魏建坤

(山西大同煤矿集团有限公司煤峪口矿，山西 大同 037003)

长壁开采中，工作面长期面临着端面顶板较为破碎且难以支护的难题，这给工作面的安全生产带来了严重的困难，已经成为制约工作面安全高效生产的主要因素[1-3]。煤峪口矿8605 工作面受断层构造应力影响，端面顶板破碎冒落严重。经过多年探索实践，煤峪口矿总结出较为有效的端面顶板管理技术，为安全高效开采提供了有力保障。

1 工程概况

煤峪口矿8605 综采工作面位于406 盘区，工作面走向长度为700 m，倾向长度为130 m，8605工作面区域内煤层厚度在1.7～3.6 m，平均为2.5 m，煤层中含有夹层，夹层平均厚度为0.8 m。煤层上方存在一层厚度0.1～0.6 m 伪顶，成分以石英长石为主，属钙质胶结，与上部粘结较弱。直接顶为灰色细砂岩与粉砂岩互层，基本顶为灰白色粗砂岩，成分以石英长石为主，胶结十分坚实，抗压强度高达171.5 MPa，普氏系数15～16。工作面采用综合机械化采煤工艺，采高为2.5 m，截深为0.5 m，循环进度为0.5 m。

地质资料显示，8605 工作面推进至460 m 处揭露一条正断层，断层落差为2.0 m，倾角约为45°。受断层构造应力的影响，工作面推进至465 m处时，直接顶出现局部破碎情况。回采工作面推进至475 m 处时工作面片帮严重，空顶距达1.0 m，端面顶板破碎冒落问题严重，致使支架移架困难。严重制约回采效率，并且威胁矿井的安全回采。

2 冒顶分析

2.1 顶板条件

影响工作面端面顶板稳定性的因素可分为自然及人为因素两类。自然因素主要包括直接顶岩石的物理力学性质及老顶破断后形成的结构对直接顶的影响，而最危险的情形是拉伸区与压缩区发生贯通；人为因素主要包括支架架型、额定工作阻力及初撑力等。

该工作面伪顶稳定性极差，基本随工作面推进而破碎。而直接顶的稳定性不仅与其本身的力学性质有关（如抗压强度、抗拉强度、剪切强度等），而且还受顶板岩层活动的影响[1]。随着工作面推进，直接顶及基本顶发生破断，而后基本顶的活动将对直接顶的稳定性产生直接影响。而基本顶破断后形成的暂时稳定的承载结构存在滑落失稳及变形失稳两种失稳形式，不同的失稳形式将对直接顶产生不同程度及形式的影响，见图1。

图1 基本顶断裂与直接顶及采高关系

基本顶破断后，破断岩块将发生回转，基本顶的回转将导致直接顶受拉伸作用，由于岩石本身抗拉强度较低，因此会在直接顶处产生多条纵向发育的裂隙； 随着工作面继续推进，基本顶破断岩块A将继续回转，破断直接顶将受到压缩应力作用而在端面顶板处产生压缩变形，此时顶板将可能产生程度不一的冒落现象；而一旦拉应力区和压缩变形区产生贯通，端面顶板将发生大面积冒顶，甚至产生顶板的切落；但端面顶板的回转有可能形成暂时稳定的结构，此时支架的力学性能将对顶板的平衡产生一定影响。因此，可以认为端面顶板的冒落与基本顶岩梁的断裂及其形成的结构密切相关。

端面处的基本顶是否能形成稳定的结构对于工作面顶板的稳定具有重要影响。因此，必须要保证支架与关键块间的距离不超过极限值，同时支架要给以足够的支撑力及水平挤压力。

2.2 煤壁片帮

受断层应力作用，8605 工作面煤壁片帮严重。回采工作面前方20 m 超前支承压力范围内，构造应力与支承压力相互叠加，对煤壁作用力加大，使得工作面煤壁出现破坏剥落，造成严重的片帮现象，而煤壁片帮则导致工作面端面空顶距加大，导致端面顶板的破碎冒落。

3 端面顶板管理技术

3.1 注浆支护

注浆支护主要是对包括顶板及工作面煤壁的破碎煤岩体进行高强度粘合剂的注射，从而达到对煤岩体内裂隙进行粘接的作用，最终实现提高破碎煤岩体整体强度及稳定性的目的，从而实现对顶板破碎、煤壁片帮的预防作用[4-5]。

（1）8605 工作面选择在煤层顶板施工浅孔进行注浆，同时在煤壁施工深孔进行注浆的方式达到注浆支护的目的。顶板施工的注浆钻孔直径为40 mm，深度为4.0 m，钻孔轴线与顶板呈65°夹角布置，钻孔间距为3.0 m。煤壁处施工的注浆钻孔深度为8.0 m，钻孔距顶板垂直距离为0.8 m，钻孔直径为40 mm，煤壁钻孔垂直于工作面煤壁布置，钻孔间距为5.0 m。

（2）在顶板和煤壁处的深浅注浆孔施工完成后，采用3ZBQ20/24 型煤矿用气动注浆泵对钻孔进行注浆。钻孔注浆的浆液采用马丽散浆液，其与催化剂配比为1:1，注浆压力不得低于1.5 MPa。此外，为了提高注浆扩展深度，注浆前须对注浆孔进行封孔处理。

（3）8605 工作面顶板注浆孔排距为3.0 m，工作面煤壁注浆孔排距为6.0 m，相邻两排注浆孔采用迈步式布置。

3.2 锚索吊棚

锚索吊棚不仅能够对破碎端面顶板起到进一步加固的作用，防止顶板发生宏观剪切破坏，而且可以提高支架的支撑力、工作阻力，保证支架支护效果及质量[6]。

（1）锚索吊棚由工字钢、锚索组成。工字钢长3.5 m，锚索长5.0 m，锚索间间距为1.75 m，安置于相邻两支架之间，钢梁吊装完成后使用锁具将其与顶板预紧。

（2）锚索吊棚的安装方式为与工作面平行布置，锚索吊棚排距设置为2.0 m，相邻两排锚索吊棚采用交错式布置方式，即第二排锚索吊棚的第一根锚索与第一排锚索吊棚的第一根锚索交错布置，交错布置的交错距离为1.75 m。

3.3 优化工艺

不断优化工作面各工种的配合。各工种的配合应以采煤机为中心，进而合理安排循环作业；在采煤机完成割煤作业后要及时支护起护帮板，同时，移架要及时迅速；此外，提高工作面机械化水平，逐步使矿山向少人化、无人化、数字化方向发展与过渡；根据矿山压力显现特征，优化液压支架支护设计参数，使前柱工作阻力大于后柱，提高支架的初撑力，有利于端面顶板的控制。

4 结语

1）工作面端面顶板稳定性受顶板岩层力学属性及基本顶破断所形成的结构的影响，顶板最为危险状态为顶板拉伸区与压缩区相互贯通。

2）从支护控制的角度来看，采用注浆加固及合理控制支架支撑力，使前柱工作阻力大于后柱工作阻力，提高支护质量，有利于端面顶板的控制。

3）对于端面顶板破碎严重的情况，应该采用注浆加固支护和交错式施工锚索吊棚的方式及时支护顶板，避免大范围冒顶及片帮的发生。

4）优化工艺，应采用及时支护的方式，在采煤机完成割煤后要及时打开护帮板，移架要迅速。