综采工作面过冒顶区顶板加固技术研究

杨朝兴

(山西汾西中兴煤业有限责任公司，山西 交城 030500)

随煤炭采深增加，煤炭赋存地质条件更趋复杂，矿井生产过程中受到影响更为明显[1-2]。当采面生产遇到破碎煤岩体时如何确定顶板岩层稳定是煤炭开采时需要解决的现实问题[3-5]。据有关统计结果[6-7]，顶板事故占据矿井事故总数达到65%以上，文中就以山西某矿20205综采工作面为工程背景，对采面过顶板冒落区时围岩加固技术后，有效确保了采面生产安全。

1 工程概况

山西某矿设计生产能力为600万t/a，开采的2#煤层赋存稳定，水文地质条件较为复杂，现阶段矿井开采井下布置有2个综采工作面。其中20205综采工作面设计走向、倾向长分别为2680 m、320 m，煤层厚度平均为7.93 m，煤层倾角1°～3°。20205采面埋深为385 m，顶底板岩性以泥质粉砂岩、砂质泥岩为主，具体顶底板岩性参数，如表1所示。

表1 顶底板岩性参数

20205综采工作面推进至1 305 m时，受到顶板来压影响加之围岩破碎，导致60#～85#支架间顶板冒落、煤壁片帮，给采面正常生产带来不利影响。

2 顶板冒落区加固技术

2.1 冒落区顶板处理方法

常规的采面顶板冒落区处理方法有：顶板充填、支悬顶梁以及掏梁窝挑钢梁等，但是上述技术方法存在一定会安全风险，在冒落区处理过程中容易出现人员伤亡，给矿井生产安全带来不利影响。在采面顶板冒顶区处理时，最为常用技术方法为掏窝挑钢梁，随着在钢梁上布置木垛、架棚等，并充填高分子材料，确保采面支护措施可与冒落后新形成的顶板密切接触，避免长时间空顶造成顶板岩层再次失稳。在冒落区处理时需要人员在未有必要安全防护措施时金额到空顶区，作业人员容易受到冒顶伤害。

为了提升冒落区处理安全性，避免人员进入到冒落区，提出采用在冒落区注入罗克休泡沫对冒落区顶板岩层进行加固。在冒落区前方掘进效断面措施巷采用马丽散提前加固容易冒落位置顶板以及煤体，从而改善采面内煤体及顶板岩性，为采面安全生产创造良好条件。采用提出的技术方法人员不需要进入到冒落区内，从而提升冒落区处理安全系数。

2.2 措施巷支护及施工工艺

2.2.1 措施巷布置

在采面57#、87#支架位置采用炮掘方式沿2#煤层顶板掘进措施巷。在靠近机头位置煤柱长4 000 mm，巷道长、宽、高分别为5 800 mm、1 800 mm、2 000 mm；在靠近机尾侧煤柱长6 000 mm，巷道长、宽、高分别为6 000 mm、1 800 mm、2 000 mm。平行采面的措施巷长总计55 m，宽、高分别为1 800 mm、2 000 mm。为避免采面掘进过措施巷期间巷道应力集中造成漏顶问题，平行于采面的措施巷应成伪斜布置。具体顶板冒落区措施巷布置位置，如图1所示。

图1 冒落区措施巷布置位置示意图

2.2.2 措施巷支护工艺

措施巷顶板岩层支护采用“锚网索+钢带”形式，锚索为钢绞线(规格为21.6 mm×7 000 mm)，每排布置3根，间排距分别为600 mm、1 500 mm，锚索施加的预紧力在120 kN以上，锚索支护紧跟措施巷掘进布置。顶板采用菱形金属网(8#铅丝编制)支护，金属网规格为5 500 mm×1 200 mm，网片间搭接距离在200 mm以上并采用14#铁丝绑扎。钢带型号BHW280-3.00型。

巷帮采用“玻璃钢锚杆+塑料网片”进行控制，采用的玻璃钢锚杆(型号MGSL18/1800F)扭矩在50 N·m以上，间排距均为500 mm；采用的塑料网网孔规格为40 mm×40 mm，网片间搭接距离在200 mm以上，采用14#铁丝绑扎连接。具体注浆措施巷支护断面，如图2所示。

图2 措施巷支护示意图

2.2.3 措施巷掘进

措施巷掘进采用炮掘方式，掘进时采用4台凿岩机(型号QYT-28)施工炮眼，一次成巷，掘支段长度控制在1 800 mm，短掘短支方式。掘进出煤采用小车人工运输。

2.3 措施巷注浆工艺

带措施巷施工完毕后，对煤壁注入马丽散。具体注浆工艺为：

1)对采面57#～87#支架顶梁位置前部采用钢筋网+风筒布充填，避免注入罗克休时浆液渗漏；

2)通过注浆管路向采面顶板冒落区(57#～87#支架)注入罗克休采面进行充填；

3)在措施巷内向煤柱布置孔径42 mm钻孔，钻孔呈三花眼布置形式，间距为1 000 mm，孔深3 000 mm，垂直煤壁布置；

4)向钻孔内主加入马丽散，注入顺序从两侧向中间进行。

2.4 采面顶板压力分析

在对采面冒顶区加固之前，综采液压支架工作阻力平均在45 MPa以上，其中52#液压支架工作阻力最大可达49 MPa，对冒顶区处理后采面推进过程中液压支架工作阻力一般均在40 MPa以下，具体监测结果，如图3所示。从监测结果得知，通过对冒顶区进行处理，有效降低顶板应力集中程度，实现了采面正常回采。

图3 冒落区处理后液压支架工作阻力监测结果

3 经济效益分析

在采面冒顶区创新性采用罗克休充填，并施工措施巷对煤壁、顶板进行注浆加固，可显著提升采面顶板岩层以及煤壁稳定性，具体传统冒落技术与文中顶板处理技术经济效益，如表2所示。

表2 冒落区不同处理方式效果比对结果

文中所提顶板处理技术冒落区处理实践耗时为12 d，较传统的顶板处理方法节省实践约17 d，同时顶板处理费用仅为58万元，较传统的顶板处理费用降低约43万元。综上分析可知，文中提出的冒顶冒落区处理技术经济、安全效益显著。

4 结语

1)在20205综采工作面冒顶区采用罗克休充填、施工小断面措施巷注入马丽散对顶板、煤壁进行加固处理后，采面液压支架工作阻力均在40 MPa以内，顶板及煤壁稳定性得以显著改善，可为采面后续生产创造良好条件。在采面机后续割煤过程中顶板未再发生冒落。

2)相对于传统的顶板冒落区处理技术方法，文中提出的处理技术在安全性、经济性等方面均表现出显著优势。该技术方法可为其他矿井顶板冒落区处理提供一定借鉴。