浅谈大采高综采工作面对顶板的控制

陈泓旭

（太原理工大学，山西 太原 030000）

红柳煤矿是神华宁夏煤业集团鸳鸯湖矿区的主要矿井之一，井田面积79.55km2，矿井设计生产能力8M/a，设计服务年限99a。目前实际生产能力6.5M/a，主要开采2＃煤层，该煤层全区发育，大部可采，平均厚度4.91m。实践表明工作面采高加大，煤壁更易片帮造成支架端面距加大，从而大大增加了工作面出现冒顶的几率，特别是像红柳煤矿这样顶板是以砂岩和泥岩为主的复合型顶板，遇水易变软泥化，且煤层节理发育完全，在回采工程中片滑现象严重。一旦工作面冒顶，严重影响综采效率的发挥，并且在处理冒顶时往往会对人身造成伤害。要确保煤矿生产安全，加强顶板管理是杜绝安全生产事故发生的关键。本文以I010202综采工作面为例进行分析，对大采高综采工作面的顶板管理提出了一些措施和方法。

1 I010202综采工作面地质概况

I0102020综采工作面所回采的2＃煤内生裂隙较发育，部分裂隙被方解石和黄铁矿充填，煤中常见黄铁矿结核。平均真密度为1.42～1.49t/m3，平均视密度为1.31～1.36t/m3。煤为条带状结构，层状构造。宏观煤岩成分以暗煤、亮煤为主，夹少量镜煤条带和丝炭薄层。为稳定的厚煤层，煤层局部含一层厚度0.04m左右的夹矸。煤层沿走向及倾向均存在一定变化。煤层中节理发育，顶板岩石较破碎，煤壁易片帮、顶板易冒落。

煤层基本顶为粗砂岩，厚18.86m，灰白色，含石英小砾石，泥质胶结，胶结程度较差，较松散，遇水振荡或手捻可散；直接顶：细砂岩、泥岩，厚6.15m，灰白色、灰色、细粒砂岩和粉砂岩泥岩组成的复合型顶板，波状层理，遇水变软；伪顶为碳质泥岩，厚度0.10m，灰黑色，薄层状，遇水变软，易脱落。直接底为粉砂岩，厚度4.26m，灰色，灰褐色，具斜层理，遇水变软；老底为泥岩，厚度2.42m，灰色，薄层状，中夹粉砂岩，成互层状，见滑面。

2＃煤老顶的直罗组下段粗砂岩孔隙裂隙含水层是影响本井田的主要含水层，工作面回采后该含水层的水会通过采动裂隙涌入工作面采空区。预计工作面的正常涌水量为150m3/h，涌水量形式以老空涌水及工作面淋水为主，工作面下端头段为重点出水区域，随着工作面的推进，周期性来压，老顶将大面积垮落，导通离层水，最大涌水量850m3/h，不排除瞬时突水的可能性。

2 I010202综采工作面概况

2.1 I010202综采工作面主要技术参数

工作面走向长1616.8m，倾斜长305.5m，煤层厚4.5～6.1m，平均煤厚5.4m，倾角1°～15°，平均倾角8°，工作面大部处于马家滩背斜轴部及两翼，背斜东翼总体呈现由南向北倾斜的形态，西翼总体呈现由东向西倾斜的形态，煤岩层沿走向及倾向均有一定的起伏变化，对回采有一定影响。工作面开采2＃煤一次采全高，仰斜开采，采用走向长壁综合机械化采煤方法，工作面沿顶留底推进，正常采高5.0m，循环进度0.865m。

2.2 巷道布置及特征

工作面为一进一回布置，两巷相互平行，东侧的巷道做为回风巷为拱形断面采用锚网喷支护，上净宽2400mm，下净宽4800mm，净高3997mm；西侧的巷道做为运输巷为异矩形断面采用锚网索喷支护，净宽5200mm，净高3850mm。

2.3 设备配套情况

工作面采用上海天地生产的MG-900/2245-GWD采煤机，郑州煤机厂生产的ZY10000/28/62D掩护式液压支架，张家口煤机厂生产的SGZ1250/2565型刮板输送机 、SZZ1350/525型转载机和PCM525型锤式破碎机。ZY10000/28/62D掩护式液压支架主要技术参数：支撑高度2.8m～6.2m；支护强度 1.03～1.06Mpa；最大工作阻力 10000KN。

2.4 工作面顶板来压情况

通过对I010202综采工作面回采期间顶板压力观测，直接顶初次来压步距75m，直接顶第一次来压步距为65m，第二次来压步距为62m，第三次来压步距为58m，第四次来压步距为56m，第五次来压步距为53m，平均来压步距为58m。

3 I010202工作面及运输巷回采过程中顶板情况

I010202综采工作面风、机两巷平均推进至785.5m，通过中部回撤通道时，下出口至运输巷顶板突然下沉，下沉段36m，运输巷高度降至2.6m，因压力大，下端头支架前梁低头，挤压至刮板运输机弧形档煤板；工作面2＃到5＃支架前冒顶，最大冒落高度12m；67＃至78＃支架和93＃至97＃支架顶板冒顶，回撤通道南翼巷道鼓包变形；79＃至92＃支架段回撤通道顶板整体垮落。根据工作面现场情况，在运输巷先后采取了挑顶、起底、架设抬棚、增加密集带帽点柱、打设锚索托梁，并在工作面注胶等方法通过顶板下沉、冒落区域。

4 顶板下沉、冒落原因分析

（1）煤层顶板为碳质泥岩、细砂岩松软破碎，对于一次采全高的大采高工作面，更容易片帮，大范围的片帮往往会造成大面积的空顶。片帮是诱发顶板冒落的重要因素。

（2）受工作面前方中部回撤通道压力变化的影响，煤层、顶板在构造应力的作用下受挤压破坏，表现为顶板离层、破碎、冒落。

（3）过中部回撤通道时，工作面一次性贯通回撤通道过长，支架支护难度大，支护不及时极易造成冒顶。

（4）周期来压显现，受其影响，顶板易破碎、下沉，煤层节理大、片帮严重。

（5）下端头前，运输巷内巷道宽8m，高5m（原第二部皮带机头），断面积过大，巷道顶板支护困难，整体下沉，影响工作面正常回采进度，造成前方压力集聚。

5 控制顶板下沉、冒落的方法

5.1 工作面顶板

（1）支架及时支护，提前采煤机前滚筒架收护帮板，割煤后距采煤机1～2架及时打护帮板，采用带压擦顶，超前移架的方式，以减少因采动影响、煤壁片帮产生的大块煤。保证支架初撑力达到规定的要求，控制顶板下沉量。

（2）支架尽量保持顶梁水平，避免出现低头或高射炮现象，否则会造成支架切顶线前移，造成顶板在煤帮垮落，难以控制顶板。

（3）推移刮板输送机、拉架要一次到位，尽量减少拉架频次，减少拉架对顶板的破坏。

（4）严格控制工作面的采高和伪斜。将采高控制在4.5m以下，减少煤壁片帮对顶板压力的影响，同时将伪斜控制在10～15m，避免伪斜过大对煤壁的影响。

（5）采用双向割煤工艺，加快工作面推进速度，减小了工作面顶板压力的影响，缩短了顶板的空顶时间，为安全生产创造良好的条件。

（6）在工作面顶板破碎、冒落段注胶对顶板和煤壁进行加固，防止冒落范围扩大。根据实际情况，确定注胶的眼孔深度、角度、眼距、布置位置。

5.2 下端头及运输巷顶板

（1）采用人工和爆破的方式挑顶，使运输巷顶板的高度可以让下端头顺利推过，保证工作面正常的回采速度。在顶板破碎时，先在顶板注胶加固后，再进行挑顶工作。

（2）使用风镐对运输巷进行起底，增加运输巷的高度使下端头可以正常推进，但根据I010202工作面现场实践证明，当底板岩性松软时，起底后会使端头支架钻底严重，使支架支护顶板和正常推进更困难。

（3）将运输巷超前支护形式变为架设“一梁三柱”抬棚，并根据现场情况缩小棚距（不大于400mm），延长超前支护距离（50m），确保超前支护质量。在运输巷超前距离外，顶板尚未下沉段增加密集带帽点柱和打设锚索托梁，提前做好顶板支护。

（4）改造端头支架，在端头支架顶梁上沿走向焊接“∏型钢梁”，增加端头支架对运输巷的支护范围。

（5）打贴帮柱，在支架护帮板下支设1颗单体支柱。将离层、冒落的矸石挤在支架顶梁上，尽量防止大块煤矸冒落，减少处理大块的时间，同时促使支架前段顶板垮落程度减小。

（6）引进大采高综采面超前支护支架。其优点是：

①实现超前支护机械化，提高工作效率和安全性。

②控制两巷受采动影响的顶板下沉、冒顶。支架对巷道围岩控制能力强，尤其在顶板破碎处应用超前支护支架，可以大大减少架棚数量。

③与端头支架及转载机、破碎机等设备实现协调推进，满足高产高效工作面对端头设备快速推移的要求。

6 结论

技术措施完善可行是顶板管理的基础，生产现场管理到位是搞好顶板管理的保证，职工安全意识高低是顶板管理的关键，这三个环节环环相扣，缺一不可。冒顶事故的发生是有条件的，也是有规律的，将顶板管理建立在科学基础上，绝大多数顶板事故是可以避免的。