8307 綜采工作面端面破碎頂板支護技術

范佳鑫

（晉能控股煤業集團塔山煤礦，山西 大同 037031）

1 概述

晉能控股煤業集團塔山煤礦8307 工作面位于三盤區西翼，工作面南北走向布置，工作面布置在山西組4#煤層中，南部為井田邊界，西部為未采區，東部為三盤區大巷，北部為西翼運輸大巷。8307 工作面設計走向長度為1200 m，傾向長度為185 m，工作面沿4#煤層底板進行布置，回采煤層總厚度為3.5 m，平均傾角為3°，煤層中含3～4 層夾矸，煤層結構復雜，整體穩定性差。煤層頂底板巖性見表1。回采區域內主要以中小斷層為主，根據順槽掘進期間地質資料來看，工作面回撤過程中預計揭露12 條斷層，平均落差為1.4 m，傾角為47°。

表1 8307 工作面回采的山西組4#煤層頂底板巖性表

2 工作面端面破碎機理分析

2.1 回采現狀

目前8307 工作面已回采至720 m，工作面回采至712 m 處位于工作面尾部揭露F6 正斷層，斷層落差為1.9 m，傾角為52°，斷層從機尾向工作面中部依次揭露。當工作面回采至718 m 處時工作面全部揭露斷層，工作面揭露斷層后斷層區頂板出現破碎現象，端面頂板破碎、斷裂、頂板承載強度降低，工作面煤壁受力大，煤壁片幫嚴重，端面距加大。工作面回采至720 m 處時，87#～119#支架前方端面距達1.7 m，煤壁最大片幫深度為2.4 m，片幫長度為19 m，液壓支架在端面破碎區支護時支護效果差。

2.2 端面破碎機理

（1）煤體穩定性差。8307 工作面回采的4#煤層整體穩定性、承載強度低，煤體最大抗壓強度為19 MPa，工作面回采時煤壁支撐強度低，位于煤壁側頂板先出現下沉、斷裂。

（2）地質構造影響。F6 侵入工作面煤體后，工作面上部為煤體，下部為泥巖及粗砂巖，位于巖體膠結面處煤體在構造應力作用下呈硅化現象，而且斷層加劇了裂隙帶范圍擴大，增加圍巖破碎程度。

（3）支護單一。8307 工作面在回采過程中主要采用ZZG10000/20/38 型液壓支架進行頂板支護，但是當工作面揭露斷層后端面頂板破碎嚴重且端面距大，支架在端面破碎區進行移架、升架難度大，支架頂梁出現不接頂現象，導致支架初撐力、工作阻力不足，支護相對單一滿足不了工作面回采需求。

3 端面破碎頂板支護技術[1-5]

3.1 注漿加固

注漿加固主要通過對端面破碎頂板施工注漿孔，高壓注入有機化學材料將破碎頂板進行粘接，使破碎頂板二次重組，提高頂板承載強度。

（1）注漿鉆孔布置參數。工作面注漿采用雙孔注漿方式，每組兩個注漿孔，包括頂板孔（1#）和煤壁孔（2#）。頂板孔主要對端面頂板進行加固，煤壁孔主要對煤壁進行加固。頂孔深度為3.0 m，直徑為45 mm，鉆孔以60°仰角布置；煤壁孔布置煤壁上，距頂板間距為1.5 m，鉆孔深度為5.0 m，直徑為45 mm，鉆孔布置仰角為45°。每組鉆孔布置排距為3.0 m，斷層區共計布置10 組注漿鉆孔。

（2）注漿設備及注漿液：① 采用ZQSJ-90/2.4手持式鉆機進行鉆孔施工，鉆機額定轉矩為90 N·m，額定轉速為260 r/min；② 采用2ZBQ50/4 型氣動雙液注漿泵進行注漿施工，注漿泵空氣用量為0.7 m3/min，注漿最大壓力為6.0 MPa；③ 注漿材料采用雙組分合成高分子——聚亞胺膠脂材料（馬麗散），采用高壓灌注。

（3）注漿工序：注漿鉆孔施工→安裝注漿軟管→安裝止漿塞→連接注漿泵→開泵注漿。注漿時注漿壓力由高到低，穩定注漿壓力為2.0 MPa，穩壓時間不得低于10 min。注漿完成后在相鄰兩個注漿孔之間施工驗證孔并取樣，分析注漿效果，若注漿不到位必須補孔重新注漿。

3.2 錨索吊棚施工

為了控制端面頂板圍巖松動圈出現蠕動變形、下沉，在端面頂板施工錨索吊棚進行維護控制，如圖1。

（1）支護結構。錨索吊棚采用玻璃鋼柔性錨棚材料，頂梁采用5 根長度為3.0 m、直徑為25 mm 玻璃圓鋼組成，圓鋼采用三組夾板進行固定，圓鋼兩側端頭安裝護套，頂梁寬度為0.5 m。每架吊棚配套兩根長度為5.0 m、直徑為17.8 mm 預應力錨索起吊。

（2）支護工藝。錨索吊棚施工在87#～119#支架前方頂板上，錨索吊棚與支架頂梁平行布置，吊棚布置間距為1.5 m，布置排距為1.0 m。工作面過斷層區時平均端面距在1.0 m 左右，所以工作面每割煤一刀后及時在支架前探梁前方0.3 m 處施工一排錨索吊棚。采煤機在斷層區割煤后進行超前支護，超前移架，減小頂板受壓時間。

3.3 超前管棚支護

（1）支護目的。8307 工作面過斷層期間在煤壁前方形成集中應力疊加區，圍巖在集中應力作用下出現超前破碎、斷裂，破壞了圍巖力學結構，工作面在回采時集中應力向回采空間釋放，降低煤壁承載強度，造成煤壁片幫、垮落。超前支護是對超前應力集中區施工管棚，形成人工管棚假頂，管棚在煤壁支撐作用下形成支撐效應梁結構，削弱集中應力破壞作用。

（2）支護結構。超前管棚支護主要由一組長度為3.0 m、直徑為32 mm 中空鋼管組成，鋼管端頭為實芯銷尖狀，端頭銷尖長度為0.5 m，鋼管兩側均勻布置三排小孔，孔徑為10 mm，間距為0.3 m。

（3）支護工藝：① 首先采用ZQSJ-90/2.4 手持式鉆機配套長度為3.0 m 鉆桿以及直徑為35 mm“八字型”合金鋼鉆頭進行鉆孔施工，鉆孔布置在設計頂板下方0.3 m 處，鉆孔垂直煤壁布置，布置間距為1.5 m，如圖1 所示。② 鉆孔施工完后對鉆孔內安裝超前管棚，在管棚外露段安裝JW 型鋼帶進行固定。

圖1 8307 工作面端面破碎頂板支護平面示意圖（mm）

4 效果

當前，8307 工作面已過F6 斷層區，該斷層對工作面影響回采長度為58 m，通過對斷層破碎區采取聯合支護技術，取得了顯著應用成效。

（1）通過雙孔注漿對端面破碎區圍巖以及煤壁進行重組，增加了破碎圍巖摩擦角，提高了圍巖抗壓強度以及韌性，圍巖能夠起到有效的抗蠕動變形，延長了端面頂板承載梁結構。

（2）傳統單錨索支護時形成的應力梁對頂板應力削弱力度小，錨索屬于柔性支護體，在支護過程中桿體易出現彎曲現象，通過安裝梯形梁一方面可以有效約束錨桿預應力擴散現象，另一方面可以控制相鄰兩根應力錨索之間圍巖在剪應力作用出現破碎、垮落。

（3）對工作面煤壁施工超前管棚支護，解決了傳統錨桿（索）、支架支護時圍巖控制滯后性大等技術難題，實現了應力區圍巖超前維護的目的，有效防止在多重應力作用下出現頂板圍巖超前破碎垮落等現象。

（4）采取聯合支護技術后，工作面在后期回采中端面頂板破碎現象以及煤壁片幫現象得到了有效控制，端面最大控頂距在0.5 m 以下，煤壁最大片幫長度控制在4 m 以下，最大片幫深度控制在0.7 m 以下。