深部大采高工作面破碎顶板加固实践

肖 曲

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

深部矿井开采厚煤层时，由于赋存条件复杂，围岩结构迥异且扰动范围大，易造成工作面顶板的超前漏冒、煤壁易片帮。尤其是遇到构造、断层等地质变化，导致煤壁变酥、强度降低，在开采扰动应力及上部顶板的双重作用下，易引发动力灾害。工作面及其围岩加固多用于“三软”煤层中，通过介质介入增强煤岩强度[1-3]。李鹏等[4]通过研究工作面注浆加固作用的原理及注浆材料性质，对工作面片帮严重的地方采取超井下上向孔注浆等措施控制煤壁和顶板。针对软弱复合顶板容易发生冒顶区域，王全明等[5]采用两煤巷超前深孔注浆加固，加固工作面顶板。不同专家针对不同情况采用的注浆加固技术也取得了丰富的成果。周春山[6]针对性地提出了采用高分子加固材料进行注浆加固的方式。马赛等[7]针对工作面末采阶段矿压显现情况，补注少量有机注浆材料的联合注浆加固技术，保证顺利闭采。孟祥帅等[8]提出了地面注浆加固方案，并从4个方面评价其施工工艺。孙广京等[9-12]从巷道支护方面提出了不同注浆加固技术，对围岩进行控制。众多专家对围岩加固的研究及实践极大拓宽了围岩控制的思路。

黄陵矿区二号煤矿四盘区煤层内构造较多，遇到构造、断层易出现煤墙片帮、顶板冒顶现象，已成为影响矿井安全高效开采的重大灾害因素。因此，以陕西黄陵二号煤矿为工程背景，开展深部大采高工作面破碎顶板加固技术对指导安全开采至关重要。

1 工程背景

1.1 工作面概况

陕西黄陵二号煤矿隶属于陕煤黄陵矿业集团，核定年生产能力800万t。矿井采用斜井开拓方式。目前矿井主采420工作面，采用单一煤层长壁采煤法，全部垮落法处理采空区。井田工作面设计走向长度2 626 m、倾向长度300 m，日推进10刀(约9 m)。工作面选用掩护式支架，型号ZYT12000/28/63D。

1.2 围岩特性

矿井初期普查勘探结果表明，二号煤矿420工作面，井上下标高分别为+1 130～+1 374 m、+713～+732 m，平均埋深580 m，平均煤厚为5.2 m，局部有构造；工作面煤层普氏系数为2～3，为稳定-较稳定煤层。工作面煤层上覆顶板依次为细砂岩、粉砂岩，煤层赋存条件如图1所示。

图1 煤层柱状图Fig.1 Coal seam histogram

工作面地质构造较简单，煤层近水平发育，倾角为0°～2°，一般为0.5°。工作面除回风巷掘进时揭露2个小型断裂构造。揭露的断层均为正断层，巷道揭露的断层位于420回风巷2 395 m和1 436 m处，断层落差0.8～1.0 m。断层构造情况见表1。开采过程中形成的扰动应力不断释放和转移，加剧围岩裂隙发育；遇到断层时，导致煤墙变酥，更易造成工作面漏顶、掉矸、煤壁片帮现象，制约矿井安全生产。

表1 断层分布概况Table 1 Fault distribution

2 工作面矿压显现分析

2.1 工作面冒顶原因

420工作面推采至2 395 m时遇到一构造断层。工作面煤层上覆粉砂岩达到断裂极限时，沿工作面推进方向重复出现弯曲—起裂—破裂—垮落—平衡的动态过程。由于粉砂岩属于近距离关键层，也是直接顶，易导致顶板的切顶线在工作面前方。在遇到断层的双重作用下，造成工作面冒顶、顶板离层，煤壁发生片帮，如图2所示。随着工作面继续推采，扩大了工作面的冒顶范围。

图2 工作面矿压显现概况Fig.2 Ground pressure behavior of working face

2.2 工作面矿压显现概况

工作面在支架110～145#发生冒顶，冒顶高度在0.8～1.5 m之间；煤壁主要发生剪切破坏，工作面105～155#存在片帮的位置距底板2.98～3.57 m，片帮深度约2.85～3.45 m，形成滑坡片帮。工作面片帮位置同时对应底鼓现象。

3 注浆方案

3.1 注浆材料选取

根据矿井生产工艺及实际情况，选用矿用复合加固材料，是由A、B这2种组分组成的一种无机改性有机高分子树脂材料。A、B组分混合后能迅速反应，生成高强度的固结体；与煤岩体粘合后抗压、抗剪强度高；材料的渗透性、流动性好，遇水不发泡，不含挥发性溶剂，不产生任何有毒、有害气体。A、B料按照 1∶1的体积比使用，通过混合枪进行混合压入注浆地点。A、B料对应参数见表2。

表2 复合加固材料性能参数Table 2 Performance parameters of composite reinforcement materials

3.2 注浆方案

在工作面支架110～145#进行注浆，采用气动泵将混合液从煤墙注入。注浆孔分为1号、2号注浆孔每隔3架位置施工一个注浆孔，两孔垂直间距约2 m，共施工24个注浆孔，如图3所示。注浆孔深10 m，孔径32 mm，每孔预计注浆约1.5 t。1号、2号注浆孔有效处之加固距离分别为4.57 m、2.5 m，如图4所示。当注浆扩散范围≥2 m时且注浆过程中发现异常，则停止注浆工作。

图3 注浆孔施工设计Fig.3 Design of grouting borehole

图4 钻孔施工参数Fig.4 Construction parameters of borehole

4 注意事项及管理措施

4.1 注意事项

进入注浆区域前进行“敲帮问顶”作业，保证无活矸活煤。同时对作业区域周围杂物进行清理，保证后路畅通。确保5台支架范围内(约9 m)支架护帮板伸出。确保三机闭锁，并执行“谁闭锁，谁解锁”的原则，防止设备误动作。作业过程中如出现顶板掉矸、煤壁片帮等情况，必须停止作业，固定片帮吊杆位置达到稳定情况，方可作业。施工前将架缝用钢筋网片与支架用铁丝连接牢靠，防止碎矸石掉落。施工注浆钻孔施工时，每组3人配合作业，风动工具连接处必须使用正规U型销。钻孔人员应站正扶稳，不准带手套、扎紧袖口；操作人员站在上风一侧，眼孔下方不得有人。注浆前必须将注浆孔内的煤渣吹扫干净，注浆压力保持在12.5 MPa左右，随时与前方观察人员联系。注浆观察人员必须在注浆孔口6 m以外安全位置，佩戴好相应防护用品，随时与操作人员联系。

封孔时，施工人员严禁正对孔口方向。换孔时必须等注浆管内压力释放后再开始拆卸注浆管路。注浆时一旦发现有围岩松动、跑(漏)浆、注浆压力突然骤降等异常情况，应立即停止注浆，查明原因，采取措施后方可恢复注浆。连接注浆管路时要保证各部位连接牢固，使用正规U型销，防止管路脱落伤人。注浆结束后，及时调整工作面工程质量，保证支架的初撑力及工作阻力。调整采高时，每刀抬落量不得超过300 mm，保证调整一刀平推1刀，防止运输机上漂或下扎过量造成支架架型不正支撑效率降低，以及采煤机前仰后翻导致煤墙不直，端面距增大，不利于顶板控制。

4.2 现场管理

调整过程中逐渐达到工作面“三直两平两畅通”的技术要求。支架中心距误差不超过100 mm，架间间隙不超过100 mm，相邻支架顶梁平整无明显错茬，支架前梁梁端至煤壁顶板垮落高度控制在300 mm以内，支架顶梁与顶板平行，最大仰俯角不大于7°，垂直顶底板歪斜角不大于5°。

移架时严格按支架操作规定操作，避免倒架、歪架、咬架，液压支架必须接顶严实。生产期间若顶板破碎，必须先对顶板进行维护，否则严禁调架。移架过程中保持带压擦顶、少降快拉，确保支架工况，防止空顶面积过大。减小支架端面距，以有效控制顶板，防止端面距过大，架前切顶。连续推采调整量不得超过1刀，同时保证运输机平顺，10台支架范围内运输机上下落差不得超过200 mm，不得有明显坑包。

5 结语

通过420工作面在2 395 m遇到的断层产生的片帮漏矸现场，分析420工作面片帮、漏顶原因，根据矿井生产工艺及实际情况采用矿用复合加固材料共计注浆24个钻孔。现场实施过程中分别提出了注浆注意事项及注浆后的现场管理制度，保障了工作面安全生产。为了防止在420工作面走向1 436 m遇到矿压显现情况，应加强地质预测预报，提前采取同类方法进行防治。同时对生产人员进行安全培训，正确面对冒顶、片帮的矿压问题，做到不害怕、积极应对的职业素养。现场保证整刀的循环作业和工序管理，实现矿井安全高产高效作业。