四臺礦8735 綜采工作面過斷層技術措施研究

王啟南

（大同煤礦集團四臺礦，山西 大同 037000）

四臺礦8735 工作面屬12-1#與12-2#合并煤層，煤層整體呈南北高中間低的向斜構造。煤層厚度為2.1～2.3 m，平均2.2 m，煤層傾角平均2°，與上覆11#層層間距為6.6～13.65 m，平均層間距9.5 m。8735 工作面設計走向長度352 m，可采走向長度280 m，傾斜長度162.3 m，采高2.4 m。在工作面中間位置切巷揭露一條落差為1.5 m 的正斷層，預計影響工作面走向范圍35 m 左右。

1 工作面過斷層方案

由于落差1.5 m 相對較小，所以采用保留底部煤層，保持采高不變，切割上頂板的方法[1]。利用這一辦法，可以使工作面頂板一直為巖層，能夠保證巖層的穩(wěn)定性。該斷層為正斷層，貫穿整個工作面，斷層走向為15°，傾向為75°，傾角為79°。具體實施方法如圖1 所示。

根據(jù)液壓支架最大起坡角（一般為7°）、斷層傾角（79°）、斷距（1.5 m）以及工作面采高（2.4 m）等參數(shù)可以算出起坡點位置L1 及L2 的長度分別為24.55 m 和22.60 m，也就是大約在距離斷層25 m 左右處，即在工作面推進110 m 時，開始進行起坡施工。

圖1 工作面過斷層方法示意圖

2 斷層破碎帶控制

2.1 破碎帶注漿加固

注漿加固技術是目前針對破碎圍巖控制效果比較好的一種措施[2-3]，目前在各大煤礦中應用較為廣泛。注漿加固技術主要原理為，通過對工作面煤巖層注漿，能夠將破碎帶的煤巖體進行重新固結，這樣會使其重新恢復承載能力。注漿材料一般為瑪麗散[4]，瑪麗散是一種低粘度的高分子樹脂材料，在遇水和催化劑時會產(chǎn)生膨化產(chǎn)物。這種產(chǎn)物具有較大的粘結密實性，通過高壓泵將這種膨化產(chǎn)物泵送到煤巖破碎區(qū)中，使其可以與煤巖體進行粘結，將破碎煤巖體重新粘結在一起形成新的整體，很大程度上提高了巷道圍巖的強度以及煤層頂?shù)装宓姆€(wěn)定性。

根據(jù)以前工作面相似斷層的壓力顯現(xiàn)情況，在上盤推進到距離斷層30 m 左右時，液壓支架支撐壓力開始逐漸增加，表明工作面開始受到斷層影響；在到達斷層附近15 m 左右范圍內時，發(fā)現(xiàn)頂板高出由斷層延伸過來的裂縫，此時支架支撐壓力快速增加；在工作面通過斷層到達下盤后，支架壓力開始降低，并逐漸到達一個穩(wěn)定可控的水平。所以在斷層上盤推進時，壓力異常在距離斷層30 m 時開始出現(xiàn)，而實際斷層的破碎帶范圍在斷層15 m 范圍內，結合實際情況綜合考慮在斷層前20 m 與過斷層15 m 范圍內進行注漿加固。

2.2 注漿參數(shù)確定

根據(jù)8735 綜采工作面實際情況，確定工作面的注漿孔布置形式如圖2 所示。

圖2 注漿孔布置圖

（1）布孔設計

8735 綜采工作面注漿孔布置方式如圖2 所示。根據(jù)現(xiàn)場實際頂?shù)装迤扑橐约肮ぷ髅婷罕诹严栋l(fā)育情況，確定注漿孔深度6 m，注漿孔直徑42 mm 以上，封孔器在距離孔口1.5～2 m左右的位置進行封孔。在工作面上布設兩排注漿孔，目的是為了保證注漿效果。第一排注漿孔距離頂板0.4 m，且與水平向上呈15°進行布置；第二排距底板0.8 m，與水平向上呈5°進行布置。

（2）布孔間距

根據(jù)現(xiàn)場在正式施工前的試注測試以及在實驗室測試的材料滲透性，得出注漿材料在此煤巖破碎環(huán)境下的滲透半徑大致為2.5 m 左右。為確保注漿效果，確定工作面注漿孔間距為4 m。

（3）單孔注漿量

單孔注漿量是決定注漿加固效果好壞的重要參數(shù)。影響注漿量的因素有注漿時間、煤巖層破碎程度以及注漿壓力。根據(jù)相關的理論計算以及現(xiàn)場進行試注獲得的直接效果，確定工作面單孔注漿量為300 kg，且采用間歇式注漿方式。

（4）注漿壓力

注漿效果的好壞和注漿壓力直接相關。在注漿過程中，如果注漿壓力過大，容易造成煤巖體進一步劈裂破碎，進而導致注漿液體流失，且壓力過大容易導致工作面煤壁發(fā)生片幫；如果注漿壓力過小，會導致注漿液體在破碎煤巖體內部擴散不充分，會使破碎煤巖體中注漿材料充填不密實，從而導致注漿材料與破碎煤巖之間凝結效果較差，進而注漿加固效果較差。為了保證合理的注漿壓力，依據(jù)礦井以往的注漿施工資料以及現(xiàn)場試注試驗，確定此煤巖破碎條件下的注漿壓力范圍為10～12 MPa。

2.3 注漿施工工藝

如圖3 為注漿設備裝配示意圖，圖中各標號分別為：1-注漿管；2-封孔器；3-鐵管；4-注射槍；5-高壓膠管；6-注射泵；7-催化劑；8-瑪麗散。具體施工步驟有如下四步。

圖3 注漿設備裝配圖

（1）組裝設備。首先將高壓注射泵與圖中相關部件進行組裝，然后將注射槍與注射鐵管進行連接，在設計要求的位置組裝封孔器。設備組裝完成后，進行現(xiàn)場注射試驗，檢查設備的安全可靠性。

（2）開始注漿。通過兩個吸管將催化劑與瑪麗散抽送到注射泵中進行充分混合，隨后進入注射槍內，混合漿液再通過注射槍與注漿管最后進入注射孔內，注射漿液在高壓作用下滲入破碎煤巖體中，從而完成凝結加固。

（3）停止注漿。當單孔注漿量達到設計要求或注射漿體已充分擴散到目標位置，達到了單孔注漿要求時停止注漿，并沖洗注漿設備。

（4）重復上述操作，直至所有孔注漿結束。

3 過斷層技術方法

（1）在過斷層前，提前對工作面兩條巷道進行加固及接頂支護。以回風順槽為例，在確定好接頂線及位置后（本文為距離斷層25 m 處），架設工字鋼棚，并利用錨索將工字鋼棚鎖牢。

（2）在工作面起坡后，在工作面兩端頭20 架范圍內沿著坡度進行逮頂剎底，且將剎底幅度控制在10°左右。隨后工作面每回采1 刀，液壓支架逮頂剎底的范圍由兩端向中間各增加10 架，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況，隨著距離斷層越來越近，逐步加大剎底幅度。

（3）在過斷層期間，為了避免矸石過大而導致煤機發(fā)生塞堵，由原來的雙向截煤方式變?yōu)閱蜗蛳滦薪孛悍绞?。同時為了保證運輸系統(tǒng)的順暢，在帶式輸送機機尾以及轉載機處設專人對出現(xiàn)的扁平及大塊矸石進行破除，防止破碎機無法破碎而導致系統(tǒng)塞堵，影響工作面正常生產(chǎn)。

（4）加快工作面推進速度。加快工作面的推進速度可以避免由于支架長期處于高壓作用下而使支架壓死的情況發(fā)生?？蛇m當減小割煤進刀量，提高割煤機走車速度，以此來加快工作面的快速推進。

（5）做好嚴格的設備檢修以及圍巖壓力動態(tài)監(jiān)測工作。在過斷層期間，一定要動態(tài)檢查設備的安全可靠性，對存在問題的設備及時進行維護修理，保證工作面安全快速的推進。同時要求相關技術人員做好圍巖壓力動態(tài)監(jiān)測，針對出現(xiàn)的壓力異常情況，及時進行匯報并處理。

4 巷道圍巖變形量監(jiān)測

為進一步說明注漿加固技術以及相應過斷層技術方法對巷道圍巖控制的效果，對過斷層期間巷道圍巖變形量進行了監(jiān)測。圖4（a）為11#8735 面過斷層時監(jiān)測的巷道圍巖變形量，由于斷距較小，所以并沒有采取任何加強措施。圖4（b）為12#8735面過斷層巷道變形量的監(jiān)測結果。兩次監(jiān)測的測點都布置在斷層下盤距離斷層15 m處。由圖可以看出，采取相關加強措施的巷道圍巖變形量整體較未采取措施的巷道明顯減小，且12#8735 面的斷層斷距大，煤巖破碎范圍廣，更加說明了注漿加固及相關回采工藝改進對過斷層整體穩(wěn)定性控制的效果顯著。兩圖中都可以看出巷道圍巖變形量隨工作面的推進表現(xiàn)為先增高后降低再升高的變化形式，其中降低點是在距離測點15 m左右處，也就是剛過斷層的位置，這與支架壓力變化情況相符合。證明在過斷層后，斷層所形成的構造應力得到釋放，頂板壓力減小，圍巖變形有所收縮。隨著回采工作面的繼續(xù)推進，頂板壓力以及圍巖變形量再次增加，進入了正常的壓力及圍巖變形隨工作面距離變化的規(guī)律情形。

圖4 巷道圍巖變形量監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

5 結論

（1）針對斷距為1.5 m 這一斷層，提出切割上盤頂板、保留底板煤層的方法來通過斷層。通過相關計算，確定了工作面起坡位置，即在距離斷層25 m 左右開始起坡。

（2）對斷層破碎帶的控制，采用催化劑與瑪麗散混合注入破碎煤巖層，從而使破碎煤巖層重新固結，提高圍巖的穩(wěn)定性。確定了注漿范圍為斷層前20 m，斷層后15 m，以及注漿孔位置、傾角、孔間距、單孔注漿量和注漿壓力等相關技術參數(shù)。

（3）提出了過斷層期間工作面相關回采工藝，即加快工作面推進速度、提高支架初撐力、加強頂板支護以及過斷層期間做好嚴格的設備檢修以及圍巖動態(tài)監(jiān)測工作。

（4）根據(jù)過斷層期間巷道圍巖變形監(jiān)測結果，表明注漿加固及回采工藝改進對過斷層工作面整體穩(wěn)定性控制效果顯著，進一步說明了過斷層時頂板壓力的變化規(guī)律情況。