复杂构造影响下采面顶板控制技术研究

吕 刚

（汾西矿业正善煤业，山西 孝义032300）

在煤岩开采区域内地质构造发育时，采煤工作面顶煤壁容易出现片帮、顶板破碎、冒顶、端面距增加等问题，加剧采面顶板控制难度[1-2]。现阶段矿井对顶板破碎区常用控制方法主要有减少割煤深度、超前移架、注浆以及走向搭梁等技术[3-5]。在地质构造复杂区域内煤层顶板破碎，特别是采面端头控制困难，采用常规的顶板控制技术存在顶板管理难度大、成本高等问题[6-7]。文中就以山西某矿3108综采工作面为工程背景，对复杂构造影响下的采面顶板控制技术展开探讨，以期为其他矿井类似情况下的顶板管理提供一些借鉴。

1 工程概况

3108采面设计回采长度950 m、斜长210 m，采面开采的3号煤层厚度平均2.60 m，中间夹杂有一层厚度0.3 m左右泥岩矸石。采用采用综合机械化采煤工艺，采煤机型号为MG300-720-AWD，液压支架型号为ZY6400/13/27A，全部垮落法管理顶板，采面每天割6刀（4.8 m/d）。

3108回采推进至450 m位置时由于受到褶曲、断层等构造发育，造成采面顶板极为破碎，其中156号~159号支架间出现顶板冒落问题。采用液压支架移架困难，在顶板破碎区域内液压支架工作阻力不能达到预先设计要求，采面液压支架工作阻力一般在设定值80%以内，采煤机割煤时部分区域煤壁片帮，采面煤炭仅能割3刀煤（推进2.4 m/d），顶板破碎给采面正常回采带来显著不利影响。

2 采面顶板破碎原因分析

1）采面伪斜布置。于受到区域地质构造影响，采面伪斜布置，回风巷滞后进风巷约25 m，采面伪斜角度在15°~23°。采面回采后在机尾处形成三角煤柱区，在采动动压影响下三角煤柱区煤壁片帮严重，煤柱对顶板支撑强度有限，进一步导致顶板破碎。

2）上覆采空区影响。3108采面上覆为2号煤层采空区，3号煤层与2号煤层平均间距为9.5 m。2号煤层开采后造成3号煤层顶板出现裂隙，从而给3号煤层正常回采带来不利影响。

3）地质构造。根据前期探测资料，3108采面内发育有多条断层，其中对采面回采影响较大的有DF402（H=1~13 m，198°∠49°）、DF413（H=3~6 m，126°∠65°）断层，在断层影响带附近煤岩体破碎，且断层在采面内延伸长度均在100 m以上，是造成采面顶板破碎的主要原因。

4）煤岩体稳定性差。3号煤层上覆有0.5 m厚砂质泥岩、泥岩伪顶，直接顶为厚度3.9 m炭质泥岩，强度均较低，在上覆2号煤层开采时即会产生一定的裂隙，加之受到3108采动动压影响，顶板承载能力进一步降低。

3 顶板控制措施

为了确保3108采面回采安全，针对煤层顶板破碎问题，提出采用注浆方式加固顶板，从而为采面正常回采创造良好条件。

3.1 注浆设备及材料

在3108综采工作面顶板破碎区域内采用注浆锚杆进行注浆加固，具体涉及到的注浆加固设备分别为：注浆泵、中空注浆锚杆、锚杆钻机（KT-125）、马丽散注浆浆液、锚固剂等。采用的中空注浆锚杆规格为Φ30 mm×3 500 mm。注浆锚杆在液压支架中间位置施工，锚杆间距为3 000 mm、排距为3 000 mm。为了降低注浆加固成本，在顶板完整区域内不注浆，仅仅在顶板即为破碎区域，如机尾三角煤区、断层破碎带附近进行注浆。具体注浆钻孔现场布置以及注浆锚杆规格见图1—图2所示。

图1 注浆锚杆布置示意图（mm）

图2 中空注浆锚杆规格参数及注浆加固系统组成（mm）

3.2 注浆施工工艺

1）在采面回采推进靠近DF402、DF413断层时，若煤层顶板相对较为完整，未出现大范围破碎区时，采煤机割煤后也为有明显片帮、顶板冒落时，液压支架可采用带压移架方式推移，确保顶板稳定。

2）当工作面推进到地质构造破碎带时顶板破碎且端面距增加时，采用中锚杆钻机、中空注浆锚杆、注浆泵等对顶板进行注浆加固。

3）为降低支架推移时造成中空注浆锚杆损坏，给锚杆正常使用带来影响，将中空注浆锚杆布置在邻近两个支架前探梁中心位置，且开孔位置与探梁前端相距300 mm。

4）注浆锚杆钻孔施工完毕后，在钻孔内塞入直径28 mm、长600 mm超快树脂锚固剂及中空注浆锚杆，并用锚杆搅拌锚固剂，搅拌时间在20~30 s间。

5）锚杆应垂直顶板布置，允许角度偏差在3°以内，锚杆安装完成后在外露段通过连接套将注浆软管与锚杆连接，注浆棚提供的注浆压力在1.5 MPa以上。

6）注浆完成后采用黄泥封堵锚杆端头，在外露端采用规格200 mm×400 mm钢托盘护顶，并采用螺母紧固到锚杆上。

4 顶板控制效果分析

对顶板破碎区域注浆锚杆注浆后，提高了顶板稳定性及强度，截止到2020年7月20日采面已回采推进至750 m位置，采面已完全通过DF402、DF413断层破碎带，在过断层破碎带时顶板未在出现冒落问题，同时煤壁片帮问题得以明显改善。

在过断层破碎带时对注浆加固后的顶板岩层进行单轴抗压试验，发现后岩层抗压强度较注浆前提升约45 MPa，顶板岩层承载能力得以明显提升。对顶板注浆加固后液压支架工作阻力也有所提升，可满足采面顶板控制需要。

5 结论

1）采用注浆加固方式控制3108综采工作面顶板破碎区域，逐渐加固后采面顶板稳定在、承载能力得以显著提升，在过断层破碎带时未再出现顶板冒落问题，取得显著的顶板控制效果。

2）采用中空注浆锚杆对采面顶板进行控制，可减少注浆钻孔数量，从而降低采面顶板在注浆对回采工作影响。

3）对顶板进行注浆加固后虽然可提高顶板稳定性，但是顶板控制成本较高。因此，此方法仅在顶板极为破碎区域使用。在顶板正常或者稍微破碎区域内可采用带压移架、铺设柔性纤维网方式对顶板进行控制。