綜采工作面過斷層支護(hù)技術(shù)優(yōu)化

支國印

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司四老溝礦， 山西 大同 037031）

引言

綜采工作面過斷層期間受構(gòu)造應(yīng)力、超前應(yīng)力及采空區(qū)殘余應(yīng)力等集中應(yīng)力牽引影響，應(yīng)力區(qū)頂板及煤壁出現(xiàn)應(yīng)力擴(kuò)張及剝離破壞，造成工作面端面距加大、斷面頂板破碎嚴(yán)重及煤壁片幫嚴(yán)重。傳統(tǒng)工作面主要采用液壓支架進(jìn)行頂板支護(hù)，但是液壓支架體積大、能動性差，受施工環(huán)境影響支架無法及時大面積超前支護(hù)，從而導(dǎo)致工作面大面積圍巖破碎，影響工作面安全穩(wěn)定生產(chǎn)[1-5]。本文以四老溝礦8106 工作面為研究對象，對工作面過斷層回采期間提出了合理有效的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

1 8106 工作面概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司四老溝礦8106 工作面位于主運(yùn)大巷東北部，工作面東部為8102 工作面，北部、西部未開拓，上覆侏羅系4 號、11 號采空區(qū)。

8106 工作面設(shè)計走向長度為1 700 m，傾向長度為230 m，工作面回撤煤層為石炭系3 號與5 號合并煤層，煤層厚度6.75～14.77 m，平均11.3 m，傾角3°～13°，平均5°，煤層內(nèi)含夾矸2～4 層，天然焦內(nèi)含3層火成巖侵入體。煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 石炭系3 號與5 號合并煤層頂?shù)装鍘r性

C3-5 號層8106 工作面整體為單斜構(gòu)造，開口處高，切巷低，平均傾角-5°。對照相鄰巷道及上覆侏羅系11 號層揭露地質(zhì)情況分析，5106 巷將揭露6 條斷層（F1～F6），2106 巷將遇 2 條斷層（F7～F8）。上覆有侏羅系 2 號、4 號、11 號、14-3 號層采空區(qū)，在 2 號層有趙家小村小窯，對應(yīng)2106 巷上覆534～780 m，進(jìn)入工作面范圍174 m，和平旺公社三井大隊(duì)小窯，對應(yīng)2106 巷上覆1 156 m 至切巷，進(jìn)入切巷45 m，2 號層與C3-5 號層間約45 m。

2 工作面回采現(xiàn)狀及問題分析

2.1 工作面回采現(xiàn)狀

2020 年4 月17 日夜班8106 工作面回采至580 m處，并在工作面尾部揭露一條F3 正斷層，斷層落差為2.4 m，前方為斷層上盤，斷層對工作面回采影響長度為62 m，工作面于4 月19 日在93～127 號支架前方完全揭露斷層，工作面在前期揭露斷層時頂板及煤壁出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象，當(dāng)工作面回采至587 m 處時位于81～85 號支架前方頂板破碎嚴(yán)重，局部出現(xiàn)冒漏現(xiàn)象，冒漏高度為1.7 m、寬度為2.2 m、長度為3.2 m，且伴隨著煤壁大面積片幫，4 月19 日夜班工作面被迫停采。

2.2 問題分析

根據(jù)工作面前期回采現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，工作面過斷層期間出現(xiàn)頂板破碎、煤壁片幫等現(xiàn)象的主要原因有以下幾方面：

1）圍巖穩(wěn)定性差：8106 工作面回采的煤層為石炭系煤層，煤層單軸抗壓強(qiáng)度不足20 MPa，煤巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，而且煤體內(nèi)含3～4 層夾矸，破壞了煤體連續(xù)穩(wěn)定性，工作面回采時采煤機(jī)破煤后煤體力學(xué)性質(zhì)降低，煤壁支撐強(qiáng)度低及頂板承載能力差，是煤壁片幫、頂板破碎重要原因之一。

2）回采工藝影響：8106 工作面主要采用放頂煤回采工藝，采煤機(jī)回采高度為3.5 m、放煤高度為7.8 m，工作面回采期間頂板以頂煤為主，回采期間煤壁片幫嚴(yán)重，導(dǎo)致工作面端面距加大，頂煤承載強(qiáng)度低，從而導(dǎo)致頂板斷裂、破碎現(xiàn)象。

3）集中應(yīng)力影響：工作面過斷層期間受斷層應(yīng)力、回采超前應(yīng)力及上覆老窯采空區(qū)殘余應(yīng)力等集中應(yīng)力影響，導(dǎo)致圍巖受應(yīng)力破壞嚴(yán)重，圍巖裂隙發(fā)育，應(yīng)力在裂隙帶內(nèi)釋放從而對圍巖產(chǎn)生擴(kuò)張破壞作用。

3 斷層區(qū)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

為了提高斷層區(qū)圍巖穩(wěn)定性，控制冒頂范圍擴(kuò)大，決定對斷層區(qū)頂板及煤壁采取注漿、人工假頂及水力錨桿聯(lián)合支護(hù)。

3.1 注漿加固支護(hù)技術(shù)

3.1.1 注漿加固支護(hù)原理

對破碎圍巖施工注漿加固孔，然后對孔內(nèi)高壓注漿施工，注漿液在壓力作用下完全滲透至圍巖裂隙內(nèi)，一方面對圍巖裂隙進(jìn)行填充、封堵，排出裂隙帶內(nèi)空氣，防止煤巖體出現(xiàn)氧化自燃現(xiàn)象；另一方面注漿液滲透裂隙帶凝固后形成具有高強(qiáng)度、韌性的膠狀凝固體，可對破碎圍巖起到黏結(jié)作用，提高破碎圍巖單軸抗壓強(qiáng)度。

3.1.2 注漿泵及注漿材料

1）8106 工作面圍巖破碎區(qū)采用xt12041 型煤礦用氣動注漿泵進(jìn)行注漿施工，該注漿泵主要由雙液注漿桶、氣動馬達(dá)、進(jìn)風(fēng)孔、注漿軟管、混合槍、壓力表、流量表、閥門等部分組成，注漿泵主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 煤礦用氣動注漿泵主要技術(shù)參數(shù)

2）注漿材料：8106 工作面注漿材料主要采用馬麗散，馬麗散屬于雙組分合成高分子——聚亞胺膠脂材料，采用高壓灌注進(jìn)行堵水時，當(dāng)樹脂和催化劑摻在一起時反應(yīng)或遇水產(chǎn)生膨脹；注漿后膨脹系數(shù)在2～4倍，凝固體單軸抗壓強(qiáng)度為35 MPa。

3.1.3 注漿鉆孔布置參數(shù)及施工

1）工作面分別對冒漏區(qū)頂板及幫部布置注漿鉆孔，頂板注漿鉆孔布置在冒漏區(qū)附近，鉆孔直徑為40 mm、深度為3.0 m，鉆孔垂直頂板布置，冒漏區(qū)共計布置6 個注漿鉆孔；煤壁上布置注漿鉆孔深度為5.0 m、仰角為45°，鉆孔距頂板間距為1.0 m，鉆孔間距為3.0 m。

2）注漿鉆孔施工完對鉆孔內(nèi)安裝注漿軟管，并對鉆孔進(jìn)行封孔處理，然后將注漿軟管與xt12041 型煤礦用氣動注漿泵連接，最后進(jìn)行注漿施工，注漿壓力為5.0 MPa。

3.2 人工假頂支護(hù)技術(shù)

由于8106 工作面81～85 號支架前方頂板出現(xiàn)局部冒漏，冒漏深度大，冒漏區(qū)內(nèi)頂板穩(wěn)定性差，很容易出現(xiàn)瓦斯積聚及二次冒漏事故，所以決定對冒漏區(qū)頂板采取人工假頂支護(hù)技術(shù)。

1）首先在冒漏區(qū)范圍內(nèi)沿工作面傾向方向施工兩排單錨索，每排布置3 根錨索，錨索布置間距為2.0m、排距為2.5 m，施工錨索長度為5.3 m、直徑為17.8 mm，錨索施工后外露長度控制在0.3～0.5 m 范圍內(nèi)。

2）單錨索施工完后分別在兩排錨索外露端安裝一根長度為3.5 m、寬度為0.11 m 的工字鋼梁，工字鋼梁安裝后保證鋼梁面齊平，且鋼梁面距工作面頂板間距為0.3 m。

3）錨索吊棚施工完后在兩架吊棚上方依次鋪設(shè)金屬網(wǎng)、防水油布及搭設(shè)“井”字型道木并形成木垛，采用的道木長度為2.0 m、寬度為0.2 m，吊棚上方共計架設(shè)兩架木垛，木垛布置間距為1.5 m，木垛架設(shè)完成后保證與冒漏區(qū)頂板接觸嚴(yán)實(shí)，如圖1 所示。人工假頂施工完后對假頂填充羅克休膨脹劑。

圖1 工作面冒漏區(qū)人工假頂平面示意圖

3.3 水力膨脹錨桿支護(hù)技術(shù)

由于煤壁片幫嚴(yán)重，采用傳統(tǒng)單錨桿支護(hù)時，支護(hù)失效率高、支護(hù)損耗高，且達(dá)不到預(yù)期支護(hù)效果，所以決定對8106 工作面煤壁采取水力膨脹錨桿支護(hù)。

3.2.1 水力膨脹錨桿支護(hù)原理

與傳統(tǒng)玻璃鋼或螺紋鋼錨桿不同，水力膨脹錨桿為中空狀，且錨桿側(cè)面設(shè)置為擴(kuò)張凹槽結(jié)構(gòu)，錨桿支護(hù)后對錨桿體內(nèi)高壓注水，在高壓水力作用下錨桿擴(kuò)張凹槽膨脹，在膨脹過程中一方面可增加錨桿桿體體積，提高錨桿支護(hù)強(qiáng)度；另一方面錨桿膨脹后可對鉆孔壁煤巖體起到擠壓作用，控制煤巖體裂隙擴(kuò)張，支護(hù)原理如下頁圖2 所示。

圖2 水力膨脹錨桿結(jié)構(gòu)及支護(hù)原理示意圖

3.2.2 支護(hù)工藝

1）8106 工作面施工的水力膨脹錨桿主要由收縮固定骨架桿體、端套、玻璃鋼托盤、擋圈及注漿嘴等部分組成；桿體長度為2.0 m、直徑為30 mm，桿體一側(cè)設(shè)置為D 型槽結(jié)構(gòu)。

2）水力膨脹錨桿施工在片幫煤壁上，水力膨脹錨桿布置間距為1.0 m，共計施工一排，距頂板間距為1.5 m；首先施工支護(hù)鉆孔，鉆孔垂直煤壁布置，鉆孔施工完后對鉆孔內(nèi)錨注水力膨脹錨桿。

3）水力膨脹錨桿錨注后對錨桿外露端安裝玻璃鋼托盤、擋圈及注漿嘴，采用螺母對錨桿進(jìn)行預(yù)緊；然后在注漿嘴上安裝高壓軟管，軟管另一端與高壓注水泵連接進(jìn)行注水施工，注水壓力為16 MPa。

4 結(jié)語

截至2020 年5 月3 日8106 工作面已完全過斷層影響區(qū)，通過對工作面斷層區(qū)頂板及煤壁采取注漿、人工假頂及水力膨脹錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，工作面在后期回采過程中未出現(xiàn)頂板大面積破碎及頂板冒漏現(xiàn)象，端面距由原來的1.9 m 減小為0.4 m，煤壁片幫長度由原來的24 m 減小為6 m，片幫深度由原來的1.7 m 減小為0.5 m，工作面回采速度提高至5.6 m/d，取得顯著應(yīng)用成效。