趙永全

（大同煤礦集團(tuán)虎龍溝煤礦，山西 朔州 036000）

1 概述

大同煤礦集團(tuán)虎龍溝煤礦81505工作面位于井田東盤區(qū)，工作面東部為實(shí)煤區(qū)，南部與盤區(qū)東軌道大巷相接，西部鄰近81503工作面采空區(qū)，北部鄰近塔山煤礦二盤區(qū)。

81505工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為2480m，傾向長(zhǎng)度為180m。工作面回采煤層為3～5#石炭系煤層，平均厚度為12.73m，煤層松軟、易破碎且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層中含夾石（9～12層）及火成巖。煤層無偽頂，直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為1.8m。煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

81505工作面采用MG650-1630-WD型雙滾筒采煤機(jī)割煤，SGZ-1000/2×855型前、后部刮板輸送運(yùn)煤，ZF-13000/25/38型液壓支架、ZFG-13000/27.5/42型過渡支架和ZTZ-20000/27.5/42型端頭支架管理頂板。工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤回采工藝，采高為3.5m，放煤厚度9.23m，采放比為1:2.64，頂板管理采用自然垮落法。

表1 81505工作面煤層頂?shù)装鍘r性表

2 工作面回采期間技術(shù)難題及原因分析

2.1 回采遇到的難題

截至2019年4月23日，81505工作面已回采560m。工作面回采至540m處時(shí)，工作面端面空頂處出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象；工作面回采至548m處時(shí)，端面空頂距加大，最大空頂距達(dá)1.2m，端面空頂處出現(xiàn)局部冒落現(xiàn)象，冒落高度為0.5m。工作面回采后受端面破碎頂板影響，在移架時(shí)87#～104#支架頂梁受力大，多數(shù)支架頂梁出現(xiàn)變形現(xiàn)象，同時(shí)支架移架到位后支架初撐力僅為額定值的56%，工作阻力僅為額定值的61.2%，大大降低了支架支護(hù)效果。工作面從550m處時(shí)端面頂板出現(xiàn)大面積破碎現(xiàn)象，回采效率降低至3.5m/d，嚴(yán)重影響了工作面安全快速回采。

2.2 端面破碎機(jī)理分析

（1）地質(zhì)構(gòu)造影響。根據(jù)虎龍溝礦地測(cè)科提供資料顯示，81505工作面回采至577m處揭露一條正斷層F5，斷層落差為1.2m，傾角為56°。斷層從回風(fēng)順槽577m處揭露，從運(yùn)輸順槽602m處貫穿，斷層與工作面夾角為8°。受地質(zhì)構(gòu)造影響，工作面回采至540m處頂板進(jìn)入斷層應(yīng)力區(qū)。隨著工作面推進(jìn)，頂板應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，特別是端面空頂處，在無支護(hù)情況下破碎更為嚴(yán)重。

（2）切頂破壞影響。81505工作面采用的放頂煤回采工藝，放煤高度為9.23m。工作面在放煤過程中頂板壓力前移，從支架頂梁尾端至煤壁處頂板煤柱形成孤島煤柱且壓力集中顯現(xiàn)，在支架頂梁與煤壁處空頂煤柱受頂板垂直應(yīng)力加大，在無支撐作用力下，支架頂梁以及煤壁對(duì)空頂處煤柱產(chǎn)生兩端切頂破壞，導(dǎo)致煤柱整體性破壞，從而造成端面頂板破碎現(xiàn)象。

（3）煤層賦存條件影響。由于3～5#煤層穩(wěn)定性差，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤體單軸抗壓強(qiáng)度不足20MPa，在壓力作用下易破碎，煤體承載能力低，在構(gòu)造應(yīng)力、回采壓力等應(yīng)力作用下，端面空頂處煤體形成的承載梁無法支撐頂板垂直集中應(yīng)力，導(dǎo)致端面破碎現(xiàn)象。同時(shí)，工作面回采高度較大，在回采過程中從頂板往下1.5m范圍內(nèi)煤壁出現(xiàn)剝離破壞，片幫嚴(yán)重，加大了頂板空頂距，導(dǎo)致端面破碎范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 端面破碎聯(lián)合維護(hù)措施

為了降低81505工作面端面破碎現(xiàn)象，提高工作面回采效率，保證工作面回采安全，決定對(duì)工作面采用“斜角深孔注漿技術(shù)+梯形玻璃鋼錨棚支護(hù)”進(jìn)行頂板維護(hù)，并合理優(yōu)化工作面回采工藝。

3.1 斜角深孔注漿加固技術(shù)

為了提高頂板及幫部煤體膠結(jié)穩(wěn)定性及抗壓強(qiáng)度，決定對(duì)裂隙煤體高壓注入化學(xué)粘結(jié)材料，從而改變煤體物理性質(zhì)。

（1）鉆孔施工。鉆孔的深度及仰角直接決定著注漿效果，通過現(xiàn)場(chǎng)窺視孔觀察發(fā)現(xiàn)，頂板破碎范圍為0～2.4m，決定在工作面煤壁距頂板1.2m處施工超前注漿鉆孔。鉆孔仰角為45°，鉆孔深度為6.0m，鉆孔直徑為40mm，鉆孔間距為3.0m，鉆孔終孔位置位于頂板穩(wěn)定煤體內(nèi)，如圖1所示。

（2）注漿設(shè)備。采用型號(hào)為2ZBQ氣動(dòng)注漿泵進(jìn)行注漿，注漿泵配套注漿筒兩個(gè)、高壓槍一把、注漿鋼管一根以及流量閥、壓力表等。采用型號(hào)為FKS-80/15封孔器進(jìn)行封口。采用馬麗散雙液型高分子注漿材料注漿，該化學(xué)材料具有粘合力強(qiáng)、強(qiáng)度高、與水能夠迅速反應(yīng)膨脹等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)煤巖體裂隙具有很好的粘接、封堵效果。

（3）注漿工藝。鉆孔施工完后，將一根直徑為20mm注漿鋼管埋入注漿孔內(nèi)，并在孔口處安裝封口器。注漿時(shí)先高壓后低壓施工，注漿穩(wěn)定后壓力保持至1.2MPa，單孔注漿量達(dá)145kg或煤體、鄰孔有漿液滲出時(shí)停止注漿。

3.2 梯形玻璃鋼錨棚支護(hù)

為了進(jìn)一步提高端面破碎頂板穩(wěn)定性及支架支護(hù)效果，決定在端面破碎頂板處施工梯形玻璃鋼錨棚支護(hù)。

（1）梯形玻璃鋼錨棚支護(hù)由長(zhǎng)度為3.0m、直徑為20mm加長(zhǎng)玻璃鋼錨桿，長(zhǎng)度為3.5m、寬度為0.5m梯形圓鋼棚以及長(zhǎng)度為0.5m11#槽鋼等組成。

（2）為了防止移架時(shí)影響玻璃鋼錨桿支護(hù)效果，決定在相鄰兩架支架之間施工玻璃鋼錨桿。錨桿垂直頂板布置，每根錨桿采用兩支錨固劑錨固，錨固力為10t，錨桿錨固后外露長(zhǎng)度控制在10～30mm。

（3）玻璃鋼錨桿施工完后在相鄰兩根錨桿外露端安裝一根梯形圓鋼棚，鋼棚與錨桿之間采用槽鋼固定預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于200N·m。鋼棚安裝后保證鋼棚面與頂板接觸嚴(yán)實(shí)。

（4）梯形玻璃鋼錨棚支護(hù)排距為0.3m，鋼棚支護(hù)后支架頂梁緊貼鋼棚面帶壓擦頂進(jìn)行移架，直至工作面完全過頂板破碎帶。

3.3 回采工藝優(yōu)化

為了保證工作面能夠同時(shí)揭露斷層，降低頂板巖體破碎范圍，工作面回采至567m處進(jìn)行回采工藝優(yōu)化，決定采用調(diào)面?zhèn)涡被夭晒に嚒?/p>

（1）由于F5斷層從回風(fēng)順槽側(cè)揭露，且超前運(yùn)輸順槽18m，所以為了保證工作面與斷層面平行，需以尾端支架為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，工作面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)回采。

（2）工作面刮板輸送機(jī)允許最大彎曲角為2°，采煤機(jī)截割深度為0.7m，最大允許彎曲長(zhǎng)度為21m，單架寬度為1.75m，在刮板輸送機(jī)允許彎曲范圍內(nèi)安裝12個(gè)支架，而81505工作面共計(jì)安裝109個(gè)支架，共計(jì)等分點(diǎn)為9個(gè)，以支架號(hào)為等分點(diǎn)號(hào)，等分點(diǎn)分別位于 97#、85#、73#、61#、49#、37#、25#、13#、1#支架。

（3）首先將采煤機(jī)移至97#支架處下行割煤至尾端，支架上行裝煤并移至85#支架處，然后對(duì)97#～109#支架進(jìn)行移架推溜，再?gòu)?5#支架斜切進(jìn)到下行割煤至尾端，最后再上行裝煤并移至73#支架。依次類推，直至工作面采煤機(jī)移至1#支架，完成一個(gè)旋轉(zhuǎn)回采，共計(jì)完成1刀長(zhǎng)刀割煤、8刀短刀割煤，旋轉(zhuǎn)深度為6.3m。工作面共需要完成4個(gè)循環(huán)即可調(diào)斜。

（4）工作面調(diào)斜完成后，降低采煤機(jī)截割深度在0.5m左右。工作面完全過斷層破碎帶后再次進(jìn)行旋轉(zhuǎn)回采調(diào)斜，保證工作面與頭尾順槽垂直。

4 結(jié) 語

大同煤礦集團(tuán)虎龍溝煤礦生產(chǎn)技術(shù)部通過技術(shù)研究，對(duì)81505工作面回采期間出現(xiàn)的端面破碎原因進(jìn)行分析，并提出了“斜角深孔注漿技術(shù)+梯形玻璃鋼錨棚支護(hù)”聯(lián)合維護(hù)措施，對(duì)回采工藝進(jìn)行優(yōu)化。通過實(shí)際應(yīng)用效果發(fā)現(xiàn)，采用聯(lián)合支護(hù)措施后，端面破碎煤體單軸抗壓強(qiáng)度提高至57.8MPa，提高了煤體承載能力。在后期回采過程中未出現(xiàn)嚴(yán)重端面破碎現(xiàn)象，工作面支架初撐力及工作阻力提高至85%以上，提高了支架支護(hù)效果；工作面回采速度提高至6.7m/d，保證了工作面回采安全，取得了顯著成效。

圖1 81505工作面端面破碎頂板聯(lián)合支護(hù)剖面示意圖