过厚煤层综采工作面顶板支护技术研究与应用.pdf

2023 年 10 月Oct.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.020过厚煤层综采工作面顶板支护技术研究与应用（河南能源化工集团永贵能源开发有限公司新田煤矿，贵州 毕节 551500）摘要 分析了综采工作面过厚煤区域时顶板存在的安全风险以及影响顶板安全管控的相关因素，包括底煤软硬程度、支架倒架、歪斜的影响，工作面采高限制以及顶底板不平整等自然条件的影响。通过风险分析，提出人工扩帮支护、顶底板注浆加固、骨架钢管超前支护、支架质量管控等防范措施，有效加强了过厚煤层时的顶板安全管理。关键词 综采工作面；厚煤层；顶板管理；控制技术中图分类号TD353文献标识码B文章编号 1672蛳9943（2023）05蛳0062蛳030引言随着我国煤矿开采技术和综合机械化水平的不断提升，单产单进与煤炭产量也得到了长足发展。但在面对地质条件和瓦斯条件复杂的工作面时，也会出现很多较难解决的问题。比如高瓦斯突出矿井综采工作面在回采期间，需要经过断层集中带和厚煤区的自然条件时，很容易遇到地质条件探查不清导致的煤层消突不到位而引起瓦斯超限，甚至是突出事故；在过断层时遇到顶板破碎，支护条件受限导致冒顶事故发生；当工作面支架质量管理不到位，会造成咬架、倒架及顶板漏矸、下沉冒落事故发生等咱员暂。为了有效解决综采工作面过厚煤层区域时的顶板支护质量管理，降低施工回采的安全风险，以新田煤矿 1404 综采工作面为例，重点研究顶板管理的主要影响因素以及顶板控制安全技术措施的可行性。1工程概况新田煤矿 1404 综采工作面地质条件极为复杂，运输巷和回风巷在掘进期间实际揭露 3 条断层，落差在 0.83.0 m 之间。根据实揭煤层地质资料剖面显示，运输巷煤厚为 1.24.4 m，回风巷煤厚为 2.35.5 m；工作面整体评估为煤层可采厚度 1.46.0 m，平均厚度 3.1 m。但综合断层构造影响与区域顺层钻孔资料分析，回采范围内切眼推进方向可能赋存煤厚最大值为 7.3 m，煤层发育极不稳定，对安全回采构成严重威胁。1404 综采工作面选用 ZY6800/22/45D 型电控液压支架支护顶板，其工作阻力可达到 6 800 kN，支撑高度为 2.24.5 m，通常情况下可满足对顶板的支护需要。但当切眼推进至厚煤区域时，支架最大伸缩高度不能够支撑顶板一次采全高高度，在这种情况下，很有可能诱发大面积冒顶事故。为了避免事故发生，最大限度地确保煤炭资源采出率，经过综合考虑，采用人工干预的沿顶留底煤开采技术方案。2沿顶留底煤方案可行性分析1404 综采工作面主采 4#煤层，其坚固性系数f为 1.201.78，平均 1.51。根据坚固性系数f反算 4#煤层单向极限抗压强度值，其计算公式如式（1）。R=10f（1）式中R为岩石标准试样的单向极限抗压强度，MPa。经计算，4#煤层单向极限抗压强度为 15.1 MPa。采用经验公式计算 1404 综采工作面所需支护强度，其计算公式如式（2）。P=9.8h酌k（2）式中：P为工作面的合理支护强度，MPa；h为煤层采高，取最大采高 3.1 m；酌为顶板岩石密度，取2.5103kg/m3；k为工作面支架应该支护的上覆岩层厚度与采高之比，取 8。经计算P=0.61 MPa。由 此 可 知，工 作 面 所 需 最 大 支 护 强 度 为0.61 MPa，远小于 4#煤层单向极限抗压强度15.1 MPa。因此，4#煤层作为液压支架底板支护上覆岩层满足支护强度要求。3过厚煤区顶板控制主要影响因素3.1下部煤层泡水致顶板下沉能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5622023 年 10 月Oct.,2023孔亮过厚煤层综采工作面顶板支护技术研究与应用采用沿顶留底煤的过巷方案后，主要考虑沿顶回采，控制好顶板的质量，但将松软的煤层作为底板支撑，生产排水和顶板裂隙淋水很可能造成局部低洼积水，浸泡煤层，导致底板抗压强度降低。在切眼底板起伏不平、向外推进呈上山趋势时，若出现有持续稳定的补给水源，更会增加推溜拉架的难度；煤层浸泡后松软泥泞，造成底板沉陷，无法有效支撑支架的重力作用，导致支架支撑力失效，出现顶板、支架、底板煤层形成“三软”地带；同时缓慢下沉，一旦下方两层的支撑力小于顶板岩层的重力，就会发生顶板冒落事故咱圆暂。3.2液压支架倒架、歪斜对顶板的控制影响切眼支架的工程质量管控对于顶板管理同样重要。支架歪斜角与支撑高度关系如图 1 所示。当液压支架歪斜角过大，支架重心落点偏离底座越远，稳定性就越差，当支架顶板偏离中心超过底座的一半时，支架重心落点就落在支架底座外；同时，支架支撑高度越高，要求歪斜角越小咱猿暂。图 1支架歪斜角与支架支撑高度关系支架歪斜角与支架支撑高度有下列关系：sin兹=Lh（3）兹=arcsinL2h（4）式中：兹为支架歪斜角，（毅）；L为支架底座宽度，m；h为支架支撑高度，m。当支架的支撑高度达到 3.5 m 时，有下式：兹=arcsinL2h=arcsin1 43022 50011.8毅（5）即当支架支撑高度为 3.5 m、歪斜角大于 11.8毅时，支架重心落点就会落在支架底座外。因此，支架最理想的支护状态是顶梁与顶板严密接触。当支架歪斜角过大时，顶板与支架顶梁就会出现由面接触变为线接触。出现线接触时，支架顶梁菱角会切断顶板，不仅起不到支护顶板的作用，反而会提前破坏顶板，达不到支护顶板的效果。在实际生产过程中必须要在拉移支架时及时调整支架歪斜角，将其控制在5毅以内，以保证支架的稳定性。3.3工作面采高对顶板的控制影响综采工作面通常采高越大，顶板的控制难度就越大。基于此因素考虑，为了满足割煤机滚筒高度以及支架支撑高度要求，结合实际揭露的煤厚资料，尽可能地减少煤炭资源丢失浪费。新田煤矿 1404综采工作面采高确定为 2.84.0 m，平均采高 3.1 m。根据煤厚实际情况，当煤厚小于 2.8 m 时，结合现场情况及时采取挑顶或卧底措施，保证采高不低于2.8 m（以保证满足支架最小支撑高度及割煤机能够顺利通过）；当煤厚大于 4.0 m 时，结合煤墙硬度和顶板破碎情况，采取沿顶留底的方法控制采高在4.0 m 以内，以保证支架支撑有效、质量合格。3.4切眼顶底板条件不平整对顶板的控制影响工作面顶底板不平整也会造成支架挤架、咬架、倒架等严重事故的发生。顶底板平整时支架垂直顶底板支设，当顶底板不平时支架有效支撑顶板的面积会减少，局部存在空顶的现象，进而加速顶板产生裂隙，最终出现离层。当工作面呈凹型时，支架顶梁架间间隙会减小，容易造成挤架、咬架；当工作面呈凸型时，支架顶梁架间间隙会增大，易造成支架架间漏矸咱源暂。不论何种现象，都不利于工作面切眼内顶板和支架的安全管理。支架的不同状态如图 2 所示。（a）顶底板平整时支架支护状态（b）顶底板不平整时支架呈凹凸支护状态图 2支架支护状态4复杂条件下顶板控制技术研究4.1破碎顶板控制技术根据工作面回采期间遭遇顶板破碎程度、破碎地点和施工难易程度的不同，主要可采取的技术措h兹L正常支架倒架支架咬架、挤架凹面、架缝窄凸面、架缝宽632023 年 10 月Oct.,2023施有人工扩帮支护、顶底板注浆加固、骨架钢管超前支护等技术。4.1.1人工扩帮支护技术在临近厚煤区范围时，主要采用人工扩帮支护技术缓慢推进。首先从上半部 27#支架煤壁开斜口扩刷，规格为深 2.7 m高 2.0 m。开口后每扩 0.8 m使用 1.5 m 圆木作梁，2.5 m 单体柱作腿，打设倾向抬棚临时支护。扩刷深度达到 2.7 m 后，撤销临时支护，扩帮区域顶板铺设钢筋网片或菱形铁丝网，网片下方每隔 0.8 m 架 1 棚走向抬棚，打设“一梁两柱”。仔型梁一端架在对应支架顶梁梁端，确保搭接长度不小于 0.5 m，煤体侧抬棚单体柱预留宽度为 0.3 m，必须打牢站实，需要条件下可增加底座垫板，防止煤墙片帮损坏抬棚。对顶板和煤壁相对完好的扩帮区域，需补打锚杆加固，采用规格为准20 mm2 500 mm 高强螺纹锚杆，间排距为 800 mm800 mm，网片规格1 000 mm2 000 mm，压茬搭接 100 mm，锚杆预紧力不小于 300 N m。对顶板破碎的区域需人工铺设假顶支护，在支架前打设 2 组走向抬棚，上方铺垫圆木，更上方使用半圆木绞架接顶，必须打牢接实，防止滑动散架。扩帮结束后，方可开动割煤机对未扩刷区域进行割煤作业。在临近已扩刷区域时，应当减慢截割速度，减少振动影响，在人工扩刷区段通过推溜拉架向前推进。以此作业循环，在人工和机械配合条件下缓慢通过厚煤区域，确保顶板的安全可靠。工作面扩帮支护示意如图 3 所示。图 3工作面扩帮支护示意4.1.2顶底板注浆加固技术为了控制 1404 综采工作面过厚煤区期间顶板的完整性，采取在破碎的顶板内注入固特捷和水泥浆的方式固化顶板。通过人工方式增强顶板抗压强度和完整性，进一步减少顶板漏矸的可能性。对于支架底板的下部煤层，虽然 4#煤层理论上抗压强度能够达到承受上覆岩层传递下来的压力，但由于采煤机割煤、推溜、移架等扰动影响，极大地破坏了底煤的完整性，底煤的抗压强度受到削弱。为了增强底煤的抗压强度，采取向底煤施工钻孔，选用水泥浆液注浆方式进行加固，提高底板的抗压强度和煤层的可塑性咱缘暂。1404 综采工作面在过厚煤区期间，每推进 1 排（0.8 m）在架前打设 1 组注浆钻孔。经过实践验证，该措施明显减缓了底板的下沉速度。4.1.3骨架钢管超前支护技术对于破碎顶板已提前预估的情况下，在煤壁上方肩窝处每隔 300 mm 往煤墙内以倾斜 15毅角向顶板打设 3 m 长超前骨架钢管进行支护。超前骨架钢管末端开钻 6 mm 穿孔，在孔内穿过 4 mm 钢丝绳进行连接，将所有骨架钢管串联成为整体，以增强其连锁抗压强度。4.2工作面支架质量管理技术1404 综采工作面过厚煤区时，支架倒架最大歪斜角达 18毅，支架挤架严重。对此主要采取在推进过程中使用单体柱配合调架，同时在顶底板凹凸不平区段使用防倒油缸牵引支架进行拉移，避免倒架造成挤咬，影响其他支架的推移。借助辅助工具进行拉架，可提高拉架过程中人工操作的可控性和精准性，防止支架卸压后在推移过程中发生顶板事故，影响施工人员的作业安全。5结论（1）必须通过精准的地质探查，准确掌握临近厚煤区的位置以及厚煤区延伸影响范围，避免因过早施工或过晚准备，导致已经进入厚煤区段而未及时采取措施的情况发生。（2）过厚煤期间，要随时掌握支（下转第 89 页）（a）平面（b）剖面70#69#28#27#0.51.21.20.31.21.2 0.30.5能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5单位：m642023 年 10 月Oct.,2023（上接第 64 页）架工作阻力动态变化，防止顶板周期来压期间支护措施不到位，导致架前抬棚强度不足而失效，造成作业人员的人身伤害，增加施工安全风险。（3）推移支架期间必须确保带压移架，使用防倒油缸等辅助工具精准调控支架姿态，避免出现倒架后架缝超宽而发生漏矸冒顶事故。参考文献1刘俊.基于复杂地质条件巷道顶板支护技术要点分析 J.山西化工，2022（4）：81-82.2孔旭光.掘进巷道破碎顶板支护应用 J.机械管理开发，2022（12）：176-177.3孙瑞雄.大柳塔煤矿综采工作面顶板支护管理 J.煤矿现代化，2022（6）：26-29.4郭剑如.巷道破碎顶板支护问题分析及优化改进 J.山西冶金，2021（4）：274-275.5韩滟缤.注浆技术在破碎顶板支护管理中的有效应用 J.内蒙古石油化工，2022（8）：99-102.作者简介孔亮（1984-），男，工程师，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，长期从事矿井安全技术管理工作。收稿日期：2023-02-05由表 2 分析可知，加入 AJG 水泥浆复合添加剂后，水泥净浆的流动度增加了 12.73%，初凝时间增加了 50.00%，终凝时间增加了 38.30%，抗压强度在终凝 1 d、7 d 和 28 d 后，分别增加了 30.00%、25.85%和 14.07%。水泥净浆属于两相流体，将水泥净浆里的水分为 2 部分，一部分是浆液水化所需要的水分，这部分水的水分子在浆液颗粒的吸附作用或者与浆液离子的水化作用下，与水泥颗粒结合紧密，不易被破坏分离；另一部分是用来稀释和输运浆液的自由水，不受浆液的吸附作用，或者浆液颗粒对这部分水分子的吸附作用非常有限，这部分水也就是浆液快速析水过程所析出的水。浆液析水后，由于分子间引力和表面力的相互作用，颗粒倾向于粘在一起，于是出现颗粒的粘结或凝聚；浆液颗粒或颗粒团的惯性力和水分子的惯性力相差较大。因此，浆液析水后密度升高，在重力和惯性力的作用下，最终形成分层扩散现象。水泥浆液同时进行沉降和扩散，裂隙动水能在水泥颗粒沉积后释放多余的自由水，但对沉积的水泥颗粒难以造成影响。最后可以完全填充整个裂隙，并实现有效的封堵和加固。4结论（1）AJG 水泥浆复合添加剂的添加量为硅酸盐水泥质量的 8%9%，注浆材料的水灰质量比为（0.41）（0.51），所述的注浆材料在该水灰质量比条件下到达的效果最优。（2）随着水灰质量比的降低，水泥浆的流动度有所下降；混凝土的抗压强度增加。因此水灰质量比越低的水泥浆，凝结硬化的速度越快，即凝结时间较短。（3）加入 AJG 复合添加剂的水泥净浆中的浆液同时进行沉降和扩散，裂隙动水能在水泥颗粒沉积后释放多余的自由水，但对沉积的水泥颗粒难以造成影响。最后可以完全填充整个裂隙，并实现有效的封堵和加固。参考文献1李西凡，熊祖强，刘旭峰，等.煤岩注浆加固技术与高性能无机注浆材料研发 J.煤矿安全，2019，50（2）：91-94.2王红喜，张高展，丁庆军，等.碱激发-工业废渣双液注浆材料性能研究 J.建筑材料学报，2007（3）：374-378.3刘立民，李延辉，闫旭，等.FZ-H800 巷道注浆堵水加固水泥基外加剂试验研究 J.煤矿安全，2018（3）：40-43.4吴佐伟.综采工作面过陷落柱注浆加固技术应用研究 J.山东煤炭科技，2021，39（2）：151-153.5黄诗博，吴蓬，王温心，等.注浆材料的分类及性能特点研究现状 J.化工新型材料，2020，48（增刊 1）：120-123.6Hideki，Shimada，et al.Performance of mortar and chemicalgrout injection into surrounding soil when slurry pipe-jackingmethod is used J.Geotechnical and geological engineering,2006，24（1）：57-77.7马哲，庞浩，杨元龙，等.化学灌浆材料的研究进展综述 J.广州化学，2014，39（1）：9-13.8贺文，周兴旺，徐润.新型水玻璃化学注浆材料的试验研究 J.煤炭学报，2011，36（11）：1812-1815.9葛江，隆威.酸性矿渣复合激发剂试验研究 J.混凝土，2016（1）：149-152.10刘族盛，万飞，曾宪卫.水灰比对水泥净浆强度影响的探讨 J.现代物业（中旬刊），2019（5）：71.作者简介王芝广（1971-），男，高级工程师，硕士研究生，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，长期从事采矿和建井研究工作。收稿日期：2022-12-21能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.589