內延伸2.20km，由北向南橫跨3505 工作面中部，兩翼傾角約9°～11°。

3505 工作面切眼回采至停采線1 026～540 m處遇向斜地質構造，該區域受地質構造影響，頂板較破碎給回采工作帶來影響，綜采隊要提前做好相關應對措施，保證工作面安全生產。

在3505 回風順槽距停采線1 629 m 向工作面長距離鉆探探測出陷落柱X21，長軸44.5 m，短軸27 m；回采通過此位置前，提前制定安全技術措施，加強安全管理，確保安全生產。工作面通過槽波勘探，在工作面內距停采線1 099 m，距回風順槽40 m 探測到異常區2，該異常解釋為構造破碎帶，不排除陷落柱的可能，范圍大小120 m×60 m，疑是陷落柱，有待鉆探驗證。

2 工作面頂板影響因素分析

2.1 地質因素對頂板的影響

隨工作面推進，煤層與圍巖相對穩定的力學結構遭到破壞，頂板巖層應力通過煤層釋放給底板巖層，若煤層強度低、易碎，順板巖層應力無法完全釋放到底板巖層，從而導致頂板破碎。決定巖體強度的重要特征主要是巖層的層理、裂隙，層理、裂隙越發育巖性越弱，強度越低，頂板巖層也越易冒落。

2.2 端面距對頂板的影響

用百分比來表示冒落范圍占工作面的總長度，端面距增加，則冒落程度隨之變大。但這個規律并不絕對，有些工作面梁端距為零，仍然發生了冒頂，這說明端面距不是影響頂板冒落的唯一因素，還有其他因素對頂板會造成影響。

2.3 工作面推進速度對頂板的影響

工作面推進速度對頂板冒落程度有直接影響，工作面推進速度加快，支護的速度也增加，減少了煤與圍巖的變形程度，工作面冒頂也會相應減少。王莊煤礦綜采工作面2002—2003 年平均日推進3 m，由于推進速度較慢，頂板控制難度大，所以頂板漏冒經常發生，2018 年—2019 年平均日推進達到5.4 m，工作面頂板漏冒基本杜絕，工作面推進速度越快，冒落程度越小。

2.4 支架初撐力對頂板的影響

支架初撐力只要達到24 kPa 以上，工作面頂板情況相對穩定，即使再增加支架初撐力，對頂板情況無明顯影響。但是當支架初撐力小于24 kPa 時，隨著初撐力的減小，端面冒落情況急劇增加。由此可見，支架初撐力對工作面頂板管控影響較大，保證支架的初撐力達到要求，對頂板管控至關重要。

3 頂板破碎的傳統控制方法

3.1 支架選型

煤層頂板不穩定，頂板破碎且容易片幫的工作面，應該盡量選取前梁具有伸縮性能的支架。采煤機割煤過后立即拉架，支護剛暴露的頂板時，立即伸出前梁，最大程度減小端面距。若煤壁片幫，可在采煤機割煤前超前拉架，使前梁頂住煤壁，確保支護有效。

3.2 金屬網護頂

支架進入頂板破碎帶以后，由于頂板破碎且在頂梁上方有厚度不等的浮矸層，移動支架時，浮矸容易從端面及架間漏下，也可造成端面冒頂擴大，錨頂網能使破碎頂板形成一個整體，達到改善頂板之功效。

3.3 帶壓擦頂移架

當采用正常操作程序降架移架很難保持破碎頂板的完整性時，應采取帶壓擦頂移架。移架時，先啟動推移千斤頂，再逐漸卸載，使梁與頂板保持一定的支撐阻力，帶壓前移，這樣頂板不會出現明顯松動，可有效控制頂板。

4 采用注漿方法控制頂板

4.1 回采前預先對構造影響區域煤壁注化學漿加固

利用工作面存在的回風順槽繞道等舊巷對構造影響區域的煤壁預先注化學漿來加固。巷道內頂板向下1.5 m 位置打設注漿孔，孔間距8 m，孔深6 m，垂直煤壁打設[3]。為保證工作面回采至構造影響區域的頂板及煤壁安全，提前對煤壁進行注化學漿加固。化學漿A、B 料混合后能迅速反應，生成高強度、高韌性的聚合物，把原來松散的、不連續的煤巖體膠結成連續的、完整的受力體，與煤巖層起到較好的黏合作用且黏合后抗壓、抗剪強度高，有效地遏制了煤壁片幫及頂板冒落事故的發生。

4.2 仰采過程中工作面采取注化學漿加固措施

煤壁注漿加固選用高分子樹脂材料，由A、B 兩組有機材料組成的復合產品。兩組分材料混合后能迅速反應，生成高強度、高韌性的聚合物，把原來松散的、不連續的煤巖體膠結成連續的、完整的受力體，與煤巖層的黏合性能好，黏合后抗壓、抗剪強度高，耐沖擊、抗疲勞性，耐酸、堿性好。材料反應前黏度較低，滲透、流動性好，能很好的滲入煤層或巖層細小的裂隙中；反應固化后有很好的柔韌性能，能承受煤巖層的變形。

5 結論

基于王莊煤業3 號煤層頂板特點以及歷年綜采工作面頂板破碎規律，總結歷年對于頂板支護的經驗和不足，歸納以往采取的支護方法，結合近幾年普遍采取的注漿辦法，把傳統方法和現代工藝相結合，形成一套行之有效處理工作面頂板的方法，為礦井頂板管控提供參考。