综采工作面端面破碎顶板安全支护技术

曹志辉

（山西焦煤集团山煤国际长春兴煤业公司，山西 大同 037101）

1 概况

山西焦煤集团山煤国际长春兴煤业公司101 工作面采用低位放顶煤回采工艺，回采的22#煤层厚度为9.5 m，倾角为2°，采煤机破煤厚度为3.5 m，放煤高度为6.0 m，煤层整体结构相对稳定。煤体顶底板岩性见表1。

表1 101 工作面22#煤层顶底板岩性汇总表

101 工作面采用ZF13000/25/38 型液压支架支护，额定工作阻力40.3 MPa；ZTZ20000/28.5/42型端头液压支架1 架；MG500/1180-WD 采煤机；SGZ1000/1400 型前部刮板运输机；SGZ1200/1400型后部刮板运输机；SZZ1200/700 型转载机；PCM400 型破碎机；ZY2700 型自移装置。

根据101 运输顺槽掘进期间揭露的地质构造，顺槽447 m 处巷道左帮揭露断层，452 m 在巷道右帮揭露断层。断层落差为1.8 m，倾角为42°，断层与巷道之间的夹角为47°。工作面回采至435 m处时在14#支架前方揭露断层，在揭露断层后出现严重煤壁片帮以及端面破碎现象，端面距达1.7 m，煤壁片帮深度达1.2 m。

2 工作面端面破碎机理

（1）围岩稳定性差。101 工作面回采的22#煤层结构复杂、稳定性差，煤层内含多层夹矸，受采动影响，煤岩体出现严重扰动破坏，出现离层、破碎现象。

（2）回采工艺影响。101 工作面采用放煤工艺，工作面回采时下部煤层采落后上部顶煤在支撑情况下，承载强度降低。工作面回采后支架后方顶煤在放煤时，对支架前方顶煤产生水平张拉破坏作用，造成端面顶板破碎。

（3）支架切顶破坏严重。101 工作面主要采用ZF13000/25/38 型液压支架进行顶板支护，当顶板来压时前探梁对顶板产生切顶破坏作用，从而导致顶板破碎。

（4）构造应力影响。101 工作面煤体在F7 断层作用下，煤体内部出现高度发育的裂隙，裂隙扩张延伸对煤体产生剪切作用，破坏了煤岩体稳定性。随着工作面回采距断层越来越近，应力破坏越严重。同时，构造应力在裂隙带内进行释放，对裂隙岩体产生卸压破坏，加剧了煤岩体破坏力度。

（5）煤壁片帮严重。工作面过断层期间集中应力对煤壁产生剥离破坏作用，工作面煤壁从顶往下1.5 m 范围内出现垮落，造成煤壁与顶板存在67°夹角，煤壁最大片帮深度达1.7 m，一方面降低了煤柱对顶板有效支撑作用，另一面加大了工作面端面距。

（6）回采速度慢。101 工作面回采至断层应力区后平均回采速度不足3.0 m/d，若顶板支护不及时，增加集中应力对顶板破坏持续时间，导致顶板出现断裂、破碎现象。

3 顶板支护优化改进[1-5]

3.1 玻璃钢梯形棚支护

3.1.1 支护结构

101 工作面端面顶板施工的玻璃钢梯形棚由玻璃钢梯形梁、夹板、锚索等部分组成。玻璃钢梯形梁长度为3.5 m，宽度为0.5 m，由5 根直径20 mm、长度3.5 m 玻璃钢管连接而成。每架玻璃钢梯形梁采用三组夹板固定，在玻璃钢梯形梁上固定2个玻璃拱形垫片，垫片上焊制一个直径30 mm 支护孔，孔间距1.75 m。每架玻璃钢梯形棚固定在顶板同一排两根锚索下方。

3.1.2 支护工艺

（1）101 工作面在揭露断层后若架前顶板出现破碎且端面距达1.0 m 时，沿工作面倾向方向在端面顶板施工一排玻璃钢梯形棚，棚与棚之间间距为1.0 m，排距为1.5 m。

（2）梯形棚支护时，先对端面顶板施工两个锚索支护孔。为了防止拉架时造成梯形棚锚索变形、断裂，梯形棚两根锚索施工在相邻两架支架前探梁之间。锚索孔深度为4.0 m，直径为28 mm。

（3）梯形棚安装到位后，采用张拉千斤对锚索锁具进行预紧，保证梯形梁与顶板能够完全贴合。根据工作面顶板破碎情况，决定从14#支架向端头处施工梯形棚，每排布置9 架。

3.2 注浆加固

为了控制煤壁片帮、端面顶板破碎现象，决定在顺槽侧煤壁布置超前注浆孔，对煤岩体进行超前加固。

（1）在101 工作面运输顺槽煤壁侧布置注浆钻孔，注浆孔垂直煤体布置，开口中心位置与顶板垂直距离为1.0 m，钻孔直径为50 mm，平均深度为25 m，钻孔终孔位置延伸至断层岩体外边缘，注浆孔布置间距为3.0 m。

（2）注浆钻孔施工完后，及时采用风管将钻孔内煤屑排除，然后对注浆孔内插入一根直径为20 mm 注浆软管。注浆软管插入孔内深度为3.0 m，在孔口0.5 m 范围内安装一个聚氨酯柔性止浆塞。注浆液采用水泥与水玻璃配比为3:1 的混合浆液，注浆压力为3.0 MPa。

（3）注浆完成后，在后期回采时观察注浆区域浆液结块情况，结块率不得低于85%。若存在局部区域注浆不到位时，需补充钻孔进行二次注浆。

101 工作面断层应力区联合支护平面示意图如图1。

图1 101 工作面断层应力区联合支护平面示意图（mm）

4 结语

（1）通过对破碎区顶板施工玻璃钢梯形棚支护后，大大提高了应力区顶板稳定性，有效控制了端面顶板破碎现象，工作面在后期回采中液压支架过应力区时未出现支架顶梁托空现象。

（2）注浆后煤体结块率以及单轴抗压强度明显提高，实测101 工作面断层区未注浆区煤体结块率为57%，单轴抗压强度为21 MPa，注浆后煤体结块率为89%，单轴抗压强度为45 MPa。

（3）采取联合支护后控制了101 工作面煤壁片帮现象，缩小了回采期间端面距，回采过程中煤壁最大片帮深度为0.4 m，最大端面距为0.3 m。