综采工作面端面破碎机理及控制措施

曹昊苏

（大同煤矿集团雁崖煤业有限公司，山西 大同 037001）

1 工作面概况

大同煤矿集团雁崖煤业公司8301工作面位于三盘区北部，工作面东部为三盘区大巷，南部为实煤区，西部为井田边界，北部为8302工作面采空区。

8301工作面设计走向长度为1210 m，倾向长度为180 m，回采煤层为二叠纪下统山西组4#煤层，平均厚度为3.5 m，工作面无伪顶，直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为3.2 m，岩石普氏系数f=2.5，岩体成脆性，易断裂破碎，基本顶主要以粉砂岩为主，平均厚度为6.7 m；8301工作面采用综合机械化后退式回采工艺。

截止2018年6月11日8301工作面已回采570 m，回采至565 m处位于工作面89#～133#支架前方端面顶板出现局部破碎现象，且工作面煤壁片帮现象严重，当工作面回采至570 m处时，端面顶板出现大面积破碎，并伴随有局部冒落现象，受煤壁片帮影响，端面空顶距达1.1 m，支架移架后不接顶现象严重，支架初撑力及工作阻力不足额定值的60%，工作面回采速度降低至4.5 m/d，严重制约着工作面安全高效回采。

2 8301工作面端面破碎机理

1）采空区残余应力影响：由于8301工作面北部为8302工作面采空区，工作面保安煤柱宽度为25 m，受采空区残余压力影响保安煤柱破坏严重，煤柱对顶板支撑作用力降低，造成8301工作面采空区侧顶板出现下沉、断裂现象，并向工作面中部延伸，从而导致工作面顶板破碎。

2） 构造应力影响：8301工作面回采至578 m处时揭露一条逆断层F2，断层落差为1.6 m，倾角为42°，断层破坏了顶板岩体整体连续性，位于断层面附近岩体稳定性差，工作面在回采时在超前应力作用下，断层带附近岩体破坏严重，随着工作面回采，顶板出现局部破碎、冒落现象。

3）顶岩稳定性差：8301工作面直接顶主要以炭质泥岩混合岩层为主，平均厚度为3.2 m，岩体成层状结构，且岩体单轴抗压强度不足20 MPa，承载能力低，在应力作用下顶板岩体易破碎。

4）支架顶梁切顶破坏：工作面回采后支架在支撑顶板的过程中，会对顶梁上方岩体进行挤压，导致支架顶梁端头对顶板岩体产生线性切顶破坏，在集中应力作用下端面空顶处出现破碎现象。

5）支架支护效果差：受破碎顶板影响，支架在破碎顶板处支护效果相对较差，支架支撑力、工作阻力不足额定值的60%，支架支护后局部出现不接顶现象，在支架顶梁上方岩体出现卸压空间，从而导致顶梁上方岩体破碎严重，且向煤壁方向延伸。

3 端面破碎控制措施

为防止8301工作面端面破碎范围扩大，保证工作面安全高效回采，通过研究决定对8301工作面端面破碎处采取 “斜角超前钻孔卸压+组合梯形锚索棚支护+管棚超前支护”的联合支护方式。

3.1 斜角超前钻孔卸压

为了防止工作面应力超前集中现象，避免支架顶梁及端面处出现卸压空间，决定对工作面施工斜角超前卸压钻孔，对集中应力进行卸压。

（1）卸压钻孔深度确定：为了保证卸压钻孔起到预期卸压作用，在工作面顶板施工三个窥视孔，钻孔深度为3.5 m，通过窥视孔施工过程中每米产生的煤屑量分析发现，在钻孔0～2.0 m范围内属于卸压区，岩体破坏严重，在2.0～2.8 m范围内属于卸压区减弱区，在2.8 m以上属于稳定区，所以最终确定卸压钻孔有效深度为3.5 m，钻孔终孔端位于岩体稳定区内。

（2）卸压钻孔施工：为了达到对工作面应力超前卸压目的，卸压钻孔施工在距顶板1.0 m煤壁处，钻孔直径为40 mm，钻孔成60°仰角布置，卸压钻孔施工在80#～133#支架前方煤壁处，钻孔间距为5 m，共计施工15个。

3.2 组合梯形锚索棚支护

为了防止煤壁片帮导致端面空顶距加大，造成端面处出现冒落现象 ，同时提高支架支护强度，决定在端面空顶处施工组合梯形锚索棚支护。

（1）组合梯形锚索棚支护主要由梯形梁、组合锚索托板、恒阻锚索等部分组成，梯形梁主要由直径为25 mm圆钢组成，长度为2.0 m，宽度为0.5 m；组合锚索托板共计两块，长度为0.5 m，宽度为0.5 m，在托板两端各焊制一个直径为30 mm圆孔，孔间距为0.4 m；恒阻锚索规格为Φ21.6 mm×6000 mm，每架梯形锚索棚配套4根恒阻锚索，见图1。

（2）组合梯形锚索棚施工在83#～133#支架前方端面处，首先在指定端面空顶处施工4根恒阻锚索，锚索横向间距为2.0 m，纵向间距为0.4 m；恒阻锚索施工完后，在锚索外露端依次安装梯形梁、锚索托板，并采用锁具进行固定，保证梯形梁与顶板接触严实，。

（3）组合梯形锚索棚间排距为1.0 m，锚索棚施工完后回采时支架顶梁紧贴梯形梁带压擦顶移架，直至工作面完全过破碎带。

3.3 超前管棚支护

为了实现对工作面前方超前应力区进行超前维护目的，防止回采时超前应力作用导致煤壁片帮严重，端面距加大，决定在工作面回采前对煤壁施工一排超前管棚支护。

（1）8301工作面施工的每组超前管棚支护主要由40根长度为3.2 m，直径为30 mm钢筋以及若干个夹板组成，管棚支护施工在工作面设计顶板位置，且垂直煤壁布置。

（2）首先采用手持式风动钻机配套麻花钎杆以及32 mm“八”字型钻头进行

超前支护钻孔施工，钻孔深度为3.2 m，钻孔间距为1.2 m，钻孔水平偏角允许误差为±3°，垂直偏角允许误差为±2°。

（3）支护钻孔施工完后对钻孔内依次安装锚固剂、钢筋并采用钻机进行锚固，锚固后保证钢筋外螺长度控制在0.15～0.25 m范围内；钢筋锚固后在每两根钢筋外露端安装一根长度为1.5 m夹板，并采用卡缆进行固定。

（4）超前管棚支护施工完后，工作面在移架时支架顶梁紧贴管棚支护面，当工作面回采至2.5 m处时及时施工第二排管棚超前支护，相邻两排超前支护交替叠加布置。

图1 8301工作面端面破碎顶板联合支护剖面

4 结语

1）通过施工卸压钻孔为工作面超前应力区创造了卸压空间，避免了因顶板破碎产生卸压区，降低了集中应力破坏作用，防止了超前集中应力对煤壁产生剥离破坏，导致煤壁片帮、端面空顶距加大等现象。

2）组合梯形锚索棚支护不仅对端面空顶处进行有效支护，提高了端面处顶板承载能力，防止了端面破碎、冒落现象，同时通过施工组合梯形锚索棚支护后支架移架时顶梁可紧贴锚索棚，从而防止了支架顶梁托空现象，提高了支架初撑力及工作阻力。

3）通过对工作面顶板位置施工超前管棚支护，实现了工作面煤壁超前支护，防止了集中应力对顶板超前破坏，提高了煤体对顶板的支撑强度，为工作面安全高效回采奠定了基础。

对8301工作面端面破碎顶板采取“斜角超前钻孔卸压+组合梯形锚索棚支护+管棚超前支护”的联合支护措施后，工作面在后期回采过程中端面空顶距控制在0.3 m以下，支架初撑力及工作阻力提高至87%以上，端面顶板未出现冒落、大面积破碎现象，工作面回采速度提高至7.5 m/d，取得显著应用成效。