王庄煤业3505 综采工作面破碎顶板控制技术探究

王首杰

（晋能控股煤业集团长治公司生产指挥中心，山西 长治 046000）

引言

长治王庄煤业位于长治市上党区荫城镇西陕村，属沁水煤田，主采3 号煤层，平均厚度为4.94 m，核定产能260 万t/年，煤种为贫煤。3505 综采工作面在工作面巷道掘进过程中距离停采线800 m 位置揭露轴向近南北向、倾向近东西的向斜构造。根据邻近工作面通过向斜构造的实践经验，在工作面回采过程中计划采用缩短切眼长度，绕过构造影响区域的方式通过向斜构造。因此，在回采前已掘进新切眼及相关巷道。为最大限度回收煤炭资源、提高工作面服务年限，经王庄煤业深入探讨，最终决定采用注浆加固的方式仰采通过向斜构造影响区域，以确保综采工作面在回采过程中的顶板安全，提高回采效率。

1 王庄煤业3 号煤层概况

1.1 3 号煤层顶、底板概况

煤层伪顶厚度为0.1～0.5 m，平均0.2 m，炭质泥岩为黑色，薄层状，结构疏松，随采随落；直接顶厚度为2.75 m，灰黑色，厚层状，均匀层理，见少量不完整植物化石；老顶厚度为6.00 m，灰色，薄层状，波状层理，成分以石英为主，长石岩屑次之，泥质胶结，分选性差，坚硬。

直接底厚度为3.60 m，深灰色，厚层状，均匀层理，见少量不完整植物化石；老底厚度为2.45 m，灰黑色，厚层状，均匀层理，见少量不完整植物化石。向下依次为细粒砂岩2.30 m，砂质泥岩0.80 m，泥岩1.6 m，粉砂岩0.90 m，泥岩2.25 m，砂质泥岩3.05 m，石灰岩2.95 m，泥岩1.31 m。工作面顶底板情况如表1 所示。

表1 顶板岩性分析

1.2 3505 综采工作概况

3505 工作面所采煤层为3 号煤层，所处水平为+980 水平，隶属35 采区，工作面标高为+949.7～+1 021.3 m，工作面可采长度2 016.04 m，可采面积700 698.14 m2。3505 工作面北为3503 工作面采空区，南为F2 正断层保安煤柱，西为35 采区胶轮巷，东为井田边界线保护煤柱。煤层情况如表2 所示，工作面位置及井上下关系如表3 所示。

表2 3 号煤层情况

表3 工作面位置及井上下关系

1.3 地质构造概况

该区域构造形态总体为轴向近南北向、倾向近东西的向斜构造，地层倾角预计约为1°～11°。该区域无断层、陷落柱、岩浆岩的影响，因此地质构造复杂程度为简单类型[1-2]。工作面地质构造如表4 所示。

表4 工作面地质构造表

S1 向斜：位于井田中南部，井田内延伸2.20km，由北向南横跨3505 工作面中部，两翼倾角约9°～11°。

3505 工作面切眼回采至停采线1 026～540 m处遇向斜地质构造，该区域受地质构造影响，顶板较破碎给回采工作带来影响，综采队要提前做好相关应对措施，保证工作面安全生产。

在3505 回风顺槽距停采线1 629 m 向工作面长距离钻探探测出陷落柱X21，长轴44.5 m，短轴27 m；回采通过此位置前，提前制定安全技术措施，加强安全管理，确保安全生产。工作面通过槽波勘探，在工作面内距停采线1 099 m，距回风顺槽40 m 探测到异常区2，该异常解释为构造破碎带，不排除陷落柱的可能，范围大小120 m×60 m，疑是陷落柱，有待钻探验证。

2 工作面顶板影响因素分析

2.1 地质因素对顶板的影响

随工作面推进，煤层与围岩相对稳定的力学结构遭到破坏，顶板岩层应力通过煤层释放给底板岩层，若煤层强度低、易碎，顺板岩层应力无法完全释放到底板岩层，从而导致顶板破碎。决定岩体强度的重要特征主要是岩层的层理、裂隙，层理、裂隙越发育岩性越弱，强度越低，顶板岩层也越易冒落。

2.2 端面距对顶板的影响

用百分比来表示冒落范围占工作面的总长度，端面距增加，则冒落程度随之变大。但这个规律并不绝对，有些工作面梁端距为零，仍然发生了冒顶，这说明端面距不是影响顶板冒落的唯一因素，还有其他因素对顶板会造成影响。

2.3 工作面推进速度对顶板的影响

工作面推进速度对顶板冒落程度有直接影响，工作面推进速度加快，支护的速度也增加，减少了煤与围岩的变形程度，工作面冒顶也会相应减少。王庄煤矿综采工作面2002—2003 年平均日推进3 m，由于推进速度较慢，顶板控制难度大，所以顶板漏冒经常发生，2018 年—2019 年平均日推进达到5.4 m，工作面顶板漏冒基本杜绝，工作面推进速度越快，冒落程度越小。

2.4 支架初撑力对顶板的影响

支架初撑力只要达到24 kPa 以上，工作面顶板情况相对稳定，即使再增加支架初撑力，对顶板情况无明显影响。但是当支架初撑力小于24 kPa 时，随着初撑力的减小，端面冒落情况急剧增加。由此可见，支架初撑力对工作面顶板管控影响较大，保证支架的初撑力达到要求，对顶板管控至关重要。

3 顶板破碎的传统控制方法

3.1 支架选型

煤层顶板不稳定，顶板破碎且容易片帮的工作面，应该尽量选取前梁具有伸缩性能的支架。采煤机割煤过后立即拉架，支护刚暴露的顶板时，立即伸出前梁，最大程度减小端面距。若煤壁片帮，可在采煤机割煤前超前拉架，使前梁顶住煤壁，确保支护有效。

3.2 金属网护顶

支架进入顶板破碎带以后，由于顶板破碎且在顶梁上方有厚度不等的浮矸层，移动支架时，浮矸容易从端面及架间漏下，也可造成端面冒顶扩大，锚顶网能使破碎顶板形成一个整体，达到改善顶板之功效。

3.3 带压擦顶移架

当采用正常操作程序降架移架很难保持破碎顶板的完整性时，应采取带压擦顶移架。移架时，先启动推移千斤顶，再逐渐卸载，使梁与顶板保持一定的支撑阻力，带压前移，这样顶板不会出现明显松动，可有效控制顶板。

4 采用注浆方法控制顶板

4.1 回采前预先对构造影响区域煤壁注化学浆加固

利用工作面存在的回风顺槽绕道等旧巷对构造影响区域的煤壁预先注化学浆来加固。巷道内顶板向下1.5 m 位置打设注浆孔，孔间距8 m，孔深6 m，垂直煤壁打设[3]。为保证工作面回采至构造影响区域的顶板及煤壁安全，提前对煤壁进行注化学浆加固。化学浆A、B 料混合后能迅速反应，生成高强度、高韧性的聚合物，把原来松散的、不连续的煤岩体胶结成连续的、完整的受力体，与煤岩层起到较好的黏合作用且黏合后抗压、抗剪强度高，有效地遏制了煤壁片帮及顶板冒落事故的发生。

4.2 仰采过程中工作面采取注化学浆加固措施

煤壁注浆加固选用高分子树脂材料，由A、B 两组有机材料组成的复合产品。两组分材料混合后能迅速反应，生成高强度、高韧性的聚合物，把原来松散的、不连续的煤岩体胶结成连续的、完整的受力体，与煤岩层的黏合性能好，黏合后抗压、抗剪强度高，耐冲击、抗疲劳性，耐酸、碱性好。材料反应前黏度较低，渗透、流动性好，能很好的渗入煤层或岩层细小的裂隙中；反应固化后有很好的柔韧性能，能承受煤岩层的变形。

5 结论

基于王庄煤业3 号煤层顶板特点以及历年综采工作面顶板破碎规律，总结历年对于顶板支护的经验和不足，归纳以往采取的支护方法，结合近几年普遍采取的注浆办法，把传统方法和现代工艺相结合，形成一套行之有效处理工作面顶板的方法，为矿井顶板管控提供参考。