15209综采工作面端面破碎机理及控制

许海明

（山西高平科兴游仙山煤业有限公司，山西 晋城 048400）

1 概况

山西高平科兴游仙山煤业有限公司15209综采工作面位于+810m水平二采区。工作面可采范围北至15209工作面运输顺槽，南至15209工作面回风顺槽，东至工作面切眼，西至工作面停采线。15209综采工作面东邻井田边界，南邻设计15208工作面运输顺槽，西邻二采区回风巷，北邻设计15210工作面回风顺槽。

15209综采工作面设计走向长度为872m，倾向长度为154m，回采煤层为15#层。该煤层位于太原组底部，基本顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为2.4m，直接顶板为K2灰岩，平均厚度为11.8m。揭露煤层厚度为3.20～5.16m，平均厚4.10m，煤层结构简单，煤层倾角1～7°，黑色，细条带状结构，内生裂隙发育。

15209综采工作面采用综合机械化工艺，全部垮落法填充采空区，目前工作面已回采235m。受地质构造等影响，工作面回采至231m处工作面位于回风侧顶板出现端面破碎现象，破碎倾向长度达26m（80～95#支架之间），局部出现冒落现象，最大冒落高度达1.7m。

2 工作面端面破碎机理

（1）地质构造影响。15209工作面回采至237m处位于回风顺槽揭露一条F5正断层，断层落差为1.4m，倾角为48°。断层破坏了煤岩体的连续稳定性，导致位于断层侧煤岩体稳定性差，在回采动压作用下，煤岩体出现松动破碎现象，且向工作面深部延伸，从而导致端面破碎、煤壁片帮现象。

（2）采空区影响。15209工作面南部为15208工作面采空区，相邻两个工作面预留保安煤柱宽度为30m。受采空区残余应力作用，保安煤柱垮落现象严重，煤柱支撑作用力降低，导致保安煤柱侧顶板出现下沉、断裂现象，顶板裂隙发育，且裂隙带向工作面内延伸。

（3）不稳定顶板影响。15209工作面直接顶主要以炭质泥岩为主，岩体不稳定，单轴抗压强度不足30MPa，顶板承载能力低，在顶板集中应力作用下出现破裂现象，形成围岩松动圈，且随着时间推移，松动圈范围不断扩大，导致顶板冒落现象。

（4）回采工艺影响。15209工作面采用MG300/730-WD型采煤机进行割煤，截割深度为0.73m。割煤后不能及时进行移架，导致支架前探梁对顶板产生切顶破坏，加剧了顶板破坏程度。

（5）煤壁片帮严重。由于15209工作面回采煤层为15#煤层，煤层内夹多层矸石，总厚度为0.8m，煤体稳定性差。而且工作面采用一次性采全高回采工艺，工作面回采高度大，导致回采后煤体不稳定，容易出现片帮现象，造成端面空顶距加大，加剧端面破碎现象。

3 端面破碎联合控制措施

为了有效控制15209工作端面破碎现象，决定在回风顺槽施工走向梯形梁组合锚索吊棚，对工作面进行“注浆加固技术+走向掏槽搭梁”联合维护措施。

3.1 施工梯形梁组合锚索吊棚

为了提高采空区及断层侧煤岩体稳定性，降低采空区以及断层对工作面煤岩体破坏范围，决定在回风顺槽侧施工一排组合锚索吊棚，进行顶板加固。

（1）组合锚索吊棚主要由一根长度为2.0m、宽度为0.5m梯形梁以及三组组合锚索组成。每组组合锚索主要由3根长度为6.0m、直径为21.6mm恒阻锚索以及一块规格为长×宽=0.5×0.5m钢托板组成，托板上焊制三个直径为30mm圆孔。

（2）组合锚索吊棚施工在回风顺槽顶板上，距工作面煤壁间距为1.0m，锚索吊棚走向布置，吊棚间距为1.0m。每架锚索吊棚施工三组组合锚索，间距为0.8m。如图1所示。

（3）首先在回风顺槽顶板施工吊棚中部组合锚索，组合锚索施工完后及时安装梯形梁，并采用钢托板及锁具将其与顶板进行固定。中部组合锚索施工完后，依次施工两端组合锚索，锚索外露长度控制在0.15～0.25m范围内，预紧力不得低于170kN。

（4）梯形梁组合锚索吊棚超前工作面5.0m布置。为了降低采空区及断层处集中应力作用，在相邻两架吊棚之间施工一个卸压孔，孔径为90mm，深度为5.0m，卸压孔垂直顶板布置。

3.2 注浆加固技术

为了防止煤壁片帮，提高破碎顶板胶结稳定性，决定对工作面煤壁及顶板岩体采取注浆加固技术。

（1）注浆钻孔布置在工作面煤壁上，距顶板1.0m，第一个钻孔距回风顺槽2.0m，相邻两个钻孔间距为3.0m。工作面共计布置9个注浆钻孔，钻孔成一字型布置。

（2）采用YT-28型凿岩机、中空钻杆以及直径为45mm合金钻头联合进行钻孔施工，钻孔深度为5.0m，孔径为45mm，钻孔与煤壁成45°仰角布置。

（3）注浆钻孔施工完后，对钻孔依次埋入注浆软管，并采用PKJW型环形封孔器对钻孔封孔处理。将注浆软管与ZBQ型注浆泵连接进行注浆施工，注浆液采用马丽散混合液，注浆压力为1.2MPa。

图1 15209工作面端面破碎区联合支护平面示意图

（4）第一排钻孔注浆完成2h后工作面方可回采，当工作面回采3.0m后施工第二排注浆钻孔并进行注浆施工，注浆后在回采过程中若发现钻孔注浆失效现象时，必须补打注浆孔重新进行注浆。

3.3 走向掏槽搭梁施工

为了防止支架对顶板切顶破坏，防止端面冒落现象，提高支架初撑力、工作阻力，决定对端面处安装走向钢梁。

（1）首先在两架支架之间前方煤壁处进行掏槽施工，掏槽宽度为0.3m，高度为0.5m，深度为3.0m。掏槽布置在设计顶板位置，且垂直煤壁布置，槽钢间距为1.5m。

（2）掏槽施工完成后在槽内安装一根长度为3.0m工字钢梁，在相邻钢梁之间上方搭接两根长度为1.5m、宽度为0.18m槽钢。槽钢与工作面平行布置，槽钢平面与顶板接触严实，在工字钢梁外露端采用锚杆与顶板进行固定。

（3）工作面回采后使支架顶梁紧贴槽钢面带压擦顶移架，当支架移架到位后及时将槽钢前移，工作面回采3.0m后及时安装第二排走向钢梁。

4 应用效果

（1）通过对15209回风顺槽顶板施工梯形锚索吊棚，加强了顶板稳定性，防止因采空区、断层应力作用导致巷道顶板破碎现象。通过施工卸压孔对集中应力进行有效释放，削弱了集中应力对端面顶板及煤壁产生破坏作用。

（2）通过对工作面施工仰斜注浆钻孔进行注浆，煤岩裂隙带达到充分粘接，使顶板不稳定岩体单轴抗压强度提高至64MPa，提高了煤岩体整体稳定性及胶结稳定性，防止了煤壁片帮现象。

（3）15209工作面施工走向掏槽搭梁后，防止了端面空顶下沉、冒落现象，对工作面顶板起到超前支护作用，提高了工作面顶板稳定性以及液压支架初撑力和工作阻力，保证了支架支护效果。

对工作面端面破碎区采取联合控制措施后，在后期回采期间工作面端面距控制在0.3m以下，端面空顶处未出现冒落现象，工作面支架初撑力、工作阻力提高至87%以上，工作面回采速度提高至7.5m/d。