大采高工作面遇顶部夹矸冒顶机理及加固技术研究

张建丽

（山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100）

对于采高较大的工作面而言，其顶板控制难度越大，顶板来压明显，因而时常会有片帮、冒顶事故[1]。尤其是在综采工作面遇构造及顶部夹矸时，顶板破碎程度加大越难维护[2]。通常综采工作面遇构造时往往是在工作面推至构造位置时，在工作面内进行注浆，这不仅会因构造揭露导致顶板发生漏顶，更会因注浆而影响工作面正常生产[3]。因此，本文针对经坊煤矿3-807工作面遇构造时，设计从工作面顺槽提前对构造进行注浆，以达到工作面快速通过构造的目的。

1 工作面概况

经坊煤矿1307综采工作面推进长度为1525m，工作面长220m，采高4.75m。工作面设计有胶运顺槽和回风顺槽，巷道宽5m，高4.5m。

通过顺槽掘进揭露及仪器探测，在距切眼0～230m范围内顶板存在厚度达1500mm夹矸，夹矸上层有200mm厚的煤层。该夹矸性质为泥岩，遇水易膨胀，在工作面采动影响下易冒落，在1307工作面初采时，在0～80m范围内，共冒顶11次，严重影响到了工作面的生产效率及安全。因此，设计从工作面顺槽提前对100～230m范围的构造进行注浆，增强顶板围岩强度，提高回采效率。

2 工作面冒顶机理分析

通过对1307综采工作面初采期间的观测，工作面顶板冒落的过程为：工作面内煤壁受采动影响发生大面积片帮，随后发生片帮区域的顶板冒落，进而导致液压支架无法正常接顶，而工作面顶板因支护质量差进一步加剧顶板的冒落[4]。

因此，造成1307综采工作面冒顶的关键原因在于煤壁的大面积片帮。提高工作面煤壁的强度能够使之能够有效的对顶板形成支撑，减小因煤壁片帮而导致空顶面积的增大，使工作面液压支架能够接定严实，进而从根本上解决工作面冒顶的问题。

3 顶板冒落数值模拟研究

本文通过FLAC3D软件研究了顶板、煤体的强度提升对顶板围岩破坏的影响[5]。为了对比研究，方案共有5个，其中方案一、二、三、四顶板力学参数相同，煤体的抗压强度依次增加，方案五与第一煤体的抗压强度不变，顶板的强度加大。各方案围岩参数如表1所示。

表1 煤体参数

经过模拟研究得到工作面围岩变形情况如图1、表 2所示。

图1 工作面围岩变形情况

表2 围岩塑性变形范围

通过数值模拟研究发现，方案一和五中只增强顶板围岩强度对工作面围岩的破坏减小效果较差，而对比方案一、二、三、四发现工作面围岩塑性变形范围随着煤壁强度的增加而显著减小。因此，对于综采工作面顶板事故的防治应同时加强煤壁与顶板的强度。

4 注浆加固方案

4.1 钻孔布置

通过上文的研究，得出钻孔的布置应同时兼顾煤体及顶板，才能实现对工作面冒顶片帮事故的防治。因此，设计在13071胶运顺槽和13072回风顺槽内向煤体对称施工钻孔。单侧共设计2排钻孔，下排钻孔距离巷道底板高度为2m，间距为10m，钻孔与水平夹角为5°，钻孔深度为100m；下排钻孔距离巷道底板高度为3m，间距为10m，钻孔与水平夹角为6°，钻孔深度为100m，钻孔直径94mm。

图2 钻孔布置图

4.2 注浆位置

为确保注浆的效果，应选择合理的注浆区域。经坊矿1307工作面超前支承压力分布情况如图3所示，按应力大小可划分4个区域。

图3 工作面超前支承压力分布图

在0-20m范围内，煤体在支承压力作用下裂隙发育，在该范围内注浆所需注浆量大，且易影响工作面生产，注浆效果较差。

在大于55m的区域4，煤体受采动影响小，裂隙不发育，注浆效果差。

在20-55m的区域3内，煤体受到支承压力影响裂隙较为发育，利于浆液扩散，煤体自身承载力强，注浆效果最好。因此，最佳的注浆位置为20-55m范围。

4.3 注浆效果

经过注浆加固后，1307工作面回采顺利。在通过100-230m的注浆区域时，工作面共发生小范围的顶板事故8次，较初采期间顶板事故发生次数大幅减小，工作面顶板、煤壁基本稳定，工作面能够实现正规循环作业，推进速度提高45%。

5 结语

1）对综采工作面进行预注浆能有效降低大采高工作面因构造引起的片帮冒顶事故。

2）在顶板发生冒顶的过程中，煤壁的强度是关键的影响因素，决定了工作面能否对顶板形成有效的支护，应重点加强煤体强度。

3）工作面预注浆应选择在工作面前方20-55 m的范围内。