极复杂地质条件下采煤工作面顶板控制研究

姜海峰，罗广利，宗瑞申，李世先

（兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿，山东 兖州 272102）

1 工作面概况

7302 工作面位于七采区中部，工作面埋深- 489m，本工作面地质构造复杂，煤层总体为一单斜构造，倾角2～12°,平均7°，发育有次一级的波状起伏。工作面采用倾斜长壁综采放顶煤采煤法，推进长度391m，工作面面长157m。

工作面中DF4 断层延伸距离长，从开始揭露该断层落差2m，到目前为止该断层落差大约8m，对回采生产影响较大。工作面边采边撤部分过肖家庄三号断层尾部，回采后期过DF5、肖家庄二号断层一部分。各断层的平面位置及延展情况见表1。

表1 7302（外段）综放工作面断层表

表2 工作面设备布置

2 工作面回采过程中发生的歪架事故

2.1 歪架原因分析

1） 7302 工作面由于受断层影响，工作面提卧刀

幅度较大，造成工作面底板不平，在工作面变坡点处，两侧支架受重力在水平方向上的分力F1 作用下，容易造成歪架，出现架间隙。一旦有了间隙，开始架间漏矸，然后顶板破碎，支架顶梁失去了顶板压力的作用，形成一个自由体，在拉移支架的过程中，失去了相邻支架的导向和作用力，在拉移支架过程中，支架受重力在倾向方向的水平分力影响，本架就会歪斜，进而造成临架歪斜。另一方面，产生架间隙后，架间漏矸造成底板浮煤增多，支架底座箱踩在浮煤上，底座箱不平，进一步加剧支架的歪斜程度。如图1、图2 所示。

2） 支架侧护板弹簧力不够，侧护容易被挤压缩回，产生架间隙。

图1 7302 工作面实测剖面图

图2 A- A 剖面

2.2 治理措施

1） 联网、使料，人工再造假顶，使支架顶梁受力，不至于本架受临架拉移时干扰而歪斜。另外临架拉移时，本架还可打出侧护板，给临架一个作用力，减少支架的歪斜。

2） 在联网使料过程中需要注意几点：①联网质量，由于拉架时掉矸容易砸坏金属网，必要时联三层金属网。②使棚时，要1 条工字钢使在3 组支架上，以中间一组支架为中心，两头担在相邻支架上，防止棚头下到前梁下，造成无法降架子。③联网吊网时，要用葫芦将网吊好，不能用护帮板吊网，吊不够高，煤机容易割网，要把前梁头的网用葫芦拉紧，防止煤机挑顶时割网。

3）清理好底板浮煤，保证底板平整。没有底板就没有顶板，底板浮煤多，容易歪架子，更容易造成支架拉不够一整排，无法及时支护裸露的顶板，造成该段拖后，对顶板控制不利，还会造成挤压电缆槽小挡板。因此，顶板不好时，绝不能忽视底板浮煤的清理工作。

4）用单体支柱帮扶拉移支架。柱脚打在齿轨上，柱头打顶梁耳子上，使柱子略微吃劲，然后降架子，在拉移支架的过程中，给远距离柱子供液，此时柱子受力较大，容易反弹，人员一定要远离柱子，卸柱子时，要缓慢卸液。

2.3 在顶板破碎，吃网使棚困难时的治理方法

1）注意好拉移支架的顺序，先从没有架间间隙的地方开始拉。拉架时，要打住本架侧护板操作阀拉移支架。

2）在有架间隙的地方，要在架间联好双层金属网堵漏，减少架间漏矸，减少清卫生工作量，也防止架间漏矸砸伤人。

采取以上措施一周后支架歪斜度数统计表见表3：

表3 连续一周支架歪斜度数监测统计表

由表3 可知，在采取措施前，支架歪斜度数最大达到25°，在连续采取以上措施进行拉移支架后，支架歪斜度数逐渐减少至10°，效果十分明显。

3 关于顶板破碎时联网使料优缺点

1）联网是为了使棚，是为了让棚在顶板生根，联上网，必须及时使好工字钢，否则单纯联网意义不大。

2）联网后对顶板控制不是很有利，联网、吊网工作量大，推进速度慢，老顶及上覆岩层继续下沉，压力继续增大，势必造成煤壁支撑压力增大，片帮、掉顶加剧。控制顶板，就需要快速推进，在顶板完成一个弯曲、下沉、断裂周期内，尽可能的加快推进速度，就可以把压力甩在支架后面，另外过机时必须收回护帮板（采高允许的情况下尽量不收护帮板）吊网，过机后无法及时拉超前打出护帮板进行支护顶板，只能空着顶板，我们顶板控制的主要对象就是能够及时有效的支护前梁头至煤壁的空顶段顶板，防止空顶段顶板离层- 掉顶- 冒顶，因此联网对工作面控制顶板并不利。

4 工作面支架初撑力对顶板管理的作用

工作面控制顶板，支架初撑力至关重要，工作面顶板实质就是以煤壁为支点的一个悬臂梁，压力集中在煤壁处，升好支架初撑力，支撑好悬臂梁，则煤壁的受力就会减小，进而减少片帮冒顶的发生。如图3 所示。

图3 工作面支架初撑力不足时的压力分布模型

支架初撑力不足时，顶板弯曲下沉量增大，造成顶板提前断裂，失去了传递岩梁的作用，整块岩梁全部由支架和煤壁支撑，煤壁支撑压力处于峰值较高，造成压死支架、煤壁片帮、冒顶事故。

当工作面支架初撑力足够时，对顶板的支撑效果好，顶板下沉量小，不会发生弯曲下沉断裂，岩石的重量由支架、煤壁、老空岩石共同支撑，工作面处于岩梁的保护下，煤壁支撑压力峰值较小，不会对煤壁产生破坏。如图4 所示。

图4 工作面支架初撑力足够时的压力分布模型

5 煤机滚筒直径与工作面采高的关系

7302 工作面由于左右滚筒直径不同，机尾侧滚筒直径2.24m，机头侧滚筒2m，造成机头挑顶困难，采高不够，支架出现错茬，主要原因在于机尾滚筒直径太小。根据工作面三机配套看，ZF12000 支架因为有前伸梁，顶梁变厚，收回伸缩梁、护帮板后，前梁厚度0.5m，前梁头正对煤机行星头部，行星头至煤机滚筒截齿高0.6m，也就是说摇臂行星头调高顶到前梁头，顶板刚能扫到与前梁平，无法加大采高，生产过程中，为了调顶，经常是煤机行星头硬顶着前梁头往上调，挑顶十分困难。尤其是联网时，挑顶高度更是打了折扣。

6 近距离煤层注浆加固

破碎的顶板允许暴露的时间较短且暴露面积较小，如果不及时对其进行加固支护极易发生漏顶事故，如果得不到有效地控制，裸露的范围越来越大，造成较大的冒顶事故，为了防止破碎的顶板发生漏跨事故，必须在局部发生以前就要对顶板进行加固，使其在不形成更大漏冒之前就将其加以封堵，加强支护，超前预注浆固化是一种改善围岩结构，提高围岩整体性和承重能力、降低支护所需成本、提高支护效果的有效方法，利用浆液把破碎的围岩的薄弱面充分进行加固，改善围岩的力学性能，从而提高围岩的整体性。

7 效果及结论

1） 针对7302 工作面地质条件，分析了采用综合机械化采煤的可行性，并且分析了影响工作面安全高效开采的主要技术因素；

2） 针对7302 工作面地质条件，选用了合适的液压支架，经回采实践表明，该支架适应工作面煤层及煤层顶底板条件；

3） 针对7302 工作面地质条件，提出了相应的破碎顶板加固方案，设计了注浆方案，工艺简单，成本低，效果明显。

4） 7302 工作面自回采以来，生产过程中未出现严重的煤壁片帮现象，并且工作面月进尺最高150米，现场实践表明，7302 工作面采煤方法选择正确，液压支架选型合理，破碎加固可行，取得了显著成就。