煤矿回采工作面破碎顶板控制

许光辉

摘要：煤矿安全问题是整个煤矿运行的最重大问题，顶板的控制一直对于煤矿安全问题的影响尤为重要，本人结合自己工作实际情况，对煤矿回采顶板控制理论的不断学习，提出自己的见解。本文将重点对煤矿回采工作面破碎顶板控制技术进行分析，分析多方面的影响因素，从而给出具体的控制措施，保证生产的安全高效进行。

关键词：煤矿；回采工作面；破碎顶板；控制技术

煤炭行业对于我国经济的发展具有十分重要的作用，但通过对近年来煤矿工作面顶板情况和支护措施的调查发现，这一环节存在较大的安全隐患。我国煤炭开采过程中，主要依靠目前国内外研究得出的相应结论，随着科技的发展和生产经验的不断增加，对于破碎顶板的控制技术将会更加容易。

0 工作面概况

该工作面走向长度464--480米。综采可采长度453米，工作面长度140米，煤厚2.3～3.2米， 均厚2.51米， 煤层倾角1°-4°。顶板风化且破碎。

1 工作面破碎顶板控制技术分析

1.1 破碎顶板冒顶

一般在断层带、褶皱、节理位置容易产生破碎顶板，顶板强度受到强大的地质营力的作用弯折而大幅度下降，加上煤炭开采完成之后形成的空洞极其容易发生断裂，大多形成碎块状的顶板。其一般规律总结如下：

（1）地质环境处于不断变化的过程中，岩层长期受到地质应力的作用，主要的应力类型有拉力、压力和剪切力，导致断裂面产生大量裂隙，出现破碎岩层，中间的空隙部分大多数由粉状或者泥状物质填充，不同层析之间缺乏粘结力，采取顶板保护措施时难度较大。

（2）由于地壳运动作用导致了岩层的水平方向没有力的作用，因此褶曲内残存的应力在煤炭开采时会突然释放，发生岩层应力场的突变，背斜和向斜内积存的大量弹性能导致局部冒顶现象。

（3）在原本状态上部和周围的荷载共同作用到顶板岩层和煤层上，当煤层被开采之后，所有的应力作用将会单独施加于上部顶板，导致顶板岩层受到的应力增大，产生部分节理和裂隙，形成较为破碎的结构，各部分之间无法连接形成相互独立的个体，如果下部没有足够的支撑物质补充，将会形成局部冒顶，甚至在掉落时出现水平方向力的作用将支架推动、倾倒形成大范围冒顶。

1.2 冒顶产生原因分析

大型综合机械化的开采模式对破碎顶板端面冒顶处理工作的开展效果直接影响矿井的安全系数和生产效率，通过对大量煤矿开采工程条件和生产条件的分析，总结出影响端面冒顶的主要因素有：第一，地质因素。地层多年的沉积和地质应力的作用已经形成固定的岩层强度、裂隙类型、断层和褶皱等地质构造，并且无法通过后期措施影响实现阻止，该原因为顶板稳定性问题的决定性因素。断层落差幅度大，产生的构造裂隙越发达，岩层强度相对弱，发生冒顶的可能性越高。第二，工作面推进速度。工作面的推进速度是一项重要的影响冒落程度的因素，当工作面的推进速度较大时，其相应的支护体系必须加快速度跟进支撑，这时支架对于工作面的反复作用效果将会降低，因此支架对于上部顶板岩层的破坏作用也相对下降，因此煤层与周围岩层的变形量较少，减少了工作面冒顶的发生概率。第三，支架初撑力及支护强度。顶板冒落程度与支架支护强度大致呈双曲线关系，一般情况，端面出现事故的变化范围为工作阻力在250至300，不到此范围内，端面冒顶情况急剧增加，超出此范围，基本不会影响端面冒顶，因此支架工作阻力同样为冒顶事故形成的重要因素。第四，人为因素。人为因素的影响也是发生工作面冒顶的重要方面，操作人员没有认识到问题的严重性，不按规定方法操作，技术等级不过关甚至设计人员的水平过低等都会造成工作面冒顶，因此控制人员的管理工作对于煤矿生产安全具有十分重要的意义。

2 破碎顶板处理措施

在回采工作面的管理工作中，破碎顶板工作面是工作的重中之重，是决定一切生产的核心内容。采用科学合理的处理操作是确保相应工程安全高效开展的重要内容。

为了将破碎容易冒落的顶板处理稳妥，首先需要将顶板暴露的短时间内采取措施，减少破碎岩石的暴露面积，对尽可能少面积的位置进行处理，防止其逐步向外扩散，发生大范围冒顶事故。为了防止破碎顶板出现问题，必须保证在破碎顶板出现问题之前将其有效的控制住，目前在生产过程中主要采取的措施有以下几个方面：

第一，详细开展地质勘查工作，在工作面开采前必须对地质勘探说明书进行详细分析，全面了解该位置的地质结构变化情况、斷层节理的发育情况、褶曲的类型以及水文地质条件等，从而能够根据实际工程条件制定详细的处理措施。

第二，保证及时支护和超前支护工作，采煤机在完成一次割煤操作后应先移动支架再转移输送机，条件允许时可以利用超前采煤机转移支架，使得支架顶梁能够有效的煤壁相接触，避免顶板暴露。

第三，破碎顶板在顶梁上部时本身已经呈现出破碎的状态，并且厚度不均匀，在移动支架时浮矸会在支架中间掉落，对于端面产生比较大的隐患。对工作面而言必须尽可能缩减梁端距，梁端距越短，支护效果越佳，而且能够配合临时支护保证支护质量。

第四，对于顶板不稳定的煤层，在支架选择最好使用具有伸缩功能，同时配备护帮板的支架，采煤机经过该位置后，即刻向前移动支架，将伸缩梁和护帮板打开，对顶板煤层进行保护，打开伸缩梁，从而最大限度的保证端面距最小。

第五，辅助金属网，在支架结构的顶面铺设一层金属网能够有效的控制散落的顶板岩层，金属网的作用在于能够将破碎掉落的岩层重新产生相互之间力的作用从而呈现出一个整体化，提升顶板岩层的强度。

第六，架设走向梁，在完成割煤工作后可以在煤壁上部开挖一个放置走向梁的梁窝，使支护结构能够通过梁窝来实现支撑，保护上部顶板，但如果煤壁存在片帮的可能不宜采用该方法，可以在靠近煤壁的位置设置临时贴帮柱。

第七，带压擦顶移架，在移动支架时应该尽可能保证支柱具有一定的工作阻力，与顶板有接触条件下摩擦移动支架，采用该方法移动直接能够在一定程度上减少移架带来的上部岩层的破坏。

3 桁架锚索梁的应用对破碎顶板的支护

地质条件复杂，断层发育，压力大，巷道变形严重。直接顶板为大青岩，局部风化为黄泥，树脂药卷无法穿过，锚索线无法施工；南北近冲积层掘进，顶板不同程度风化，锚固力有所降低。针对如此复杂的顶板情况，如何保证巷道顶板安全，成为顶板管理的重点、难点。

工作面顶板大青灰岩风化后我们采取了工字钢支护方式、化学浆对锚索眼注浆、顶板预注粘土水泥浆等几种支护方式的尝试后，巷道支护的问题没有得到很好的解决，为了改变这种情况，翻阅相应资料及文献后，尝试将锚索梁该为垂巷布置，将锚索锚入煤里，并重新对锚索梁支护理论进行验算，通过计算，安全系数达到支护需要。

具体支护方式为：锚索梁排距1.5m，锚索梁两端锚索线由原来7.0m线改为4.8m， 槽钢改为3.0m12#槽钢，孔间距2.5m，两帮锚索线分别向两帮偏20°，在托盘与锚索球之间加锚索线角度调整器。并在两道锚索梁之间补打一个点锚索，托盘使用400×400mm，厚度10mm铁板，点锚索线使用φ17.8-4500mm钢绞线。

这样以来锚索线锚入巷道以外1m的煤层中，通过涨拉，涨拉强度也可以达到30Mpa。同时加强对巷道内的矿压观测工作，每隔3m加信号点柱，在巷道内每隔20m，打一个顶板离层仪；并在巷道内设矿压观测站。通过掘进期间对支护参数的优化，锚索梁布置方式改为垂巷布置，避免了繁重的工字钢支护方式，减小了工人的劳动强度，安全性也得到了提高。桁架锚索的推广应用，保证了工作面的正常接替，大大降低工人们的劳动强度。为我矿今后的强风化灰岩覆盖厚煤层沿底托顶煤巷道锚网支护技术和近冲积层技护技术的研究方面提供一定的依据，具有良好的推广应用前景，有利于进一步推动快速高效综合机械化开掘技术的发展。

4 支架选型与顶板管理

4.1 支架选型

根据夹石下煤厚2.55-3.0米，以及已采的工作面的顶板活动规律，本工作面选用ZZS5600/14/28支撑掩护式支架维护采场，用自然垮落法结合人工强制放顶处理采空区顶板。

本工作面长度140米，支架中心距1.5米，根据三机配套及顺槽宽度，工作面安裝96架ZZS5600/14/28支撑掩护式支架其中头各一架ZZS6000-17/37型支撑掩护式支架。工作面最大控顶距5.72米，最小控顶距5.09米，最小端面距340毫米，最大端面距970毫米。

4.2液压支架工作阻力校核

顶板压力估算：单架支架承受的载荷P为

（1）参照本矿相邻煤层工作面矿压观测资料可推断本工作面直接顶初次垮落步距为17米，老顶初次来压步距为46米。

（2）合理支护强度计算

P=G×h×γ×k

=9.81×2.51×2.5×6

=370千牛/米2

式中：h-采高2.51米

γ-岩石容重，取2.5t/m3；

k-工作面支架应该支护的上覆岩层厚度与采高之比，一般为1-8，取6。

（3）实际支撑能力计算

Rt=kg×kz×kb×kh×ka×R

=0.99×0.95×0.9×0.9×1.0×5600

=4266KN

式中：Rt-液压支架实际支撑能力，KN；

kg-工作系数，取0.99；

kz-增阻系数，取0.95；

kb-不均匀系数，取0.9；

kh -采高系数，取0.9；

ka-倾角系数，取1；

R-液压支架额定工作阻力5600KN。

（4）支架单位面积支护强度

S大=a×b

=5.72×1.5

=8.58m2

式中：a-支架最大控顶，m；

b-支架最大宽度：取1.5m；

S大-支架最大控顶距时的支护面积，m2。

支架单位面积的支护强度P

P=Rt/S大=4266/8.58=497KN/m2

（5）支护强度比较

因工作面合理支护强度小于支架支护强度，所以支架选择合理。

5 结束语

通过对煤矿破碎顶板的主要规律分析，探讨出冒顶产生的主要原因，最后根据其产生的原因类型制定出相应的解决措施和主要的控制要点，采用有效的回采工作面破碎顶板处理措施，能够有效的保证煤矿生产安全进行，防止由于细小问题导致的大范围冒顶事故的发生，降低顶板冒顶产生的损失，提升工作效率。

参考文献：

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