坚硬顶板大倾角软煤综采安全技术探析

时昌鹏

（山西兰花同宝煤业有限公司，山西 高平 048400）

大倾角煤层在西南、两淮地区以及山西、陕西等煤炭主产区均有分布。相对于近水平煤层而言，大倾角煤层开采时存在的致灾因素多，开采难度大［1-2］。为了实现大倾角煤层的安全开采，众多学者从采场空间结构、围岩应力演化、覆岩破断等方面展开研究［3-4］。同宝煤业15105 综采工作面开采的15 号煤为大倾角松软煤层。该煤层顶板为坚硬的灰岩，回采期间面临的主要问题是煤壁片帮、顶板冒落以及支架失稳等问题，采取针对性措施确保工作面安全高效回采是面临的现实问题。

1 工作面概况

同宝煤业15105 综采工作面开采15 号煤层，受到区域地质构造影响，煤层倾角介于20°～36°之间，平均为30°。煤层硬度普遍在0.5 以内，为典型的大倾角松软煤层。15 号煤层厚度为2.51 m，为全区稳定可采煤层。煤层结构简单～较简单，含0～3 层泥岩夹矸，煤层直接顶为厚度5.6 m的泥岩，抗压强度26 MPa；基本顶为厚度14.4 m的K2灰岩，抗压强度86 MPa；底板为砂质泥岩、铝土岩、粘土岩。15105 综采工作面设计走向长度为580 m，倾斜宽度为115 m，采用综合机械化一次采全高工艺，采煤机型号为MG500/1180WD型，液压支架型号为ZY9200/20/40D型，采用全部垮落法管理顶板。

15105 综采工作面回采期间液压支架间出现不同程度漏矸、煤壁片帮、支架倾斜问题，甚至局部位置出现大范围冒顶现象，见图1。现场采用提高液压支架工作阻力方式治理顶板冒落、煤壁片帮以及支架失稳现象，但是效果不明显。

图1 顶板冒顶现场

2 工作面回采期间风险分析

15105 综采工作面回采期间制约工作面安全的主要因素为顶板冒落（架间漏矸）、煤壁片帮以及液压支架稳定性较差。结合相关研究成果［5-6］，分析认为15 号煤层顶板坚硬、煤体硬度较低以及煤层倾角大等因素是导致冒顶、片帮发生的主要原因。具体灾变过程为：工作面回采过程中煤层上覆K2灰岩不能及时垮落，超前应力集中更为明显，在应力集中作用下煤体以及直接顶（泥岩）裂隙进一步扩展、完整性有所降低，从而增加煤壁片帮以及漏顶发生概率；工作面煤壁出现片帮后，直接顶沿着片帮处冒落，造成支架局部空顶，严重时造成支架失稳；支架失稳后顶板岩层失去控制，在顶板覆岩压力作用下支架存在大范围倾倒或者压垮风险。

归结起来，坚硬顶板大倾角软煤在回采过程中灾害模式有两种：①煤壁片帮、顶板冒落导致液压支架、围岩结构失稳；②煤层上覆基本顶突然破断导致工作面支护体系受到较大冲击，严重时出现灾害。根据15105 工作面具体条件，提出使用深孔预裂爆破弱化顶板岩层，降低顶板来压强度；注浆提高煤体承载能力及稳定性，同时支架顶梁铺设金属网及工字钢梁支护破碎顶板防止煤壁片帮及冒顶现象；采取严格控制采高等措施提高支架稳定性。

3 工作面回采安全技术措施

3.1 坚硬顶板弱化技术

通过深孔预裂爆破超前弱化顶板灰岩，实现煤层基本顶及时垮落，改善工作面前方煤体受力环境。在超前工作面30～35 m位置施工顶板预裂爆破钻孔，钻孔布置见图2。在回风巷、进风巷沿走向各布置3 个预裂爆破钻孔，终孔位置位于基本顶上边界附近，即终孔位置位于15#煤层上覆约20 m处；钻孔间距根据经验确定，设计为2.5 m，施工参数见表1。选用煤矿许用三级乳化炸药，采用连续耦合装药方式，双雷管引爆，采用水泥、水炮泥以及黄泥封孔。

图2 预裂爆破钻孔布置

表1 预裂爆破钻孔施工参数

3.2 煤壁片帮防治技术

在15105 综采工作面中部以及回风巷向破碎煤体区施工注浆钻孔，注入化学浆液（材料为聚氨酯），化学浆液在破碎煤体中扩展、胶结后可有效提高煤岩体强度以及稳定性。破碎煤体区主要分布在DF21断层附近，DF21断层与回风巷间距介于25～33 m间。因此，回风巷内施工的注浆孔深均为35 m、间距为3.0 m，注浆压力5 MPa以上，注浆孔沿着煤层施工，通过注浆提高断层影响区附近煤体稳定性；回采过程中发现破碎煤体时，则在工作面煤壁施工注浆孔，孔深一般控制在6.0 m，间距为2.0 m，注浆压力3～5 MPa。

工作面液压支架与煤壁共同起着支撑顶板的作用。由于15 号煤层直接顶为泥岩，虽然本身裂隙不发育，但是由于其自身承载能力较差，在采动压力以及液压支架反复支撑作用下产生大量的裂隙，在采煤机割煤、液压支架移架期间容易出现顶板冒落问题。为此，在现场通过铺设金属网+工字钢梁对破碎顶板进行控制；在工作面推溜、移架时应做到少降快拉及时支护破碎顶板、煤壁。

3.3 液压支架稳定性控制措施

确保液压支架稳定对工作面回采安全具有重要意义。针对15105 综采工作面具体条件，提出采取下述支架稳定性控制措施：

（1）工作面回采时严格控制采高，当回采遇到地质构造带时可适当降低采高，确保支架稳定；

（2）为实现液压支架姿态的实时调节，避免出现倾倒问题，在支架顶梁位置安装侧推弹簧以及防倒千斤顶，在两侧护板位置安装侧推千斤顶。

（3）为提高液压支架整体完整性并防止支架出现滑移，通过斜拉千斤顶与工作面刮板输送机连接，在支架底座前后位置均安装调斜千斤顶。

3.4 效果分析

为了掌握安全技术措施应用效果，对工作面回采期间液压支架工作阻力以及煤壁片帮情况进行监测分析。经观测工作面周期来压步距约23 m。在顶板来压期间仅个别支架安全阀开启，液压支架工作阻力介于7 456.3～8 017.6 kN之间，为额定工作阻力的81.0%～87.2%；在非来压期间液压支架工作阻力介于5 526.9～6 354.7 kN之间，为额定工作阻力的60.1%～69.1%。在正常回采期间以及顶板来压期间支架工作阻力均较小，保留有较大的富裕系数。表明采用深孔预裂爆破对煤层上覆坚硬的K2灰岩弱化后可有效降低顶板来压强度。

在工作面煤体破碎区采取化学注浆、支架顶板铺设双层金属网及工字钢梁措施后，煤壁片帮以及顶板冒落问题基本得以解决。工作面正常回采期间煤壁及顶板完整性较好，仅来压期间煤壁出现小范围片帮，片帮深度在0.3 m以内；液压支架倾斜角介于6°～8°间，未发生倾倒或滑移现象，表明采取的煤壁片帮、支架稳定性措施等取得较好效果。

4 结语

15105 综采工作面煤层为坚硬顶板大倾角软煤，在回采过程中面临的主要安全风险为煤壁片帮、顶板冒落以及支架失稳。采用顶板深孔预裂爆破、煤体破碎区注浆、铺设金属网及工字钢梁、支架防倒防滑等措施，顶板来压强度有所降低，煤壁片帮及冒顶问题基本得以解决，支架稳定，保证了工作面安全回采。