大采高綜采工作面過斷層技術(shù)研究

韓蕾蕾

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)首陽煤業(yè)有限公司，山西晉城 048400）

隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，大采高工作面由于其產(chǎn)量高、成本低、生產(chǎn)集中、采空區(qū)剩余煤數(shù)量較小等特點(diǎn)，已成為當(dāng)前我國厚煤層有效開發(fā)的重要技術(shù)手段。開采面開采遇到斷裂時(shí)，由于開采高度增加，導(dǎo)致的礦壓顯現(xiàn)更加突出，尤其是在開采過程中，一方面是圍巖的穩(wěn)定性不滿足要求，同時(shí)大采高綜采設(shè)備不具有較好的彈性特征，導(dǎo)致推進(jìn)效率較低，并給安全生產(chǎn)帶來隱患。在開采過程中，遇到低落差、影響不大的斷裂帶，為了提升開采效果，通常采取“平推硬過”的辦法，采取改變采煤機(jī)截割進(jìn)尺、超前移架等措施來實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板進(jìn)行有效的管理，但不能改變煤體和頂板強(qiáng)度和穩(wěn)定性[1]，不能從根本上避免冒頂和片幫事故發(fā)生。本文以15201大采高綜采工作面的過斷層技術(shù)為例，對(duì)工作面的過斷層技術(shù)和圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了分析和討論，為同類條件下其它大采高工作面的過斷裂圍巖治理提供了有益的參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

15201 大采高綜采工作面開采15 號(hào)煤，厚4.38m，傾角0°～8°，煤層的穩(wěn)定性較好，該面無明顯的裂隙發(fā)育情況。15 號(hào)煤層以前曾受小窯破壞，采空區(qū)殘留煤量大，采出率低，同時(shí)采區(qū)的防火治理和瓦斯治理的難度有了較大的提升。針對(duì)這一情況，該礦采用走向長壁大采高綜采一次采全高采煤法，其中15201綜采工作面設(shè)計(jì)走向、傾向長分別為1016m、200m。15煤層頂?shù)装宓膸r石特性參數(shù)如表1所示。

表1 15號(hào)煤頂?shù)装鍘r性

15201 綜采工作面在切孔開挖時(shí)，暴露出F24斷裂（H=6.5～8.0m)，其與采面前進(jìn)的角度呈25°夾角，走向的作用半徑大約50m，傾向作用區(qū)主要在97～104 個(gè)支座之間（影響長32m)，其中F24斷裂斷面見圖1。

圖1 F24斷層在采面內(nèi)分布剖面圖

1.2 采面過斷層安全風(fēng)險(xiǎn)

臨近煤礦采用大采高綜合采掘技術(shù)進(jìn)行15號(hào)煤的采掘，其預(yù)支壓的作用半徑為80m，其最大應(yīng)力分布在采面前端8～15m 處，其應(yīng)力集中度為2.5～3.5。15201綜采工作面采高4.38m，在F24斷裂的作用下，煤巖裂縫分布較廣，在開采過程中，容易出現(xiàn)局部崩塌等問題[2]。

15201采區(qū)在F24斷裂的作用下（90～105個(gè)支座）發(fā)生了不同的滲漏，最初采用在油管頂上放置半圓木或墊塊來保持頂板的穩(wěn)定性，但實(shí)際應(yīng)用并不理想。根據(jù)實(shí)際工程的實(shí)際情況，將馬麗散和羅克休注入到頂板破裂體中，可以改善頂板的穩(wěn)定，因此，在15201綜采工作面進(jìn)行穿越F24斷裂的區(qū)域后，提出了在90～105號(hào)架段的頂板上注滿化學(xué)漿液，以保證開采面的安全[3]。

2 注漿加固應(yīng)用

在15201 綜采工作面90～105 支座之間，對(duì)采面煤壁和破碎頂板進(jìn)行了鉆孔，并對(duì)其進(jìn)行了灌漿，以改善煤層的穩(wěn)定性。灌漿漿液的加固效果表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：①在漿液裂縫中擴(kuò)散，膠結(jié)后形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善了煤體的穩(wěn)定性和完整性；②通過膠結(jié)加固，使灌漿漿液在裂縫內(nèi)的擴(kuò)展，使裂縫面具有一定的粘結(jié)力，從而使裂縫附近的煤巖強(qiáng)度和剛性得到改善；③注漿壓實(shí)，在注漿壓力的作用下，漿液填充小縫，減少煤巖體的孔隙率，從而提高注漿加固區(qū)煤體的強(qiáng)度[4]。

2.1 加固技術(shù)方案

2.1.1 加固材料

在頂板塌陷和漏頂部位，可采用注塑羅克休材料的方法，羅克休由催化劑和樹脂兩種組份組成，經(jīng)膠結(jié)后，其體積可擴(kuò)大30 倍，經(jīng)硬化后的結(jié)構(gòu)壓縮強(qiáng)度為0.2MPa左右，可暫時(shí)防止頂板的崩落和下沉[5]。

在頂板塌陷或漏頂部位注入羅克休后，在90～105支座之間預(yù)先設(shè)置了鉆孔，將馬麗散注入到井中，并用馬麗散將松散、不穩(wěn)定性煤巖粘合成一體，從而改善了加固區(qū)煤巖體的穩(wěn)定性。馬麗散材料由催化劑和樹脂兩種組份組成，經(jīng)攪拌后，粘合強(qiáng)度和強(qiáng)度都很高，而且能很好地在小裂縫中滲透和擴(kuò)張。

2.1.2 施工準(zhǔn)備

進(jìn)行壓力管道的常態(tài)化檢測(cè)，保證能提供0.4～0.7MPa 的動(dòng)力風(fēng)源。預(yù)先備好壓風(fēng)管和高壓灌漿管，壓風(fēng)管的長度要符合注漿泵和風(fēng)源點(diǎn)的間距，注漿管的長度要符合注漿泵和注漿點(diǎn)之間的間距。注漿材料、設(shè)備等應(yīng)按規(guī)定運(yùn)輸?shù)阶{地點(diǎn)，并按規(guī)定堆放[6]。

在灌漿處準(zhǔn)備好水、清潔劑（5%～10%的堿水），并配備木條、棉紗等以防止泥漿從裂縫中溢出。

2.1.3 注漿壓力

注漿壓力通常在為3～5MPa范圍，根據(jù)實(shí)際情況而定。結(jié)束灌漿的條件是：在設(shè)計(jì)的灌漿壓力下，保持10min以上；灌漿孔周圍的泥漿大量溢出。

2.1.4 注漿施工工藝

（1）將羅克休注入到塌陷處，其注漿方法如下：①根據(jù)設(shè)計(jì)需要，將灌漿機(jī)、高壓水管等與其相連通；②在灌漿初期，將吸漿管道分別注入催化劑和羅克休樹脂桶中，按1∶4的比例進(jìn)行攪拌，然后經(jīng)高壓軟巖和注射槍注入漏頂區(qū)，漏頂區(qū)的泥漿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，泥漿填充到漏頂區(qū)，給頂板提供一種支撐；③注漿完畢后清洗吸漿管、高壓軟管和噴管，并將注漿泵和輔助管路用清水清洗，并在羅克休樹脂側(cè)使用清水清洗，催化劑側(cè)使用清洗液清洗。

（2）注入馬麗散。具體的鉆孔布局見圖2，其施工方法如下：①鉆進(jìn)，在97～104個(gè)支座之間設(shè)置鉆孔，孔設(shè)置上方頂板仰角33°、深6000m、孔徑45mm、鉆孔間隔3.5m。②注漿，采用高壓泵灌漿，將吸漿管分別置于催化劑和樹脂管中，然后用高壓泵將馬麗散注射到井中，從90號(hào)液壓支架的位置到105支架的方向，依次進(jìn)行注漿；③注漿完畢后，對(duì)灌漿系統(tǒng)進(jìn)行清潔，其清潔方法與注水羅克休法相同[7]。

圖2 馬麗散鉆孔布置圖(mm)

2.2 注漿效果分析

15201 綜采工作面穿越F24斷裂前期，因斷裂作用區(qū)煤巖體破碎、穩(wěn)定性差，致使97～104 支座之間存在著不同的漏頂現(xiàn)象，支座的工作阻力未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求、初撐力普遍偏低，導(dǎo)致支座與頂板間的接觸不佳，造成擠壓，不但會(huì)對(duì)支撐的運(yùn)動(dòng)造成不利的后果，還會(huì)對(duì)施工的安全性產(chǎn)生不利的影響。利用羅克休和馬麗散漿料對(duì)崩落區(qū)域進(jìn)行了填充，改善了斷裂對(duì)區(qū)域的煤巖的力學(xué)性能，避免了在以后的開采中出現(xiàn)的突頂、片幫等問題，并對(duì)鄰近的油管支架進(jìn)行了合理的接頂，從而保證了頂板的穩(wěn)定性。在特殊灌注前后，在斷裂作用區(qū)域中，各油管的工作壓力的計(jì)算結(jié)果見圖3。灌漿加固之前，97～104油管支座與頂板的接觸面較差，有的支座有傾覆跡象，這一段油管的工作壓力總體較??；注漿法施工后，油井支座與頂板緊密地貼合，提高了支座的穩(wěn)定性，提高了工作阻力，達(dá)到了對(duì)采場(chǎng)頂板的有效支撐[8]。

圖3 注漿前后斷層影響區(qū)內(nèi)液壓支架工作壓力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)語

（1）大采高采工作面回采過程中，由于采面、斷層等地質(zhì)構(gòu)造的存在，會(huì)造成采動(dòng)壓力、構(gòu)造應(yīng)力、圍巖破碎、采高大等多種因素的綜合作用，容易出現(xiàn)冒頂、片幫等問題，嚴(yán)重影響了采面回采的安全。

（2）15201 綜采工作面采高4.38m，沿F24斷層走向及傾向影響范圍分別為50m 和32m，因斷層位于采面中部，故采取了平推硬過的辦法。在穿越斷層過程中，由于多種因素的影響，90～105 支架間存在著不同程度的漏頂，支架初撐能力較弱，并伴有片幫。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，建議在冒頂區(qū)采用羅克休法進(jìn)行充填，在斷層受破壞區(qū)采用馬麗散加固煤巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的注漿加固方案。

（3）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用，15201 綜采工作面在后一段回采中，在斷層影響區(qū)域，液壓支架的支撐力一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，與頂板有較好的接觸，并能使頂板和煤壁始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，為安全、有效地開采提供了有利的條件。