A组煤砂岩直覆大采高综采工作面顶板治理方法技术研究

A组煤砂岩直覆大采高综采工作面顶板治理方法技术研究

邓秘 ,高敏

淮河能源控股集团煤业公司张集煤矿，安徽淮南  232001

摘要：张集矿 1412A 工作面为巨厚砂岩直覆顶板工作面，煤层厚度较大，顶板砂岩分层性脆受压易掉，推进度慢，易于发生顶板事故。对此，通过采取了三带高度实践验证、深孔预裂爆破卸压、煤层注水、顶板注浆新工艺以及设备改进的综合顶板治理方式，取得良好效果，为类似工作面顶板治理提供良好借鉴。

关键词：采空区“三带”规律、深孔预裂爆破卸压、两巷顺层孔注水、浅部顶板注浆加固、旁路增压和自动补液系统

1.工程概况

1412A工作面东侧1413A工作面已回采完毕，西侧为尚未施工的1411A工作面，，1煤层:黑色，块状，少量片状，裂隙发育，中上部裂隙充填黄铁矿；多亮煤条带，属半亮型煤，下部以暗煤为主。煤层厚度3.54～8.6m，平均6.8m。工作面顶板岩性从浅部到深部依次为泥岩0.3m、中细砂岩6.7～31.5m（平均19.7m）。

张集煤矿在1412A工作面回采过程中，遇到顶板治理难题，包括煤壁松软易片帮、顶板层理发育易掉顶、顶板起伏变化大、支架结构适应性差和采动与沿空动压叠加等问题。顶板治理难题严重影响工作面推进度，通过对张集矿A组煤1412A综采工作面砂岩直覆顶板地质条件及沿空巷道矿压的分析研究，采用工程风险辨识及工程类比分析法，得出砂岩直覆顶板工作面周期来压明显，沿空巷道变形大，煤层松软易片帮导致掉顶范围扩大，支架的支护效果不好是影响顶板良好治理的主要因素，因此治理顶板问题绝不是解决单个问题能够取得效果，需要通过采取由表及里，层层推进的立体治理方式治理顶板，加快工作面推进度。因此本文采用理论分析和工程应用等方法对几个难点问题进行研究。

2．面内实施深孔预裂爆破卸压

2.1采空区三带高度的研究

在1412A工作面运顺沿空侧设计、实施了采空区探查孔，以得出煤采空区“三带”规律，如图1所示；

a.裂隙带发育轮廓线

根据采场覆岩移动破碎规律和矿压“三带理论”，认为裂隙带发育高度为38m；

b.线性拟合线

对数据平均值进行线性拟合，得出线性拟合线，其与水平线的夹角认为即是1413A轨顺侧采空区顶板垮落角，为42.3°。

图1

图2

图3

2.2地面防火钻孔分析

1415A地面防火1#钻孔打钻资料：钻孔深度518m返水量开始减小，钻孔深度546m时，钻孔打透不返水。

如图2所示，该位置工作面底板标高为546m、顶板标高542.5m，对应地面标高13.5m。

根据上述沿空侧探查孔及地面防火钻孔资料判断：1412A工作面上覆岩层裂高范围为35-40m、冒高范围为10-20m，这为支架工作面阻力验算及确定深孔预裂爆破提供理论依据。

2.3面内深孔预裂爆破卸压试验

爆破设计：针对工作面面内矿压显现剧烈情况，两巷实施深孔预裂爆破，其中通过不断探索，轨顺爆破参数为：爆破循环步距为10m、每组4孔、爆破高度35m、封孔高度15m；运顺爆破参数为：爆破循环步距为30m、每组4孔、爆破高度35m、封孔高度15m；

通过分析矿压采集数据，周期来压步距7.7-11.5m，平均周期来压步距9.7m；

图4

根据图4可以看出，支架工作阻力峰值在持续时间和峰值压力上较以前大幅缩短，减少了顶板的持续压力对煤壁的破坏，就是一旦工作面推过切顶线后，就能使悬顶压力转移到老塘侧，面内超前影响距离在10m左右；由于钻孔设计及施工工艺问题，工作面下部（40#以下）属于未切顶卸压范围，虽然运顺沿空侧切顶能够在一定程度上减少工作面机头段压力，但是20～40#范围属于切顶卸压的“空白带”，造成局部支架压力较高、矿压显现明显。在回采中要注意该范围内顶帮及时支护，同时采取煤壁注浆和降低采高减少顶板的压力。深孔预裂爆破能够一定程度减小支架受力，更有利于顶板控制。

2.4实施沿空巷道预裂爆破切顶

如图3所示，爆破设计：确定最优沿空切顶方式为：终孔间距6m、爆破高度35m、封孔高度17m；采用沿空侧切顶卸压后，两帮位移量峰值减小1448mm、顶底板位移量峰值减小2180mm、两帮移量峰平均值减小488mm、顶底板位移量平均值减小686，如表1结果所示。

表1为沿空切顶后与原始巷道变形量对比

3.顶帮加固的新治理方式

3.1两巷煤层顺层孔注水：两巷超前工作面60m范围进行顺层钻孔采用静压注水，注水压力不超过4MPa，轨顺总注水量84m3，平均单孔注水量3.82m3，运顺总注水量75m3，平均单孔注水量3.13m3。每个注水孔需配置截止阀和流速流量计（包含压力表），利用截止阀控制注水压力和流量；

图5

3.2浅部顶板注浆加固

对工作面下部顶板进行超前注安尔特水泥浆加固，通过注安尔特水泥浆加固冒落带范围顶板，局部煤壁片帮地段采用注高分子化学材料加固。在工作面易片帮区域采用循环压茬注固瑞特加固煤壁，按照“源头控制，超前加固”的原则，工作面片帮范围及片帮深度得到有效控制。

图5

3.3 工作面支架电液控系统进行改造

通过对工作面支架电液控系统进行改造升级，增加旁路增压和自动补液系统。对1412A工作面工作面支架电液控系统进行改造升级，增加旁路增压和自动补液系统，ZZ18000/30/65D型液压支架由承载能力不足转为主动增压承载，同时详细制定了自动补压系统操作流程及管理制度,由于该系统对前立柱增压，显著提高了支架初撑力。

液压系统使用防锈镀膜钢管配套多级水质过滤系统和软化水装置，确保水质纯净度。通过增设HGLZ2000 型回液过滤站（流量2000L/min；过滤精度60um）；对工作面回液进行过滤，保护整个液压系统，减少了支架电磁阀堵塞现象。

表2为1412A面支架自动补液系统使用前后压力对比表

回液过滤站主要由大流量低压溢流阀、过滤组件和大通径换向球阀三部分组成，为双进双出结构，设有两个进液口和两个出液口。每个滤筒配备两块压力表，分别监测滤筒的进、出液压力。压力表设计为三色指示，通过观察压力表指针所处位置即可判断过滤站滤芯堵塞程度。

4. 结论

张集矿 1412A 工作面为巨厚砂岩直覆顶板工作面，煤层厚度较大，上覆岩层活动空间大，顶板砂岩分层性脆受压易掉，易于发生顶板事故。基于张集煤矿1412A工作面砂岩直覆大采高顶板特点，该工作面设计、使用了 ZZ18000/30/65D 型支架支护，采取了由表及里，层层推进三维立体综合治理顶板方式，通过工作面三带高度实践验证解决深孔预裂爆破卸压理论和实施问题，达到减弱工作面周期来压时的顶板影响；通过煤层注水、顶板注浆新工艺提高煤层、顶板强度，减少了片帮掉顶；通过设备改进，提高了支架设备支护效果。在工程实践中，通过这种综合治理方式的有效实施，取得良好效果，为类似工作面顶板治理提供良好借鉴。