综采工作面端面破碎顶板控制技术应用

张 浩 董 磊 刘俊超

（1.铁法煤业集团大隆矿，辽宁 铁岭 112614；2.铁法煤业集团内蒙古分公司，内蒙古自治区 呼和浩特 010020；3.铁法煤业集团建设工程有限责任公司矿山建设服务分公司，辽宁 铁岭 112614）

1 概况

铁法煤业集团大隆矿1302 工作面位于二水平南一采区的中部，东侧以FS1403-3 断层为界，南侧以南一1301 运顺阶段煤柱为界，西侧以采区大巷保护煤柱与设计的南一1303 运顺为界，北侧以工业广场保护煤柱为界。1302 工作面走向长度为944 m，倾向长度为211 m，工作面切巷与运输顺槽成113°夹角布置。工作面回采煤层为13#层煤，该煤层为复合煤层，煤层最大厚度为2.60 m，最小为1.0 m，平均厚度为1.74 m。煤层局部含夹石0～1 层，累计夹石厚度0.10 m。采用综合机械化回采工艺，回采高度控制为1.8～2.5 m，采用MG300/720-AWD 型采煤机落煤，ZY6400/13/27A（ZY6400/13/29）液压支架支撑顶板，全部垮落法管理顶板。

1302 工作面回采至425 m 处时，位于回风顺槽侧的147～157#支架前方端面顶板破碎严重，158#、157#、156#三架支架前方出现局部冒漏现象，煤壁片帮严重，煤壁与顶板夹角为74°。工作面在移架时难度大，在破碎区支架初撑力及工作阻力达不到设计要求，采煤机割煤时煤壁垮落严重等，制约着工作面安全高效回采。

2 工作面端面顶板破碎原因

（1）工作面伪斜影响。受地质构造影响，工作面切巷在布置时存在伪斜，工作面伪斜角度为23°，工作面切巷与回风顺槽夹角为67°，工作面回采后在尾部形成三角煤柱区域。在回采应力作用下，三角煤柱预留难度大，出现工作面及回风顺槽侧煤壁片帮严重、煤柱对顶板支撑作用力降低，从而导致工作面尾部超前2～3 m 处顶板破碎现象。

（2）上覆采空区影响。1302 工作面上覆为12#层南一1202 和南一1203 工作面采空区，12 层煤与13 层煤在工作面东侧最大间距10.70 m，西侧最小间距2.70 m，工作面与12 煤层平均间距6.94 m。在1302 工作面尾部与上覆采空区间距为4.27 m，受上覆采空区残余应力影响，顶板集中应力大，破坏严重。

（3）地质构造影响。1302 工作面水文地质资料显示，在工作面422～465 m 处北侧35 m 存在一条FS-403-3 正断层，断层落差为0～13 m，倾角为56°。工作面与断层之间保安煤柱主要以13#煤及炭质泥岩为主，保安煤柱在该断层应力作用下出现煤柱破碎、变形，从而导致回风顺槽顶板出现裂隙，且向工作面顶板延伸，破坏了尾部顶板稳定性。

（4）煤岩体稳定性影响。13#煤层伪顶主要以砂质泥岩、泥岩为主，平均厚度为0.5 m，直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为4.2 m。顶板岩体稳定性差，在应力破坏作用下，顶板承载作用降低。

3 端面破碎顶板联合控制技术

3.1 斜角钻孔卸压施工

（1）斜角卸压钻孔施工在回风顺槽顶板处，距断层侧巷帮间距为0.5 m，钻孔采用MT130 型钻机配套六棱中空钻杆以及直径为50 mm 一字型钻头施工。

（2）工作面回采至426 m 处时，在端头支架前方0.5 m 施工第一个卸压钻孔。钻孔布置间距为5.0 m，钻孔直径为50 mm，深度为8.0 m，钻孔以70°斜角向FS-403-3 断层侧布置。卸压钻孔超前工作面10 m 布置。

3.2 注浆

注浆主要是对回风顺槽侧三角煤柱进行维护，提高三角煤柱稳定性。

（1）工作面回采至426 m 处时，对三角煤柱进行注浆施工。第一个注浆钻孔施工在工作面与回风顺槽夹角处，钻孔深度为5.0 m；第二钻孔施工在回风顺槽侧煤壁上，与顶板间距为1.5 m，钻孔仰角为45°，向采空区侧斜角为60°，相邻钻孔间距为4.0 m。如图1 所示。

图1 1302 工作面端面破碎联合支护平面示意图

（2）注浆钻孔施工完后，依次对钻孔注入马丽散化学注浆材料，单孔注浆量为400 kg，注浆压力为1.5 MPa。第一次注浆时注浆孔数为4 个，注浆3 h 后工作面方可回采，在后期回采时超前工作面4～8 m 进行注浆施工。

3.3 超前管棚支护

为了防止超前集中应力对工作面顶板产生破坏作用，在148#～158#支架前方煤壁施工一排超前管棚支护。

（1）1302 工作面采用的超前管棚支护主要为一根长度为3.5 m、直径为30 mm 钢管。首先采用Y-28 型风动钻机在工作面设计顶板施工一排支护钻孔，钻孔深度为3.0 m，直径为40 mm，钻孔垂直于煤壁布置，每架支架前方施工2 个。

（2）支护钻孔施工完后，在钻孔内安装超前管棚支护，并在其外露端安装圆钢托架进行固定。每两根管棚支护采用一根圆钢托架进行固定，圆钢托架长度为3.5 m。

（3）管棚支护安装后采煤机割煤时，上滚筒割煤高度应低于支护安装高度。在移架时采用分段移架方式，并保证支架顶梁与管棚支护接触严实。

3.4 柔性恒阻锚索棚支护

当工作面端面距大于1.0 m 时，需在工作面端面处施工柔性恒阻锚索棚支护，从而对端面破碎顶板进行有效控制。

（1）柔性恒阻锚索棚支护主要由两根长度为6.0 m、直径为22 mm 恒阻锚索以及一根柔性托棚组成。每架柔性托棚主要由10 根长度为3.0 m、直径为12 mm 圆钢焊制而成。

（2）柔性恒阻锚索棚支护与工作面顶板平行布置。首先在工作面端面破碎顶板处施工两根恒阻锚索，锚索垂直顶板布置，布置间距为1.7 m，两根锚索分别施工在相邻两架支架中间。

（3）恒阻锚索施工完成后，对锚索外露端安装柔性托棚并采用一根长度为0.5 m、宽度为0.3 m钢带以及锁具进行固定预紧，预紧后保证柔性托棚与顶板接触严实。

4 结论

（1）1302 工作面施工斜角卸压钻孔后，实现了对工作面北部FS-403-3 断层应力卸压作用。通过对现场顶板观察发现，采取卸压措施后，回风顺槽顶板及工作面尾部顶板变形下沉现象得到有效控制，顶板裂隙发育减弱，回风顺槽两帮顶板跨距由原来的0.32 m 降低为0.11 m。

（2）通过对工作面尾部三角煤柱采取注浆施工后，大大提高了三角煤柱胶结稳定性及煤柱对顶板支撑作用力，降低三角煤柱垮落、破碎现象，在后期回采中未出现三角煤柱局部垮落现象。

（3）通过对工作面顶板超前施工管棚支护，对工作面应力区顶板进行了超前支护，降低了集中应力对顶板超前破坏作用，提高工作面顶板整体稳定性。在后期移架时支架顶梁与超前支护能够充分接触，保证了支架工作阻力，避免支架倒架、倾架事故发生。

（4）对端面空顶距施工柔性恒阻锚索棚支护，解决了工作面端面距加大、端面破碎严重、顶板维护难度大等技术难题。该支护柔性大，支护强度高，可应用于大变形应力围岩中。

截至2019 年12 月21 日，1302 工作面已回采至470 m，工作面顶板已趋于稳定。对工作面尾部破碎顶板采取联合控制措施后，工作面在后期回采中未出现端面顶板大面积破碎以及煤壁片帮现象，端面距降低至0.3 m 以下；工作面回采移架时支架初撑力及工作阻力提高至95%以上，保证了工作面安全高效回采。