综采工作面过冒顶区支护技术研究与应用

于树奎

(华电煤业集团有限公司，北京 100035)

近年，随着煤矿开采深度的增加，开采规模的不断增大，煤矿安全生产形势愈发严峻。安全事故的发生不仅对于煤矿的生产产生不利影响，同时造成重大的人员伤亡和财产损失。其中顶板事故是煤矿安全事故中发生次数最频繁的事故，据不完全统计，2018年煤矿事故51起，死亡63人，顶板事故14次，巷道事故33起，占64.7%[1-4]。鄂尔多斯、榆林是我国煤炭主要产地，两地区的煤炭产量占全国总产量的25%左右，是我国煤炭生产的核心区域。两地区的煤层开采条件优越，煤层赋存稳定，顶板岩性多为泥岩、粉砂岩，稳定性差，受到采动影响或地质构造影响，极易发生冒顶事故，但是通常的架棚、打木垛、注浆、充填等处理冒顶技术，工人劳动强度大、效率低，制约矿井的生产。结合小纪汗煤矿11217综采工作面局部冒顶实际情况，针对冒顶的主要因素进行了深入分析，提出了冒顶区煤壁前方开巷道进行顶板加固、马丽散化学注浆剂加固技术、罗克休泡沫充填技术方案等三个方面的对策[5-9]，有效控制了工作面的漏顶，减少了作业风险，加快了工作面推进速度，实现安全生产。

1 工程概况

小纪汗煤矿隶位于陕西省榆林市小纪汗乡，矿井设计生产能力1000万t/a，煤层赋存稳定，水文地质条件为复杂型，煤层为矿井的主充水含水层，矿井用水量为26400m3/d，现开采2#煤层，布置2个综采工作面，3个连掘工作面和1个综掘工作面。11217综采工作面设计倾向长度325.4m，走向长度5046.7m，工作面剩余长度180m，煤层平均厚度为4.92m，煤层厚度3.52～6.32m，煤层为缓倾斜煤层，倾角为1°～3°。11217综采工作面平均采深为384m，顶底板岩性为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，煤层底板岩性特征见表1。

表1 煤层底板岩性特征

工作面回采至4866.7m，回采过程中，因周期来压造成工作面局部顶板压力突然增大，70#—90#支架前方冒顶，煤壁片帮，支架不接顶，支架倾斜，导致工作面难以正常推进，给矿井安全生产带来重大安全隐患。

2 过冒顶区支护技术

2.1 处理局部冒顶的方法

常规处理局部冒顶的方法采用：掏梁窝挑钢梁、支悬臂梁、顶板填充等方法[11]，但这3种方法操作起来比较危险，容易造成人身伤亡事故，给矿井造成不可挽回的经济损失。11217工作面在册人员73人，管理人员10人，两个生产班每班17人，检修班29人，全队平均年龄28岁，处理冒顶的经验较少，人员的安全难以保证，存在较大的安全隐患。通过小纪汗煤矿处理11217工作面冒顶的实践，并结合工作面具体条件，创新研究了处理综采工作面局部冒顶的方法，采用了在冒顶区煤壁前方开巷道进行顶板加固的技术方案。

2.2 支护布置及工艺

2.2.1 巷道布置

从工作面57#、87#支架中心对应煤壁处开口，采用炮掘，沿工作面顶板掘进巷道，靠近机头侧巷道长度为5800mm，煤柱长4000mm，宽度为1800mm，高度为2000mm；靠近机尾侧巷道长度为7800mm，煤柱长6000mm，宽度为1800mm，高度为2000mm；平行工作面的巷道长度55000mm，宽度为1800mm，高度为2000mm，为避免回采过巷应力集中造成漏顶，平行工作面的巷道适当伪斜。11217综采工作面措施巷施工如图1所示。

图1 11217综采工作面措施巷施工(mm)

2.2.2 巷道支护工艺

顶板采用“锚网索+BHW钢带”联合支护，锚索长度为7000mm，采用直径∅21.6mm钢绞线，间排距均为600mm×1500mm，每排布置3根锚索，锚索托盘采用钢板制作的300mm×300mm×14mm拱形锚索托盘。锚索锚固力不小于180kN，预紧力不小于120kN，锚索支护紧跟掘进工作面。顶网采用8#菱形铅丝网，网片规格为5000mm×1200mm，搭接长度为200mm，使用14#铁丝双股绑扎，绑扎间距不大于300mm。钢带采用BHW280-3.00型，顶部锚索应当向煤壁方向适当倾斜。巷帮采用全螺纹玻璃钢锚杆，规格为MGSL18/1800F，锚杆使用MSK23/60型树脂药卷，每根锚杆1根药卷，锚杆锚固力不小于50kN，锚杆扭矩不低于50N·m，间排距为500mm×500mm；帮网采用塑料网片，网格40mm×40mm，网片搭接长度200mm，使用14#铁丝双股绑扎，绑扎间距不大于300mm。11217综采工作面措施巷支护断面如图2所示。

图2 11217综采工作面措施巷支护断面示意图(mm)

2.2.3 施工方案及工艺

施工顺序：措施巷施工和工作面顶板注罗克休，待措施巷施工完成后施工煤壁侧注马丽散。

1)注浆工艺：①先对57#—87#支架顶梁前部顶板冒空区实施钢筋网加风筒布填充，防止罗克休时漏出；②再对57#—87#支架前部顶板冒空区实施罗克休材料的充填；③在措施巷里向煤柱侧打注浆眼，钻孔直径为42mm，间排距1000mm，三花布置，孔深设计3000mm，注浆孔角度垂直煤壁施工；④施工注马丽散，注浆顺序为由两边向中间施工。

2)巷道施工工艺：掘进工艺为炮掘，采用4台QYT—28型凿岩机打眼，一次成巷，短掘短支，掘支段长为1800mm。掘进出煤使用人工小车运输，运输到工作面刮板输送机内。炮眼布置示意图如3所示。

图3 炮眼布置示意图(mm)

3)巷道施工方法：①施工顺序：安全检查→打眼→装药→连线→放炮→敲帮问顶→支护顶网→出渣→支护帮网→文明卫生；②爆破主要技术参数：钻眼掏槽采用水平楔形掏槽，采用不燃性的粘土炮泥封实，封泥长度不得小于500mm，爆破原始条件及爆破参数见表2、表3。

表2 爆破原始条件

表3 爆破参数表

2.2.4 工作面顶板压力分析

工作面冒顶处理前后顶板压力变化曲线分别如图4、图5所示，通过图4、图5对比分析可知，11217综采工作面冒顶处理前顶板压力较大，液压支架压力平均在45MPa以上，最大压力达到49MPa；11217综采工作面冒顶处理后，在工作推进过程中，顶板压力逐步趋于稳定状态，液压支架压力在40MPa以下。

图4 工作面冒顶处理前顶板压力变化曲线

图5 工作面冒顶处理后顶板压力变化曲线

3 处理冒顶创新方法与传统方法对比分析

3.1 安全风险

在处理冒顶时，采用传统方法掏窝挑钢梁，然后顶上架设木垛或者在棚梁上空充填高分子膨胀材料，其目的都是保证现有支护措施能和冒顶后新形成的顶板接顶严实，防止空的时间过长，应力集中，破坏新顶板的完整性，导致急性冒落。

两种方法都需要在冒落区域下口从外向里逐步架设棚梁，先把下口棚住，然后进行后续作业。如果在空顶区域内架设木垛的话，因液压支架前方或顶梁上架设木垛空间小，必须降架处理，并且需要作业人员进入空顶区域作业，没有任何防护，但卸压降架会带来冒顶范围扩大，作业人员很容易受到二次冒顶伤害；两种方法都不能一次性彻底解决工作面的冒顶，在工作面继续向前推进过程中顶板还会冒落，处理工作往复进行，存在较大的安全风险，严重影响工作面的推进速度。

采用创新方法是使用罗克休泡沫充填冒顶区，同时在工作面冒顶区煤壁前方开巷道提前对顶板加固，然后使用巴马丽散化学注浆剂超前加固煤壁和顶板，其目的是提前对工作面前方的煤层顶板进行加固，改善了该区域内煤层的顶板条件，为工作面安全顺利通过该区域创造条件。

创新方法处理冒顶人员不用进入冒顶的空顶区域作业，保证了人员的安全；该方法超前加固工作面的顶板，提前改善煤层、围岩的物理性质，有效控制了顶板冒落，确保工作面安全快速回采。

3.2 经济效益

将采用创新方法处理冒顶与传统方法处理冒顶进行经济效益对比分析[10]，结果见表4。通过表4对比分析可知，创新方法比传统方法的施工工期节省16d，处理冒顶发生费用节省38万元。粗略计算，小纪汗煤矿11217综采工作面日产原煤1.5万t，吨煤利润为100元，创新方法比传统方法增加矿井经济效益2400万元。综上所述，采用创新方法处理冒顶，经济效益十分明显。

表4 经济效益对比分析

4 结 论

1)采用创新的方法处理冒顶后，11217综采工作面顶板压力始终保持在40MPa以下，顶板得到了很好的控制，冒顶区围岩稳定性增加，给后续的回采创造了良好的条件。

2)采用创新的技术方案处理工作面冒顶，工作面前方煤层、顶板围岩改善较为明显，提高了围岩的整体性、稳定性和自承力。在割煤过程中，该区域顶板完整性较好，未发生冒顶事故。

3)相比传统方法，该创新方法大大地提高了处理冒顶的安全系数，经济效益显著，为工作面处理冒顶提供了新的手段，该技术方案对类似工作面的冒顶处理具有很好的参考价值和指导意义。