204工作面顶板冒落机理及治理措施

范志飞

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿，山西 吕梁 033100）

1 概述

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿204工作面位于井田830m水平。工作面北部为202工作面，东部为实煤区，南部为206工作面，西部为830m水平大巷。工作面埋藏深度为477m。

204工作面设计走向长度为1644m，倾向长度为220m。工作面回采煤层为9#煤层，平均厚度为3.0m，煤层结构复杂，含多层夹矸，多以泥岩为主。204工作面直接顶主要以砂质泥岩与煤混合岩层为主，平均厚度为2.4m，其中煤层总厚度为0.7m；基本顶主要以细砂岩为主，平均厚度为8.9m。

204工作面采用综合机械化后退式回采工艺，全部垮落法填充采空区。204工作面回采至578m处位于回风顺槽侧（131～122#支架之间）揭露一条正断层F2，断层落差为1.2m，倾角为50°。

2 204工作面冒落情况及冒落机理

2.1 204工作面冒落情况

204工作面回采至565m处时工作面131～122#支架之间端面顶板出现局部破碎现象，随着工作面推进，工作面顶板及煤壁破坏严重。当工作面回采至572m时，位于127～123#支架之间顶板出现冒漏现象。冒漏区域呈半球形，最大冒漏高度为1.6m，且煤壁片帮严重，最大片帮深度为1.2m，导致端面距加大，从而使冒漏区域不断扩大。工作面在过冒漏区域时，支架顶梁无法接顶，导致支架初撑力、工作阻力低，不足50%，支架支护效果差，威胁着工作面安全高效回采。

2.2 工作面冒落机理

（1）采空区影响。由于204工作面北部为202工作面（已回采完毕），相邻两工作面采用无煤柱回采布置方式，202工作面回采结束后采用垮落煤矸及单体柱对204回风顺槽进行支撑，支撑作用力低。受202采空区残余应力作用，204回风顺槽侧顶板出现下沉现象，导致顶板断裂、破碎现象。

（2）地质构造影响。受F2断层影响，工作面在断层带处顶板出现断裂，破坏了顶板连续稳定性。在构造应力作用下，断盘两侧煤岩体力学性质发生变化，煤岩体稳定性差，受采动影响顶板岩体出现破碎、冒落现象，煤壁出现片帮现象。

（3）顶板稳定性差。204工作面直接顶主要以砂质泥岩与煤混合岩层为主，混合岩体单轴抗压强度不足30MPa，岩体结构复杂，稳定性差，无法形成胶结稳定性承载梁。工作面回采过程中出现煤壁片帮造成端面距加大时，顶板承载能力低，导致顶板破碎、冒落。

（4）超前集中应力破坏。由于工作面回采煤层属石炭系煤层，煤层发育不稳定，呈破碎状，工作面回采期间受构造应力、回采应力等超前集中应力，位于工作面前方10m范围内煤体破碎严重，煤柱对顶板支撑力降低，导致工作面超前区顶板出现剪切破坏，顶板超前破碎严重。

3 冒落区综合治理措施

为了提高工作面应力区顶板稳定性，防止冒漏范围进一步扩大，通过研究决定对工作面冒漏区顶板采取“人工假顶+超前浅深孔注浆加固”联合治理措施。

3.1 人工假顶

（1）首先对冒落区煤壁进行掏槽施工，掏槽规格为长×高×深=6.0×0.3×0.5m，掏槽后及时在冒落区施工四根长度为3.5m工字钢锚索吊棚。锚索吊棚垂直煤壁布置，每架锚索吊棚采用三根长度为5.0m、直径为21.6mm恒阻锚索悬吊，锚索吊棚间距为1.8m。锚索吊棚施工后吊棚面平整且与原工作面顶板位于同一水平面上。

（2）锚索吊棚施工完后，依次在吊棚上铺设8#钢筋网、风筒布、道木等。8#钢筋网规格为长×宽=1.2×1.0m，钢筋网与吊棚之间采用铅丝连接，相邻两片钢筋网搭接长度为0.2m。道木长度为1.5m，上下两层道木成十字交叉布置，直至道木与冒落顶板接触严实。如图1所示。

（3）为了防止冒落区瓦斯积聚，使人工假顶与冒落区围岩完全胶结，人工假顶搭接完成后，对假顶空隙处填充罗克休膨胀剂。该化学材料主要由A（树脂）、B（催化剂）材料组成，A、B混合比为3.5:1。罗克休具有膨胀速度快、膨胀率高、填充效果好等优点。

图1 204工作面冒漏区人工假顶剖面示意图

3.2 超前浅深孔注浆加固

为了提高煤壁及顶板岩体胶结稳定性，决定对煤壁及破碎顶板施工超前浅深孔进行注浆施工。

（1）注浆材料。选用马丽散化学材料，该材料属于双组分合成高分子—聚亚胺胶脂材料，主要由树脂和催化剂两部分组成，配比为1:1。树脂和催化剂反应后能够及时膨胀，并形成多元网状密弹性体，对煤岩体裂隙具有很好的封堵、粘接效果，凝固后抗压强度在25～40MPa之间。

（2）煤壁注浆钻孔。工作面煤壁采用浅孔注浆，注浆钻孔深度为3.0m，直径为40mm，钻孔施工在距顶板1.5m处煤壁上，钻孔仰角为20°，钻孔从131#支架前方煤壁开始施工，钻孔间距为3.0m，共计施工6个。

（3）顶板注浆钻孔。工作面顶板采用深孔注浆，注浆钻孔深度为8.0m，直径为40mm，钻孔施工在距顶板1.0m处煤壁上，钻孔仰角为30°，钻孔终孔位置位于顶板破碎岩体内，钻孔间距为3.0m。孔口管采用长度为2.0m、直径为35mmPVC管，孔口管外露端采用锚杆将其与煤壁固定，如图2所示。

（4）注浆工艺。采用 2ZBQ50/19型气动双液注浆泵进行注浆施工，煤壁孔注浆压力为1.2MPa，单孔注浆时间不得低于10min；顶孔注浆压力为1.6MPa，单孔注浆时间不得低于15min。注浆2h后工作面方可回采。

3.3 应用效果分析

截至2018年7月12日，204工作面回采至605m，工作面完全通过了破碎、冒漏区。通过对572～598m范围内工作面破碎顶板采取“人工假顶+超前浅深孔注浆加固”联合治理措施，工作面在回采过程中控制了冒漏区范围进一步扩大，提高了支架支护效果，使支架初撑力、工作阻力提高至87%以上，回采期间未出现顶板严重破碎、冒漏、煤壁片帮现象。工作面在揭露F2断层时，在129～125#支架之间端面顶板出现局部破碎、煤壁片帮现象，最大片帮深度为0.5m，通过联合治理措施后得到有效控制，工作面在过破碎冒漏区平均回采速度提高至7.2m/d。

图2 工作面注浆钻孔平、剖面布置示意图

4 结论

（1）通过对工作面区施工人工假顶，不仅可对冒漏区进行填充，防止冒漏区瓦斯积聚现象，而且解决了传统冒漏区支护难度大、支护效果差等技术难题，提高了冒漏区围岩稳定性及支撑作用。施工人工假顶后，在过冒漏区期间提高了支架初撑力及工作阻力，保证了支架支护效果。

（2）通过对工作面破碎煤壁及顶板采用注浆加固，煤体单轴抗压强度提高至40MPa，破碎岩体单轴抗压强度提高至55MPa，提高了煤岩体胶结稳定性，防止煤壁片帮以及顶板超前破碎现象，保证了工作面安全高效回采。