采煤工作面破碎顶板控制技术应用分析.pdf

2023.10 矿业装备/70 引言在矿井采矿深度不断增加的趋势下，煤炭开采条件日趋复杂，难免受各种地质构造影响遇到煤层顶破碎、松软带等区域，对井下作业安全性、煤炭开采有效性造成不良影响。在实际井下作业中，工作面破碎顶板、煤体松软、采动压力等各种因素结合，继而引发工作面冒顶事故，对开采安全产生严重威胁，且该类事故发生点分散、预防难度大，若不及时处理，会进一步扩大威胁范围，必须加强顶板破碎治理和顶板事故预防，采用破碎顶板控制技术及时处理和解决相关问题，以提高采煤工作面生产安全性。1 破碎顶板成因及影响因素破碎顶板是采煤工作中不可忽视的地质情况和安全隐患，其岩性具有稳定性差、强度低的特点，给顶板维护带来较大难度，通过对以往煤矿作业采煤工作面破碎顶板相关事故总结分析，发现引发破碎顶板的因素有以下几点。1.1 地质条件影响在地壳运动中，岩石层受到不同程度的挤压产生断层，会加剧工作面褶曲和断层地质构造带发育，岩层断裂表层整体光滑度较高，顶板难以附着，在应力作用下，原有应力场分布规律和局面遭到破坏，引发破碎顶板冒顶问题1；部分岩层在煤层挤压下发生形变，呈不规则状态，部分岩层厚度减少使得裂隙发育，继而引发顶板破碎问题；各种不规则岩石块的形成，导致原有地质结构发生改变，岩石层整体强度下降，在挤压力作用下，岩石破碎、裂缝、碎块可能性明显增加，继而引发严重顶板破碎问题。1.2 推进速度采煤工作面破碎顶板控制效果与采煤机推进速度有着十分紧密的联系，推进速度较快，控制效果佳，推进速度慢，控制效果差。这是因为当采煤机推进速度较慢时，周期来压与工作面煤壁距离不断缩小，继而引发煤壁片帮问题，最终导致顶板破碎。但是，当推进速度较快时，周期来压对工作面的影响较小，可有效增强顶板控制效果。1.3 支架状态采煤工作面持续开采过程中，由于各种原因导致支架拉移后升架不稳，难以满足初级支撑力要求，导致顶采煤工作面破碎顶板控制技术应用分析贺伟（山西新安工程设计咨询有限公司，山西太原 030006）摘要：采煤作业期间，容易受地质环境易变性及各种因素干扰，引发工作面顶板破碎问题，一定程度上增加了作业方式难度和复杂程度，导致工作面结构稳定性不佳，不利于煤炭开采活动的实施，甚至有可能引发各种安全事故，造成较为严重的经济损失和人员伤亡。针对采煤工作面顶板控制影响因素展开分析，结合实际矿井生产情况，就采煤工作面破碎顶板控制技术应用情况进行探究，通过支护方式提高破碎顶板稳定性，利用注浆手段加固破碎顶板，并根据复杂顶板破碎情况采取针对性、综合性加固措施，减轻顶板破碎程度，强化顶板整体强化，保障采煤作业安全性和稳定性。通过现场应用后，采煤工作面作业中，在 4.8m/d 推进速度下，顶板和煤壁始终保持稳定，取得良好破碎顶板控制效果。关键词：采煤工作面；破碎顶板；控制技术；支护；注浆加固8/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺提升顶板强度和完整性，避免因移架或顶板冒落导致撕网问题3。顶板铺网能够改善采煤工作面作业情况，改善顶梁和顶板之间的接触状态，防止工作面作业架间、端面漏矸情况发生，预防采煤工作面煤壁片帮问题，提高工作面作业平均支护强度和围岩刚度。在铁锚杆控制施工过程中，首先要明确分析煤壁片帮情况，一般有三种片帮类型：第一，从松散的离层面向自由面滑落。第二，顺着进刀方向冒落。第三，煤壁受挤压形成裂隙，不断向外移动导致变形，达到一定阈值后滚落下来。无论哪种片帮形式都会增强顶板破碎程度，必须加强自由面煤体位移控制，推动切顶线向采空区、支架顶梁后端移动，进而有效预防和控制漏顶、侧片帮问题发生，变被动支护为主动支护4。3.2 注浆加固技术在 18503 采煤工作面破碎顶板区时，可采用注浆加固的方式加固破碎顶板，以便在掘进过程中取得良好控制效果。工作人员需要将化学浆液填充到煤层裂缝或者顶板围岩中，提高围岩整体稳定性和承受能力，使巷道内部应力处于平衡状态。现场注浆工艺为：标定眼孔、打眼安装孔管口注浆设备检查注浆管路连接及检查后注浆加固检查注浆质量清理现场。使用的化学注浆材料主要为双组分有机高分子材料（树脂 TG-11A 和固化剂 TG-11B 组成），粘合性强、机械性高、裂隙渗透能力强，将其注入裂缝中，可短时间内膨胀起来，实现该区域有效加固和密封处理，适用于工作面回采过程中断层上下端头及顶板破碎区域加固5-6（注浆材料参数见表 1）。注浆设备选用 ZBQS-10/10 矿用气动双液注浆泵，以压缩空气为主要动力，操作简单，只需要接入煤矿井下铺设的压风系统便可使用，当风压为 0.5MPa 时，最板破碎。例如，仰采时，工作面提刀幅度较大会导致支架向后翻仰，加大端面距，此时若支架前方悬顶年面积较大，就有可能导致顶板破碎；若采煤工作面地质结构复杂，工作面不平稳，作业期间，操作人员无法精准控制设备伪倾角，输送机出现滑动，还会引发支架间错茬，支架支护状态不佳等问题2；一旦支架倾斜，其顶梁会与顶板线相互接触，导致支护面积缩小，顶板破碎。2 矿井概况某煤矿设计生产能力 400 万 t/a，井田面积开采104.4km2，现主要开采 18503 工作面 8#煤层，煤层厚度3.24.5m，平均厚度 3.9m，平均倾角 6。采煤工作面设计推进距离 2600m，斜长 227m，用 U 型通风方式，巷道围岩控制方式以 ZT5600/21/46 型支撑掩护式液压支架为主，局部用 U 型钢强化支护。煤层顶板岩性为砂质泥岩，岩层裂隙发育完整，随采随垮。工作面共设液压支架 173 架，主要设备为 ZT5600/21/46D 掩护式液压支架，支架初撑力为 5600kN，适应 3.14.9m 厚煤层开采。根据回采巷道掘进及钻探、物探资料，该区域内顶板破碎问题较为严重。3 破碎顶板控制技术应用措施3.1 顶板铺网与锚杆控制在 18503 采煤工作面回采至破碎顶板区时，在破碎顶板、采动影响、构造应力等多重因素作用下，破碎顶板控制难度大。结合以往施工经验及反复论证，决定采用顶板铺网及铁锚杆控制技术维护顶板，保障顶板整体性。在顶板铺网作业中，18503 采煤工作面采用的液压支架型号为 ZT5600/21/46 型，工作人员需要综合考虑该型号液压支架工作性能、特点、设计顶板效果等信息，多方实验比对，选择性能最佳、性价比最有益的金属网材料，确定使用的金属网铺网工艺及金属网参数，最终确定金属网为 2.2mm 冷拔丝（硬度和弹性较好）编制，金属网规格为 0.8m10m，网孔规格为 50mm50mm，保障支架顶网稳定性。针对采煤工作面不同区域顶板破碎情况采取对应铺网工艺，若顶板破碎程度小，稳定性高，可采取单网铺设方式；若顶板破碎严重，安全风险大，需采取双网铺设方式，并用金属丝将相邻金属网绑扎牢固，将金属网搭接宽度控制在 100150mm 内，有效增加金属网强度，表1 注浆材料参数聚合产品反应数据（20）最高反应温度100膨胀系数1倍抗压强度60MPa粘结强度3MPa抗拉强度20MPa抗剪强度20MPa阻燃特性满足MT113-1995标准2023.10 矿业装备/9大注浆压力为 20MPa，若注浆压力为 10MPa，注浆量为10L/min。施工过程中，在工作面煤壁设置双排孔，上排深孔位于前探梁上方顶板，孔深 3.5m，孔距 3m，水平 30夹角向上布设，下排浅孔排距 1.5m，孔距 3m、孔深 2.5m。为避免注浆孔之间出现串浆情况，可采用间隔打眼的方式，按照从下至上的顺序进行，根据实际情况确定注浆量和注浆压力，按照一定配比均匀混合注浆液，保障注浆安全，继而使破碎顶板胶结为完整性较强的整体，还能降低煤壁片帮发生率。3.3 复合破碎顶板控制技术在采煤工作面回采期间，受煤层倾角影响，顶板就会向采空区方向产生沿层面的分力，促使顶板悬臂岩层向采空区移动，导致顶板裂隙产生，加剧顶板破碎，煤壁水平位移量也随之增加，引发煤壁片帮，加剧煤壁处顶板破碎程度，导致破碎顶板加固难度增大7。为加强破碎顶板稳固性，必须加强破碎顶板控制管理，以防止顶板漏顶、煤壁片帮等为主要目标，加强施工人员管控，支架支撑完整，确保液压支架仰角不超过7，支架无倒架、错差架、咬架等情况发生，支架垂直于底板。在预防顶板破碎漏顶情况发生时，使用人员必须严格控制采高高度，严禁超高回采，采煤司机割煤时，要时刻关注顶板及煤壁情况，在支架护帮板千斤顶供油管上添加一个高压截止阀，完成护帮板操作后，及时关闭截止阀，避免护帮板千斤顶自卸导致的顶板掉矸伤人情况。架走向棚工艺是一种超前支护工艺，适用于顶板破碎面积较大的区域。这种情况是使用挑顺山梁的支护方式，顶板条件也不允许将前梁降下防治顺山梁，需要在相邻支架间架设超前支护，即一梁二柱、一梁三柱的走向棚，走向棚下架设 12 架临时顺山台棚，顺山棚应当同时托住 3 架走向棚梁，便于移出顶板下的顺山抬棚和走向棚，完成支架前移工作，有效控制顶板，防止顶板煤体垮落导致安全事故。另外，施工人员还可以在采煤工作设置带压擦顶移架，利用千斤顶支撑，避免顶板出现较大松动，保障生产安全；移架时，要尽可能停止使用其他用液，保障拉架速度和拉架力；移架迅速，每次移架保证一步到位，立即升紧，避免重复拉架，破坏顶板8。值得注意的是，在对某采煤工作面回采情况进行分析可知，当顶板完整性较高时，采用顶板铺网与铁锚杆控制技术就能满足顶板加固；当顶板破碎严重，顶板裸露时需加强支护，可以采用注浆加固控制措施，提升顶板稳固性；同时，还可采用超前移架方式进行控制管理，结合煤矿实际情况合理调整移架工艺，在割煤前支护和输送机之间预留足够截深，以便满足割煤后一次性、有效完成顶板移架支护要求。4 结束语采煤工作面破碎顶板整体性差、稳定性不足、岩层强度低，工作面支护难度高，如果不采取有效的支护形式，可能引发采煤活动严重安全事故，不利于采煤工作开展和煤炭企业发展。企业需要根据采煤工作面实际作业情况，了解采煤工作面不同时期和区域采煤特点，采取科学有效地控制技术和措施，通过顶板铺网与铁锚杆控制技术、注浆加固技术、复合破碎顶板控制技术等技术手段，提高破碎顶板稳固性和安全性，保障破碎顶板完整性，降低采煤工作面作业破碎顶板事故发生概率，进而提高采煤工作面单产水平，为煤矿企业创造更多经济效益。参考文献1 拜志军.采煤工作面破碎顶板综合控顶措施研究 J.山东煤炭科技,2017(1):27-28+30.2 丛新宇.采煤工作面过地质构造的技术措施J.黑龙江科学,2018,9(16):74-75.3 张宏龙.回采工作面回撤通道破碎顶板控制技术实践 J.自动化应用,2020(5):138-139.4 王冰.回采工作面回撤通道破碎顶板控制技术实践 J.机械管理开发,2021,36(9):178-179.5 许起.综放工作面端面破碎顶板控制技术应用 J.西部探矿工程,2022,34(11):145-146.6 蒋峰.综采工作面过断层顶板控制技术研究 J.中国石油和化工标准与质量,2022,42(18):154-156.7 武艳龙.综采工作面过断层破碎区顶板控制技术研究 J.山西冶金,2022,45(1):273-274.8 乔志强.回采面端面破碎机理及控制技术J.山西冶金,2023,46(1):204-205.