一种煤矿综采工作面顶板治理方法

摘要

本发明公开了一种煤矿综采工作面顶板治理方法，包括以下步骤：S1、实施面内深孔预裂爆破卸压；S2、实施沿空巷道预裂爆破切顶；S3、两巷顺层孔注水；S4、浅部顶板注浆加固；S5、引进自动补压系统；S6、实施人工挑顶确保支架及时跟顶；S7、施工中空注浆锚索超前管理顶板及施工超前掩护硐室；S8、固帮。本发明通过面内深孔预裂爆破减小了周期来压步距及来压强度；实施沿空巷道预裂爆破卸压试验，有效解决运顺超前支护段行人空间不足、端头支架、转载机拉移困难等难题；自动补压系统具备支架工况在线监测及持续保压功能，最大程度发挥支架支撑能力；中空注浆锚索有效控制了架棚范围前方浅部易离层顶板。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿安全生产技术领域，具体为一种煤矿综采工作面顶板治理方法。

背景技术

煤矿井下装备综合机械化设备的回采工作面为综采工作面。条件是采煤设备为采煤机，工作面运输设备为可弯曲刮板输送机，工作面顶板支护采用液压支架，顺槽装备带式输送机。某煤矿已成功开采1413A及1611A两个工作面，但是在1415A、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、采高控制难、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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决煤矿工作面顶板治理难题严重影响工作面推进度的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种煤矿综采工作面顶板治理方法，包括以下步骤：

S1、实施面内深孔预裂爆破卸压：在工作面运顺沿空侧实施采空区探查孔及地面防火钻孔，获得煤采空区“三带”规律；在工作面的两巷实施深孔预裂爆破，缩短砂岩直覆顶板周期来压步距，探索获得轨顺爆破参数；

S2、实施沿空巷道预裂爆破切顶：采用沿空侧切顶卸压，确定最优沿空切顶方式；

S3、两巷顺层孔注水；在两巷超前工作面60m范围进行顺层钻孔采用静压注水，改良煤体强度，每个注水孔需配置截止阀和流速流量计；

S4、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；

S5、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；

S6、实施人工挑顶确保支架及时跟顶；

S7、施工中空注浆锚索超前管理顶板及施工超前掩护硐室；

S8、固帮：在工作面易片帮区域采用循环压茬注固瑞特加固煤壁，在轨顺退尺870m-930m范围内实施深孔高压注久米纳水泥技术。

本发明通过面内深孔预裂爆破减小了周期来压步距及来压强度，通过实施沿空巷道预裂爆破卸压试验，有效解决运顺超前支护段行人空间不足、端头支架、转载机拉移困难等影响生产的难题，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686mm；自动补压系统具备支架工况在线监测及持续保压功能，最大程度发挥支架支撑能力；超前掩护硐室施工的目的是超前管理顶帮，为下一步回采提供可靠保障，也为架棚施工提供便利；中空注浆锚索有效控制了架棚范围前方浅部易离层顶板。

优选地，所述步骤S1中煤采空区“三带”规律为：裂隙带发育高度为38m、工作面上覆岩层裂高范围为35-40m、冒高范围为10-20m。

优选地，所述步骤S1中轨顺爆破参数为：爆破循环步距为10m、每组4孔、爆破高度35m、封孔高度15m。

优选地，所述步骤S2中最优沿空切顶方式为：终孔间距6m、爆破高度35m、封孔高度17m。

优选地，所述步骤S3中静压注水的注水压力不超过4MPa，轨顺总注水量84m

优选地，所述步骤S4中注浆的钻孔终孔高度15m，终孔间距15m。

优选地，所述S6具体包括以下步骤：在架棚第二茬走向棚梁下方打设4.5m单体加强支护、剪网、找顶；先从第二茬与第三茬搭接处到支架架头挑顶；然后再从支架架头到第二茬走向棚老塘侧梁端，从煤壁侧往老塘侧挑顶，挑顶后架设4.5m长走向工字钢，一架两棚，一梁三柱、顶梁与走向棚梁之间空隙处架设木垛、升架跟顶。

优选地，所述S7中超前掩护硐室具体包括以下步骤：工作面第一茬棚施工完毕后，拉移支架，再向前进行刷扩架棚施工第二茬；逐步向前计划架棚施工三茬和第四茬后，至顶板完好无离层地点，采取刷扩硐室施工进行掩护开采；工作面5-90#架范围，每间隔4-5架超前施工硐室，共计施工16-18个硐室；硐室高度2-2.5m，宽度不低于1.5m，深度4m。

优选地，所述硐室内顶板采用锚杆支护、帮部采用玻璃钢锚杆支护。

优选地，所述步骤S7中中空注浆锚索超前管理顶板具体包括以下步骤：工作面架棚施工至煤壁实茬后，在架棚煤壁侧梁端每间隔1m施工1根长度为2.5m的中空注浆锚杆，注固瑞特加固；注浆锚杆之间每间隔1m施工1根长度不小于7.3m的中空注浆锚索，以最小角度施工，先端锚预紧、后注固瑞特加固。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过面内深孔预裂爆破减小了周期来压步距及来压强度；通过实施沿空巷道预裂爆破卸压试验，有效解决运顺超前支护段行人空间不足、端头支架、转载机拉移困难等影响生产的难题，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686mm；自动补压系统具备支架工况在线监测及持续保压功能，最大程度发挥支架支撑能力；超前掩护硐室施工的目的是超前管理顶帮，为下一步回采提供可靠保障，也为架棚施工提供便利；中空注浆锚索有效控制了架棚范围前方浅部易离层顶板。

附图说明

图1为本发明实施例的1412A沿空侧探查孔数据分析示意图；

图2为本发明实施例的1#钻孔剖面示意图；

图3为本发明实施例的35#架压力曲线图；

图4为本发明实施例的55#架压力曲线图；

图5为本发明实施例的75#架压力曲线图；

图6为本发明实施例的工作面压力强弱分布图；

图7为本发明实施例的沿空切顶钻孔设计图；

图8为本发明实施例的1412A工作面顶板注浆设计平面图；

图9为本发明实施例的1412A工作面顶板注浆设计剖面图；

图10为本发明实施例的超前中空注浆锚索支护示意图；

图11为本发明实施例的超前掩护硐室施工示意图；

图12为本发明实施例的1412A工作面轨顺预注浆设计平面图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明针对某煤矿在1415A、1412A工作面回采过程中遇到的顶板治理难题严重影响工作面推进度，而公开了一种煤矿综采工作面顶板治理方法。

实施例一

一种煤矿综采工作面顶板治理方法，包括以下步骤：

S1、实施面内深孔预裂爆破卸压：

1、“三带”高度研究

(1)沿空侧探查孔分析

在1412A工作面运顺沿空侧设计、实施了采空区探查孔，以得出采空区“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°。

(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、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；

如图3-6所示，工作面峰值平均压力39.1MPa，其中工作面中下部(5-45#)压力峰值平均41.3MPa，持续时间18小时；工作面中上部压力峰值平均37.03MPa，持续时间0.52小时，尤其是工作面15-45#范围压力显现较大；

根据图3-5的结果可以看出，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；

根据图6的结果可以看出，工作面来压分布不均，中下部来压明显。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。

S2、实施沿空巷道预裂爆破切顶：如图7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

S3、两巷顺层孔注水：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84m

S4、浅部顶板注浆加固：

1、注浆设计

如图8、图9所示，针对工作面下部易离层、片掉范围内(冒落带)顶板，进行超前注安尔特水泥浆加固，注浆钻孔终孔高度15m，终孔间距15m；

通过注安尔特水泥浆加固冒落带范围顶板，减少工作面下部顶板冒落的情况，缓解工作面推进度缓慢条件下端面冒漏现。

针对A组煤浅部破碎、易离层顶板、异常区影响范围及提高上限回采段，采取超前深孔高压注水泥浆加固，局部煤壁片帮地段采用注高分子化学材料加固的辅助技术手段。在工作面退尺800-880m范围对浅部顶板注了5组(上图为其中一组)无机水泥(安尔特充填加固型水泥)，累计注浆2194袋(约55吨)，终压10MPa。从2018年10、11月份回采情况，浅部注浆，给工作面快速推进赢得缓冲时间，有利于顶板控制。通过两巷注浆钻孔返水情况反演出煤壁前方裂隙发育范围，如表2所示。

表2为超前煤壁裂隙反演情况

由表2可知，工作面超前煤壁7-15m范围，顶板裂隙发育，因此，对浅部顶板注安尔特水泥浆的目的是减少裂隙发育程度。

S5、为提高工作面支架工作阻力，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，该套系统从去年4月份日开始安装，到6月安装调试完毕，自动补液功能投入使用，ZZ18000/30/65D型液压支架由承载能力不足转为主动增压承载，显著提高了支架初撑力，如表3所示；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，试用过程中遇到顶板破碎情况，容易造成支架仰角过大；

表3为1412A面支架自动补液系统使用前后压力对比表

S6、实施人工挑顶确保支架及时跟顶：

(1)挑顶方案：在架棚第二茬走向棚梁下方打设4.5m单体加强支护、剪网、找顶；先从第二茬与第三茬搭接处到支架架头挑顶；然后再从支架架头到第二茬走向棚老塘侧梁端，从煤壁侧往老塘侧挑顶，挑顶后架设4.5m长走向工字钢，一架两棚，一梁三柱、顶梁与走向棚梁之间空隙处架设木垛、升架跟顶；

(2)加强支护：施工第三茬与第四茬棚及挑顶期间，由于煤帮侧部分2.5/3.5m单体出现不同程度赤脚现象，因此全面采用4.5m单体替换2.5/3.5m单体进行加强支护，确保对顶板支撑有力，进一步巩固了架棚质量。

通过挑顶、替换单体等传统有效措施，确保工作面支架及时跟顶，有效支撑顶板，为支架推进至煤壁后正常回采提供保障。

S7、施工中空注浆锚索超前管理顶板及施工超前掩护硐室：

1、中空注浆锚索固顶

支护设计：如图10所示，工作面架棚施工至煤壁实茬后，在架棚煤壁侧梁端每间隔1m施工1根长度为2.5m的中空注浆锚杆，注固瑞特加固；注浆锚杆之间每间隔1m施工1根长度不小于7.3m的中空注浆锚索，以最小角度施工，先端锚预紧、后注固瑞特加固；

工作面4茬棚施工结束后，每天对掉顶范围进行了统计，如表4所示，根据表4的结果可知。

表4为掉顶变化趋势

2、超前掩护硐室管理顶帮

如图11所示，为确保工作面架棚结束后能够快速推进，工作面第二茬棚施工完毕后，拉移支架，再向前进行刷扩架棚施工第2茬。逐步向前计划架棚施工三、四茬后，至顶板完好无离层地点，采取刷扩硐室施工进行掩护开采。工作面5-90#架范围，每间隔4-5架超前施工硐室，共计施工16-18个硐室。硐室高度2-2.5m，宽度不低于1.5m，深度4m。硐室内顶板采用锚杆(索)支护、帮部采用玻璃钢锚杆支护。

S8、固帮：

1、如表5所示，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。

表5为注浆量统计

2、如图12所示，鉴于沿空小煤柱注新型久米纳无机水泥砂浆加固技术已初见成效，为尽量减少面内注浆影响生产时间，特在轨顺退尺870-930m范围内试验了深孔高压注久米纳水泥技术，注浆孔120m，倾角3°，孔间距3m。

工作面回采前，轨顺共注了20个孔，1324袋久米纳水泥，约33吨，注浆压力10-18MPa。通过2019年7月份回采情况看，工作面上半部未出现较大面积片帮情况。

实施例二

本实施例与上述实施例的区别在于：本实施例实施充填型材料制造人工假顶护顶，2019年3月份工作面再次开始架棚，但工作面35#、69#架附近掉顶高度高，片帮距离远，严重威胁施工人员人身安全，因此首次使用了301充填型材料；

先后在架棚期间、人工落车等需要大量人员进入煤壁侧作业情况下使用，一是充填了部分矸石间的裂隙，使破碎矸石形成整体，减少了接顶工作量，二是大大减小了架棚期间的安全威胁。

实施例三

本实施例与上述实施例的区别在于：本实施例形成细节管控、快速推进的管理理念，坚持“质量优先，质量保进度”的新理念，将质量管理摆在核心位置，将采高控制作为日常管理的重中之重；快速推进的根本在于全方位的设备可靠性保障及劳动组织的全面优化。

1、细节管控

(1)规格质量管控

“三直二平一净二畅通”即支架直，链板机直，煤壁直，顶、底板平，浮煤杂物净，上、下出口畅通。八项要求是综采队在日常管理中需要始终坚持，并要严格执行的，尤其是A组煤，在规格质量管理上更要“下功夫”，更要“较真”。

1)A组煤规格质量控制难点

1412A工作面目前采取跟顶留底方式回采，突出难点如下：

a.工作面底板为煤底，且顶板起伏变化快，运输机各段飘、刹车均匀度不易控制，造成运输机不平。

b.在运输机飘、刹车幅度过大过程中，抵车困难，造成运输机不直、支架滞后(不直)。

c.ZTZ30000/23/45端头支架与转载机直接连接，因此转载机在倾向方向的自由度不足，经常性出现机头搭接不合理。

2)转变思想

正确处理好规格质量和推进速度之间的关系，以往是在“快能变好”的传统观念下，对顶板管控存在侥幸心理，造成顶板条件不可控，工作面无法推进；现在坚持“质量优先，质量保进度”的新理念，将质量管理摆在核心位置。

(2)采高(链板机)控制

A组煤顶板局部起伏变化大、快的特点，决定采高控制是日常管理的核心问题，采高过大，容易造成片帮掉顶；采高太矮，煤机无法通过。ZZ18000/30/65D支架采高控制在4.0-5.0m。如遇顶板、煤层变化较快，运输机飘车或者刹底幅度大，造成采高过低煤机无法通过或者抵车困难，需要人工进入煤壁侧进行吊车或者卧底落车，安全风险较大。因此，必须根据顶板和煤层的走向提前进行飘车或刹底，并留有可调节的余地。

1)飘车控制

A组煤工作面煤厚较大，需分层回采，底板松软成为链板机控制的一项技术难题，同时链板机控制也是日常管理的重点环节。

A组煤煤厚较大，回采过程中常留有底煤。因煤底松软，支架升劲后易下陷。工作面飘车过程中推移杆抬起，如飘车幅度过大、推移杆向上的分力增大易造成抵不掉车或龙门压住推移杆后阻力过大抵车困难。因此在移架时，使用抬架千斤顶抬起支架架脚移架，必要时也可在支架底座下垫木料后抵车、拉架。

2)刹车控制

工作面刹底过程中，推移运输机时用抬架千斤顶压住推移杆抵车，防止推移杆翘起后将运输机抵翻。当链板机刹底幅度过大抵车困难时，局部可采用吊车或人工落车、卧推移杆的方式，保证链板机平直度，确保运输机能够正常抵车。

(3)机电设备管控

A组煤顶板矸石较硬，极易损伤机电设备，发生机电事故，影响工作面正常推进，加剧顶板条件恶化，从而进一步造成生产被动。因此促使我们形成“规格质量养设备、日常生产爱设备、机电检修保设备”的管理思想。

2、快速推进

(1)设备保障

1)运输机

运输机的完好程度是A组煤开采的关键因素，工作面矸石较多，且回采年限长，在长期的刮碰、振动，运输机各部位存在不同程度的损伤，期间更换了运输机机头齿箱、机头机尾变线槽、部分运输机链条、运输机机尾壳。

2)液压系统增设回液过滤站

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。通过增设回液过滤站，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，确保液压系统的纯净度。

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。

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。

3)采煤机

2018年春节前后工作面10-40#架顶板破碎，回采困难，于是采取了架棚措施，架棚期间将7LS6C型采煤机更换为7LS6A型煤机、机身高度由2.44m降低至1.96m，便于采高较低情况下采煤机能够通过。

4)转载机

因1412A工作面长期处于片帮、掉顶状态，且顶板矸石坚硬，转载机磨损严重，2018年9月份停产检修期间综采三队参与皮带机部分中间段拆除、延无极绳机尾、恢复皮带机部分中间部等辅助措施，又由安装公司整体更换转载机，对保障工作面出货系统的顺畅有着极其重要的意义。

5)破碎机

工作面目前配备2部PCM250型破碎机，由于A组煤顶板矸石容易片落，且矸石较硬，在生产中对于破碎机的磨损、消耗较大。自工作面回采以来，更换磨损锤头量较多。采用双破碎机组合破矸的方式，大大减少了影响生产现象的发生。

(2)劳动组织保障

1)优化架棚施工劳动组织，减少悬顶时间

工作面架棚时因劳动强度大、安全危险性高，综采三队利用队内现有人员合理组织，将3个生产班合并为2个班早、中班进行面内架棚施工并将架棚施工迎头人员实行轮休，保证了出勤并能满足面内架棚可以多茬进行。机电班、准备班集中上夜班进行检修和备料工作，修护人员利用检修期间进行打锚索加固。

2)减少生产班下端头维护时间，集中力量生产

架棚结束工作面正式回采后，由于运顺沿空，超前压力大，对所有影响生产的环节充分考虑、超前处理；生产班全部力量投入到工作面，确保工作面的规格质量，能快速进行回采。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。