关键词：大采高孤岛综采工作面；危害分析；控制措施
中图分类号：TD353 文献标识码：B
0 引言
谢桥矿1331（3）大采高孤岛综采工作面采用走向长壁、大采高一次采全高综合机械化采煤法，区内后退式回采，全部垮落法处理采空区。该面在通过面内煤层变薄带、煤层增厚带及断层影响区期间，采取一系列有效控制措施成功解决了复杂地质构造带影响区孤岛煤柱压力大、应力集中系数高、巷道围岩变形量大，维护困难等不利因素影响，实现了安全回采。通过工程实践研究并掌握复杂地质构造带对大采高孤岛综采工作面的危害形式及程度，并采取及时有效的应对措施，是确保大采高孤岛综采工作面安全回采的关键环节。
1 工作面概况及回采工艺
1331（3）工作面为谢桥煤矿东二C组采区13-1煤层三阶段，工作面上阶段的1321（3）工作面及下阶段的1341（3）工作面均已回采完毕，上下顺槽留设保护煤柱均为7m。工作面走向长948.8m，倾斜长207.3m，煤层厚度0.30～8.9m，平均煤厚5.5m，煤层倾角11.4～15.8°，平均倾角12.8°。煤层普氏硬度系数f=0.99。两巷顶板完好段采取锚联网支护，顶板破碎段架29#U型金属棚支护。
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2 复杂地质构造带概述
2.1 2#异常区基本情况
2#异常区为煤层变薄带、煤层增厚带及断层影响区，异常区走向影响长208m，倾向影响整个工作面，影响程度H＞1煤厚，对回采影响极大。异常区内发育一个煤层变薄带（走向长90m，倾向整个工作面），该变薄带内13-1煤层分叉、变薄，厚度、产状变化大，煤厚0.3～4.0m，同时变薄带内发育一条落差H=1.3～3.2m的沿倾向贯穿整个工作面的Fs211斜交断层；煤层变薄带以外区域13-1煤层局部有增厚现象，煤厚4.0m～8.9m并发育1条落差H=1.4m～2.8m的Fs211-1斜交断层。
2.2 回采实见情况
1331（3）工作面至2015年7月份进入2#异常区煤层变薄影响带，煤层由机尾变薄，并逐渐向面内延伸，继续推进20m后，工作面煤层变薄区域由机尾延伸至25#架，煤层渐变为0.2～1.2m厚的煤线，局部煤层尖灭，实际已形成无煤带且无煤带内伴生Fs211斜交断层。受无煤带矿压显现剧烈及断层影响，工作面顶板异常破碎，煤帮失稳，造成工作面无法有效推进。
3 复杂地质构造带对大采高孤岛综采工作面的危害分析
3.1 高叠加支承压力下巷道围岩失稳
研究表明，孤岛工作面的回采巷道受侧向支承压力及超前支承压力叠加影响，其受到的支承压力较大。目前在巷道支护形式上，主要采取锚杆、锚索、金属棚等常规支护材料。
两巷受高叠加支承压力影响，围岩松动圈扩大，巷道两帮位移增大、底鼓明显，顶、帮部Ω锚索梁均出现弯曲变形，锚杆、锚索在拉力及剪切力的综合作用影响下，局部出现断锚现象。在推进至距工作面40m左右，原有帮部锚杆支护基本失效。U型金属棚支护段受压后出现内敛变形，由拱形顶变形为平顶，两帮棚腿在矿压作用下，梁腿搭接处脱口，棚腿形成蹬腿棚。套棚工字钢弯曲下沉、断裂、挑棚加强单体出现弯曲、赤脚。受高叠加支承压力影响，工作面两端头条件持续恶化，下端头支架仅2.7m高，煤机滚筒无法下行至端头，上端头断面不足，严重影响通风安全。
3.2 上覆岩层“砌体梁”结构变形失稳
1331（3）工作面在过复杂地质构造带期间，受地质构造应力影响，工作面煤层渐变为煤线，局部出现煤层缺失，煤帮失稳易片，顶板异常破碎，架头及架间漏矸，对上覆岩层三区造成严重破坏，打破了岩块间形成的三铰拱式平衡。架头漏顶造成采空区冒落的矸石其堆积的高度无法大于直接顶原来的高度，造成上覆岩层三带变化量增加，离层区或支架影响区与已冒落矸石的支撑区的岩梁间的咬合点的剪切力大于摩擦力，造成滑落失稳，工作面出现顶板台阶下沉或切顶线前移至煤壁，煤壁支撑影响与支架影响区岩梁间的铰接被破坏，煤壁支撑影响压力影响范围和幅值增大。直接顶在机道上方形成破碎带，工作面片帮、漏顶，形成恶性循环。
3.3 无煤带内伴生大落差断层严重影响推进度
无煤带内回采时破矸量大，煤机截割困难，且岩石受地质构造应力影响，形成节理、劈理等弱面，岩体被弱面切割成若干裂隙体,易发生岩石沿弱面片滑，形成大块矸石淤积在煤机上口或输送机机头，人工破矸处理时间长，即使采取常规爆破也难以解决上述问题；无煤带内伴生H=1.3～3.2m的Fs211斜交断层沿倾向贯穿整个工作面，由机尾接露逐渐影响至机头，受地质构造应力影响，工作面压力显现剧烈，顶板异常破碎，严重制约生产进度。
3.4 液压支架稳定性下降
1331（3）工作面使用的普通架为两柱掩护式整体顶梁ZY10800/30/65型支架，支架总重量47.3t。在过复杂地质构造带期间，受工作面顶板破碎影响，支架顶梁无法有效接顶，支架初撑力不足，当工作面压力显现时，顶梁受力被向下推，出现顶梁与底座发生相对角位移即支架架头下甩，如不及时调整将带动架身向下歪斜，严重时将造成倒架的发生。由于该型号支架顶梁重量大，支架架头向上调整不易，单个支架状态恶化容易逐架影响，造成局部顶板破碎段的支架均出现架头下甩、架身歪斜、倒架等支架失稳现象，进一步弱化对顶板的有效支撑。
4 安全控制措施
4.1 加强两巷支护强度、控制围岩变形量
两巷的管理关系到顶板安全、瓦斯通风安全以及生产的持续进行。尤其是下顺槽转载机及顺槽皮带机机尾尺寸较大，没有合适的高度、宽度将造成设备无法拉移，最终形成影响生产进度的恶劣局面。必须采取有效措施控制围岩变形量，确保两巷顶板安全及生产的正常进行。
一是延长两巷超前支护距离，根据矿压观测数据分析显示，该面两巷超前压力影响范围在100m左右。下顺槽由原超前工作面煤壁20m挑三排正规走向棚管理顶板(距巷帮0.4m处各挑一排,距转载机下沿0.3m处挑一排)；超前工作面煤壁20m～50m挑双排正规走向棚管理顶板(距转载机或皮带机下沿0.3m及下帮0.4m处各挑一排)；超前工作面煤壁50m～100m挑单排正规走向棚管理顶板(在皮带机下帮0.3m处挑一排)；更改为超前工作面50m挑四排棚（上帮刷扩后挑两排，皮带机下帮0.3m处挑一排，下帮一排），超前工作面煤壁50m～100m挑双排正规走向棚管理顶板（皮带机下沿0.3m及下帮0.4m处各挑一排）。上顺槽按照四排棚100m的超前挑棚距离进行管理。
二是针对下顺槽对于巷道宽度要求较高的情况，为减少两帮变形位移，超前施工锚索加固巷帮，沿巷道下帮顶板向下1.0m及2.0m处布置走向锚索梁，施工Φ22*4300mm锚索加固煤帮，第一排按倾斜45°向顶板施工，形成斜拉锁帮；第二排垂直煤帮施工，防止煤帮底脚内敛，造成皮带机尾、转载无法拉移或无空间调整。
三是合理确定超前刷帮距离及刷扩深度。根据矿压观测数据分析显示，该面两巷超前压力影响范围在100m左右，巷帮在超前工作面40m时进入快速位移变形期，至端头时，40m范围内变形量在1200mm。确定超前工作面端头50m进行巷帮刷扩，刷扩后巷道宽度不小于5.7m，锚网支护巷帮，并对U型棚段巷道刷帮后套倾向工字钢对棚管理顶板，成组施工Φ22*6200mm锚索，一梁三道配合钢垫板将倾向棚梁锁牢，形成主动支护与被动支护相结合，防止拉移设备卸除单体后造成顶板让压。
4.2 直推硬过无煤带技术
回采工作面过煤层变薄带或无煤带时，可采用直接推过或重开切眼绕过的方法。该面无煤带在地质探测中，虽走向影响只有90m，但面内伴生有一条落差H=1.3～3.2m的沿倾向贯穿整个工作面的Fs211斜交断层，断层由机尾接露逐渐影响至机头，且无煤带向外工作面仍然有一条断层。采取开切眼倒装的方式虽能确保安全通过无煤带，但扩面收作、拆除、开切眼重新安装工程量巨大，而采取直推硬过必须有切实可行的技术措施保障，防止工作面持续恶化导致支架压死，工作面被迫停采倒装的不利局面。在充分分析问题及制定解决方案后，通过采取如下措施工作面最终成功推过无煤带。
4.2.1 控制片帮漏顶、严防恶性循环
煤层上覆岩层“砌体梁”结构变形失稳主要是由于片帮、漏顶造成竖三带的变化，同时引起横三区的变化，进而交互影响形成恶性循环。在工作面推进过程中控制片帮及漏顶是使工作面上覆岩层逐步稳定，减缓老顶来压对工作面的影响的关键措施。
一是根据片帮、漏顶情况采取挂网背帮、使走向棚管理局部片帮、漏顶段的顶帮，防止架头漏顶，切顶线前移，支架架头俯角过大，支护强度下降。二是根据片帮情况采取注化学材料加固煤帮。三是在顶板异常破碎及影响范围大的情况下采取工作面联网纫绳、防止架间窜矸、顶板漏空。
4.2.2 更换采煤机、快速降低采高
开采实践证明片帮程度与工作面采高是正相关的关系，且当采高超过一定数值后，片帮程度出现急剧增加的态势。快速降低采高提升煤帮稳定性是解决片帮问题的关键环节。受制于该面原MG750/1800-WD型采煤机滚筒大、机身高度高，无法有效降低采高，且滚筒无法下行至端头的问题，采取使用MG650/1620-WD型采煤机进行回采。该采煤机机身高度低、配套滚筒直径仅2000mm，方便端头进刀，在过复杂地质构造带时能够及时降低采高，提高煤帮稳定性，防止片帮、掉顶，减少破矸量。
4.2.3 二氧化碳致裂技术的应用
二氧化碳致裂是一种新型的用于煤炭开采的致裂技术，与传统的火药爆破器材不同，二氧化碳致裂器是由一个高强度的可以重复使用的充装液态二氧化碳金属管、加热器（发热装置）、定压泄能机构等组成。将致裂器置于煤（岩）体钻孔内，使用发爆器启动加热器，加热内部的液态二氧化碳成为气体，管道中压力持续增大压迫定压泄能机构，使其中的定压卸能片破断，随后释放出体积扩大600倍，压力达到三百兆帕的二氧化碳气体，进行爆破致裂。现场应用中，长*宽*高大于1.0m* 1.0m*1.0m的大块矸石施工眼深0.3～0.6m的爆破孔进行爆破。其爆破占用时间及爆破震动冲击均较火药爆破优良，有效的解决了大块矸石处理困难占用时间长的问题。
4.3 严控支架架形，提升支架稳定性
确保支架架型的稳定，防止在恶劣条件下支架出现歪斜、倒架是加强工作面顶板管理、确保工作面稳步推进，安全通过复杂地质条件的关键环节。
一是支架底座箱形成正台阶，即上架脚踏板高于下架脚踏板200～400mm，架身向上迎3～5°。防止顶板来压后将支架顶梁向下推，造成支架架头下甩，架身歪斜。
二是确保支架下柱明上柱，即确保支架架头稍向上与底座形成角位移，防止机道冒空后，支架架头受顶板推力下甩带动支架歪斜。
三是在支架架前安装防倒千斤顶，顶板破碎段移架时必须带上防倒千斤顶，防止支架歪斜。
四是要严把工作面规格质量，煤机司机要将顶底板割平整，严禁由于底板不平整造成支架歪斜、失稳现象。
五是确保支架架间空隙均匀，工作面不出现挤架现象，为及时调整支架架型预留安全空间。
六是重视对单个吊斜支架的管理，要及时使用调底和侧护板千斤顶进行辅助调架，防止影响范围扩大。
七是必须要严格支架初撑力管理，确保支架顶梁与顶板能够充分接劲。
八是加强工作面采向管理，防止刮板机上窜下滑，频繁调整采向造成的支架吊斜、架型不正。
5 结论
⑴ 过复杂地质构造带期间，加强矿压监测分析，掌握巷道变形规律，是制定有效的巷道矿压控制措施的关键环节。
⑵ 根据大采高煤帮片帮规律，快速降低采高，规避煤帮挠曲易片段，防止顶板漏空，是防止工作面条件恶化的基本措施。而更换采煤机则是在恶劣地质条件下的创造性应用，为快速降低采高提供了条件。
⑶ 大采高孤岛综采工作面在过复杂地质构造带期间必须清晰认识其危害形式，根据不同危害采取相应的控制措施。解决关键环节的危害是一个系统的工程，必须重视各个环节的管理，确保工作面稳步推进。
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作者简介：聂磊（1980-），男，安徽淮南人，工程师，2010年毕业于中国矿业大学电气工程及自动化专业，现于淮南矿业集团谢桥煤矿综采一队，从事采矿专业技术管理工作。邮编：236221 TEL：13966450969 E-mail124129073@qq.com。
论文作者:聂,磊
论文发表刊物:《科学与技术》2019年16期
论文发表时间:2020/1/15
标签：工作面论文; 顶板论文; 支架论文; 煤层论文; 地质论文; 巷道论文; 超前论文; 《科学与技术》2019年16期论文;