許 起 閆左峰 劉新會

（1.山西煤炭進出口集團煤業(yè)管理有限公司，山西 太原 030006；2.陽煤集團碾溝煤業(yè)有限公司，山西 清徐 030400）

在綜采工作面回采作業(yè)過程中，由于受客觀因素的影響，經(jīng)常遇到頂板破碎的問題，威脅到作業(yè)安全，特別是在斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域和周期來壓期間，破碎頂板很容易冒落，造成冒頂現(xiàn)象，安全隱患極大，如果在初期引不起足夠重視，或得不到及時有效的處理，將會給生產(chǎn)和安全帶來難以預(yù)料的影響[1]，基于此，必須積極尋求合理有效的破碎頂板控制技術(shù)，盡可能降低安全隱患，將頂板事故盡可能消滅在萌芽狀態(tài)。目前，對于回采工作面的極破碎頂板，通常采用注射馬麗散進行加固，但由于其成本過高，在煤炭形勢日益嚴(yán)峻的情況下，給企業(yè)帶來很大負(fù)擔(dān)。由此看來，對如何兼顧高效、低成本、低勞動強度，并實現(xiàn)綜采工作面破碎頂板安全控制進行研究顯得十分關(guān)鍵，且具有很高的經(jīng)濟價值。

1 工程概況

陽煤集團碾溝煤業(yè)有限公司5105工作面位于一采區(qū)東部，井下標(biāo)高815～913m，地面標(biāo)高1040～1160m，傾向長度716m，走向長度200m，可采儲量3.9×105t，服務(wù)年限5.7個月。

工作面煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度2.05m，含1層夾石，下部為1.55m厚的煤層，之上有1.0m厚的夾石層，再往上有0.5m厚的煤層，煤層硬度系數(shù)為1.0～1.5，煤層最大傾角0～13°，平均為6°，上距4#煤層平均約11m。

5105工作面直接頂為4.6m厚的砂質(zhì)泥巖，基本頂為2.1m厚的細(xì)砂巖，直接底為6.36m厚的黑色泥巖，基本底為3m厚的灰色石灰?guī)r。工作面內(nèi)揭露斷層16條，其中落差超過1m的12條；陷落柱8個，最大的陷落柱長軸191m，短軸134m，最小的陷落柱長軸23m，短軸13m。工作面瓦斯絕對涌出量為25～30m3/min。采用傾斜長壁后退式采煤方法，采場使用液壓支架控制頂板，回、進風(fēng)巷及兩端頭采用4.4mπ型鋼梁跨溜抬棚、單體柱維護頂板，采空區(qū)采用全部垮落法進行處理。

2 頂板管理存在的問題

2.1 冒頂規(guī)律及特征

5105工作面在回采過程中，因地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，導(dǎo)致經(jīng)常性冒頂，每月推進不足30m，推進兩個月后，停產(chǎn)45天，恢復(fù)生產(chǎn)后，工作面冒頂更加頻繁。冒頂規(guī)律和特征如下：

（1）遇地質(zhì)構(gòu)造或頂板裂隙發(fā)育易冒頂，特別是推進至地質(zhì)構(gòu)造外緣約10～15m，礦壓開始顯現(xiàn)，如控制措施不當(dāng)，頂板開始坍塌。

（2）冒頂高度均以4#煤層頂板硬巖為界，平均約11m。

（3）工作面長時間停產(chǎn)后，冒頂現(xiàn)象加劇，無規(guī)律可循，冒落高度仍以4#煤層頂板硬巖層為界。

（4）冒頂預(yù)兆比較明顯，每次冒頂前均發(fā)生片幫事故，片幫深度超過0.5m必須立即采取措施。

（5）冒頂形式均為漏冒性冒頂，從煤壁附近開始一直延伸至煤壁內(nèi)部3～5m左右范圍。形成斜向上的漏冒區(qū)。

圖1 5105工作面冒頂示意圖

2.2 冒頂原因分析

（1）雖然工作面開采深度不大，但由于5#煤層至4#煤層之間無堅硬巖層，致使工作面前方支承壓力增加，支承壓力將煤壁壓酥，隨著工作面向前推采，工作面前方支承壓力也向煤壁深處轉(zhuǎn)移，降低了前方煤壁的支撐穩(wěn)定性，再加上頂板本身裂隙較為發(fā)育，前方脆弱的煤壁失穩(wěn)導(dǎo)致了頂板運動加劇，使工作面片幫漏頂?shù)膸茁试黾印?/p>

（2）由于原生、構(gòu)造以及采動等多種因素相互疊加，致使本身就比較破碎的頂板圍巖出現(xiàn)游離狀態(tài)，在采煤機割煤后，如果沒有進行及時支護，這類游離類巖塊會突然冒落。

（3）工作面長時間停產(chǎn)，導(dǎo)致基本頂來壓，頂板產(chǎn)生大量裂隙，前方煤體的剛性大打折扣，對采場上方的巖層支撐力大為縮小，必然加劇頂板冒落的幾率。

3 治理措施

3.1 治理方法及機理

該綜采工作面冒頂特征及原因，主要是由于工作面前方煤壁失去穩(wěn)定性，并導(dǎo)致頂板運動加劇，進而導(dǎo)致冒頂，因此較有效的方法是對破碎頂板易漏頂區(qū)前方煤體上覆巖層實行有效的提前加固措施，使巖層重新形成一體，重新組合成梁，減輕其垂直應(yīng)力。采取下列兩項主動超前支護措施：

（1）采煤機割煤后，在頂板下方密集施工管縫式錨桿，利用管縫式錨桿的自脹性脹緊圍巖，同時對下方切割部分和上方維護區(qū)域進行隔離，對上方破碎頂板起到支撐作用，以防止其垮落。管縫式錨桿的自脹機理[2]為：通過外力將錨桿打入小于錨桿外徑的鉆孔內(nèi)，利用鋼管的彈性對孔壁產(chǎn)生徑向壓力，使錨桿與孔壁間產(chǎn)生摩擦阻力，加上錨桿下托盤的承托力，使巷道的圍巖處于三向受力狀態(tài)下，從而達(dá)到加固圍巖，阻止其移動使之達(dá)到穩(wěn)定的目的。

①使圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài)，改善圍巖應(yīng)力條件。錨桿孔徑小于錨桿直徑，使得桿體受到孔壁的約束產(chǎn)生環(huán)向壓縮變形，桿體變形反過來會對圍巖產(chǎn)生環(huán)向壓縮應(yīng)力；托盤在預(yù)緊力作用下壓緊圍巖，給圍巖以徑向應(yīng)力。這樣錨桿在平行及垂直于桿體軸線方向上同時對圍巖產(chǎn)生三向預(yù)應(yīng)力，使圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力條件改善。

②安裝后可對圍巖立刻產(chǎn)生支承力，且支護阻力大小可調(diào)整。

③全長錨固，圍巖移動后仍能提供較強支護阻力。管縫式錨桿為全長錨固，均勻受力。錨桿與巖層發(fā)生滑動后仍有較高的錨固力。其允許圍巖移動的同時保持相當(dāng)?shù)闹С凶枇Γ瑰^桿在承受很大的拉應(yīng)力或剪力時具有柔性卸載作用，圍巖位移與錨桿摩擦力達(dá)到動態(tài)平衡。

④錨固力隨時間變長而增加。圍巖變形使錨桿孔縮小，桿體由于錨桿孔縮小而被擠壓得更緊，錨桿徑向張力提高，錨固力增加。

（2）在易冒頂區(qū)域及其附近范圍，預(yù)先施工斜向超前錨索對工作面前方未采但已受壓失穩(wěn)、經(jīng)管縫式錨桿加固的區(qū)域進行懸吊。

3.2 支護材料規(guī)格

（1）管縫式錨桿規(guī)格

Φ30×2000mm縱向開縫高強度鋼管；

間距：300～500mm。

（2）超前錨索規(guī)格

材料：1860級鋼絞線；

規(guī)格：Φ17.8×13500mm；

間距：1500×（600～1000）mm；

墊片：150×100×10mm厚鐵墊片；

托梁：長1000mm的22kg/m的軌道或厚度不低于15mm的鋼板；

藥卷：MSCK-23/120樹脂藥卷；

錨具規(guī)格：KM-18型單孔錨具。

3.3 現(xiàn)場施工措施

（1）在采煤機割煤過程中，采煤機司機要密切關(guān)注頂板穩(wěn)定性情況，當(dāng)出現(xiàn)煤壁片幫、裂隙增多、壓力增大等現(xiàn)象時，立即停機，帶壓移架，并升緊接實頂板，然后將采煤機退出此區(qū)域，開始施工管縫式錨桿，及時將下方切割部分和上方維護區(qū)域進行隔離并支撐，以防止其垮落，錨桿間距300～500mm，施工位置為液壓支架頂梁下方200mm，錨桿傾角+5°。管縫錨桿支護要求如下：

①縫管錨桿表面平整，無拉傷、銹蝕，焊縫無裂紋和氣孔夾渣，不允許燒穿管壁，且托盤在桿體上應(yīng)能自由移動。

②擋環(huán)焊縫拉脫力≥80kN，桿體極限抗拉力≥110kN，初錨力≥25kN/m，托盤承載力≥65kN。

③初始錨固力必須達(dá)到70kN。

（2）在管縫式錨桿施工現(xiàn)場后方5架位置，開始施工超前錨索，并配1m長道軌或厚鋼板作為托梁，對工作面前方未采區(qū)域進行加固懸吊，要求每架支架下至少布置一根。錨索支護要求如下：

①錨索眼深13.2m，藥卷攪拌時間控制在30～60s。

②超前錨索孔與巷道頂板夾角不小于70°，不大于85°。

③錨索承載力在320kN以上，張拉預(yù)緊力達(dá)到160kN。

（3）采煤機割煤時，三架作為一個循環(huán)，然后退回機組，進行超前支護施工，如頂板較為破碎，則以一架支架距離作為一個循環(huán)，嚴(yán)禁超距離截割、拉架，造成長時間空頂。

（4）在工作面推進方向，以排距0.6～1m為一個完整的支護循環(huán)，逐步走出頂板破碎區(qū)域。

4 應(yīng)用效果

（1）采取管縫式錨桿和斜向長錨索聯(lián)合超前支護措施后，絕大部分頂板破碎區(qū)域可以得到有效控制，支護效果十分明顯，日推進度由每天不足0.5m增加至平均約1.5m。

（2）支護區(qū)域推進過程中，煤壁穩(wěn)定性良好，很少出現(xiàn)明顯的片幫現(xiàn)象，冒頂現(xiàn)象得到控制。

（3）考慮到管縫式錨桿自身的脹緊效應(yīng)有限，且承受垂直壓力不足，可以將管縫式錨桿改進為非中空式主動脹緊錨桿，由內(nèi)對錨桿桿壁施加膨脹作用力，一方面增加脹緊力，另一方面也可以增加錨桿受垂直應(yīng)力的承受能力。

通過對碾溝公司5105工作面破碎頂板超前聯(lián)合支護的成功實踐，證明了利用管縫式錨桿的自脹效應(yīng)和斜向錨索懸吊作用對前方不穩(wěn)定頂板進行加固的可行性，保證了工作面安全高效開采，并大大降低了回采成本，這項技術(shù)對于面臨嚴(yán)峻形勢下的煤炭企業(yè)，可以試驗借鑒。