采煤工作面過斷層煤巖協(xié)同控制技術(shù)研究

張鐘文

（汾西礦業(yè)靈北煤礦，山西 靈石 031300）

引言

斷層是煤炭資源回采時常見構(gòu)造類型，當采煤工作面回采過斷層時在斷層破碎帶內(nèi)容易出現(xiàn)頂板冒落、支架傾倒以及片幫等問題，從而給煤炭安全回采帶來威脅[1-2]。為此，眾多的研究學(xué)者提出超前支護、注漿加固等方式提升斷層破碎帶煤巖體強度，在一定程度上提升了采煤工作面安全生產(chǎn)保障能力[3-5]。文中以山西某礦11305 采煤工作面過F103 斷層為工程實例，提出采用煤巖體協(xié)同控制技術(shù)提高斷層破碎帶內(nèi)煤巖體強度，實現(xiàn)了采面安全回采。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

山西某礦11305 采煤工作面回采的11#煤層厚度平均3.6 m、傾角7°，埋深520 m，頂?shù)装逡陨百|(zhì)泥巖、泥巖以及粉砂巖為主，根據(jù)回采巷道揭露以及相關(guān)鉆探、物探資料顯示，11305 采煤工作面回采至690m 位置時會揭露F103 斷層（H=1.8 m～4.5 m，122°∠49°），具體采面與斷層位置關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 采面與斷層位置示意圖

由于斷層影響范圍內(nèi)煤巖體裂隙發(fā)育，采面回采過斷層期間容易出現(xiàn)煤壁片幫、冒頂以及支架傾倒等問題，給采面回采帶來較大安全威脅。

1.2 斷層破碎帶煤巖體致災(zāi)因素分析

11305 采煤工作面頂?shù)装鍘r性以砂質(zhì)泥巖、泥巖以及粉砂巖為主，裂隙相對較為發(fā)育，特別是頂板泥巖、砂質(zhì)泥巖遇水容易崩解，從而巖層穩(wěn)定性較差。11305 采煤工作面回采過程中在斷層影響下會降低煤層、頂?shù)装鍘r層穩(wěn)定性，使得煤巖體中產(chǎn)生新的裂隙。

隨著采面不斷推進，在采動壓力作用下斷層破碎帶附近煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中，采面回采過程煤壁、頂板巖層在采動應(yīng)力作用下出現(xiàn)失穩(wěn)概率顯著提升。當采面推進至斷層破碎帶時，原本相對穩(wěn)定的煤巖體在采動影響下逐漸向松散結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，在局部構(gòu)造應(yīng)力、采動應(yīng)力等綜合作用下，容易出現(xiàn)頂板冒落、片幫問題，具體某采面頂板冒落情況，如圖2 所示。

圖2 采面頂板冒落示意圖

2 斷層破碎帶煤巖體協(xié)調(diào)控制技術(shù)

斷層破碎帶內(nèi)煤巖體協(xié)同控制技術(shù)是綜合錨桿（索）、注漿方式提升破碎帶內(nèi)煤炭體承載能力以及強度，并使得原本破碎的煤炭體成為一個共同作用的承載單元。在錨桿索作用下可降低頂板巖層下沉量、避免頂板冒落、煤壁片幫發(fā)生；注漿可將原本破碎的煤巖體膠結(jié)為一個整體，并提高煤巖體黏聚力及穩(wěn)定性。

2.1 注漿技術(shù)

通過注漿可顯著提高斷層破碎帶煤巖體強度及承載能力，從而提高采面過斷層安全性。在F103 斷層影響范圍內(nèi)沿著采面傾斜方向布置上下2 排注漿鉆孔，上排注漿鉆孔與采面底板間距為2.5 m、鉆孔傾角45°、孔深6.0 m；下排鉆孔與底板間距1.5 m、傾角15°、孔深6.0 m。鉆孔施工完成后，通過注漿設(shè)備以及專用封孔器向鉆孔內(nèi)注入水泥漿，注漿壓力1 MPa～2 MPa，單孔注漿時間控制在20 min 以內(nèi)。

2.2 錨桿（索）支護

錨桿（索）主要作用是給斷層破碎帶表層煤巖體一定的作用力，從而將淺部、深部巖層作用形成一個結(jié)構(gòu)相對完整的整體。在11305 采煤工作面過F103斷層期間，采用金屬錨桿對頂板進行支護，并通過桁架錨索對頂板巖層進行補強；采用玻璃鋼錨桿對煤壁進行支護。具體采面錨桿（索）布置，如圖3 所示。

圖3 錨桿（索）布置圖

頂板螺紋鋼錨桿規(guī)格為20 mm×2 500 mm，按間排距1 600 mm×1 600 mm 布置，桁架錨索為Φ15.6 mm×7 300 mm，按間排1 600 mm×1 600 mm布置，頂板錨桿、錨索預(yù)緊力距均為150 N·m；在采面上部容易片幫位置布置20 mm×2 500 mm 玻璃鋼錨桿，具體間排距依據(jù)現(xiàn)場情況確定。

2.3 其他控制措施

采面在回采過斷層期間可輔助采用強化液壓支架管理、調(diào)整采高等方式應(yīng)對斷層破碎帶煤巖體。

2.3.1 強化液壓支架管理

已有研究成果表明，采面頂板冒落有60%出現(xiàn)在支架頂梁前端、有40%出現(xiàn)在移架過程中，因此，強化液壓支架管理可在一定程度上降低頂板冒落威脅。當采面頂板破碎、煤壁片幫問題突出時，可采用提前支架方式及時支撐頂板，并采用帶壓移架；當采面出現(xiàn)縱深較大片幫時采用鉸接頂梁、架設(shè)圓木等方式對頂板進行支撐。同時可適當加寬采面液壓支架護板，具體可通過在頂板側(cè)邊布置護側(cè)裝置實現(xiàn)，并使用千斤頂輔助護幫。采煤機割煤后及即伸出護幫板，對給煤壁一定的水平支撐力。

在過F103 斷層期間，適當增加液壓支架支撐力，實現(xiàn)對煤壁以及頂板控制。對液壓供液系統(tǒng)進行檢查，確保提供的乳化液壓力在30 MPa 以上。

2.3.2 調(diào)整采面采高

煤壁片幫發(fā)生率會隨著采高增加而增大。在11305 采煤工作面過F103 斷層期間可將采高先保持在3.6 m，若回采期間片幫嚴重則可適當將采高降至3.2 m，通過適當降低采高來達到降低片幫發(fā)生率目的。

3 結(jié)語

1）11305 采煤工作面過F103 斷層期間存在的主要問題是斷層破碎帶煤巖體穩(wěn)定性較差。因此，提出使用破碎煤巖體協(xié)同控制技術(shù)來提升破碎煤炭體穩(wěn)定，并依據(jù)現(xiàn)場實際情況對注漿加固、錨桿及錨索布置參數(shù)進行設(shè)計。

2）現(xiàn)場應(yīng)用后，斷層破碎煤巖體被注漿漿液膠結(jié)為一個完整的整體，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定；采面回采過斷層期間未有頂板冒落問題，同時采面基本不片幫，僅局部位置出現(xiàn)深度0.3 m 以內(nèi)、高度0.5 m 以內(nèi)的小片幫?？傮w來說，通過對斷層破碎帶煤巖體采用協(xié)同控制技術(shù)，為采面回采過斷層安全創(chuàng)造了良好條件，可實現(xiàn)采面安全高效回采。