綜采工作面過斷層頂板控制技術(shù)研究與應用

裴艷龍

（汾西礦業(yè)集團安全監(jiān)察中心，山西 介休 032000）

0 引言

斷層是我國井工煤礦最為常見的地質(zhì)構(gòu)造，在綜采工作面推采過斷層過程中，由于斷層帶煤巖破碎，或者在煤巖交界區(qū)實施爆破作業(yè)，容易造成大塊矸石冒落，或者煤壁破碎片落，端面煤巖體控制難度較大[1-2]。針對工作面過斷層期間的頂板控制難題，煤炭行業(yè)學者及技術(shù)人員進行了大量的理論及實踐研究，宋振騏院士對不同開采及地質(zhì)參數(shù)對采場的影響規(guī)律進行了相關(guān)性研究，得出了端面煤巖體控制受煤層埋藏深度、采高、煤巖強度的影響程度[3]；謝廣祥教授研究了典型開采地質(zhì)條件下，對采場圍巖控制、瓦斯治理、開采參數(shù)等進行優(yōu)化研究，提出了有效控制措施[4]；王家臣教授基于大量研究，提出了煤巖條件的判別標準，對煤壁片幫控制技術(shù)進行了系統(tǒng)研究[5]；方新秋教授對軟煤綜放開采的冒頂片幫進行長期觀測，對端面煤巖體的破壞過程進行詳細闡述，從而指導端面煤巖體控制[6]。針對14207 綜采工作面過斷層期間的頂板支護難題，設(shè)計對工作面端面煤巖體進行注漿加固的技術(shù)方案，輔以多項頂板控制及管理措施，有效解決工作面斷層區(qū)的冒頂和片幫難題。

1 14207 工作面概況

14207 工作面主采4 號煤層，煤層厚度2.8～4.5 m，平均厚度為3.5 m，煤層傾角0～5°，平均傾角3°，煤層硬度系數(shù)為2.5～3.5，煤層結(jié)構(gòu)完整，裂隙不發(fā)育，屬堅硬煤層。該工作面平均埋深約610 m，煤層在本工作面范圍內(nèi)分布均勻，屬于穩(wěn)定煤層，工作面設(shè)計走向長度為1970 m、傾向長度208 m，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，使用ZC13000/25/38型掩護式液壓支架。煤層直接頂為平均厚度4.5 m 的泥巖，強度低，層理裂隙發(fā)育，基本隨采隨冒，老頂為平均厚度11.5 m 的粉砂巖、細砂巖，為堅硬穩(wěn)定巖層，隨著工作面回采周期性破斷，直接底為平均厚度1.6 m 的高嶺質(zhì)泥巖，層理較發(fā)育，基本底為平均厚度2.1 m 的粗砂巖，結(jié)構(gòu)完整，頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

根據(jù)回采地質(zhì)說明書及工作面地質(zhì)圖紙顯示，工作面范圍內(nèi)大小斷層共計15 條，尤其是連續(xù)3 條與工作面呈垂直方位的正斷層較為典型，斷層落差分別為2.1 m、2.7 m、3.6 m，如圖1 所示。鄰近工作面在過斷層時采取拉超前架、帶壓移架等常規(guī)支護措施，但在局部區(qū)域采取爆破作業(yè)，對堅硬巖層進行破碎時，往往因支護不及時導致端面煤巖體漏冒事故，大塊矸石涌入機道，處理費時費力，且在機道內(nèi)作業(yè)，安全隱患較大。故采取常規(guī)措施過斷層無法滿足安全生產(chǎn)需要，應針對具體的過斷層工況，采取更為合理有效的頂板支護方案。

圖1 工作面部分斷層分布情況示意圖

2 工作面過斷層支護難點分析

斷層對工作面推進作業(yè)影響較大，且斷層落差大小與工作面夾角、是否導通含水層等均會對頂板支護、推采效率、安全生產(chǎn)等產(chǎn)生影響，綜合運用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析及文獻查閱等研究方法，結(jié)合礦井過斷層所積累的相關(guān)經(jīng)驗，對14207 工作面過斷層的工程難點進行分析[7-9]。

1）斷層帶煤巖較破碎、整體性差。根據(jù)地質(zhì)說明書及掘進揭露斷層產(chǎn)狀，發(fā)現(xiàn)14207 工作面斷層帶煤巖整體上較為破碎，膠結(jié)性差，揭露的斷層面處煤巖呈松散破碎狀，當采煤機割煤后，斷層帶的破碎煤矸容易冒落，造成架前冒頂、片幫，直至冒落的矸石相互擠壓，逐步堵塞漏矸口。

2）過斷層期間常見強烈的礦壓顯現(xiàn)。鄰近類似條件工作面的礦壓觀測結(jié)果顯示，由于礦井整體埋深較大，地應力水平高，工作面來壓期間礦壓顯現(xiàn)較為強烈，動壓荷載較大，尤其在過斷層期間，礦壓造成的動壓擾動，更容易造成端面煤巖體受擠壓并向回采空間運動，冒頂片幫發(fā)生概率及嚴重程度均有升高。

3）斷層使煤層層位起伏，割煤層位控制難度大。個別斷層落差接近甚至超過工作面采高，尤其是在斷層線附近，工作面接近全巖回采，割煤時需要漂刀、剎刀，層位調(diào)整難度大，且推進速度放緩，端面頂板暴露時間長，如遇斷層導通含水帶，在頂板水的影響下，支護更困難。

綜上，14207 工作面過斷層期間將遇到推進速度放緩、端面煤巖體破碎、礦壓顯現(xiàn)強烈、層位調(diào)整難度大等困難，容易發(fā)生端面煤巖體漏冒事故，甚至引發(fā)嚴重冒頂事故，威脅安全生產(chǎn)，必須制定專項的過斷層技術(shù)措施及頂板加固措施，保障工作面安全推過各條斷層。

3 頂板注漿加固方案設(shè)計

3.1 注漿加固方案

在以往過斷層期間，當頂板出現(xiàn)冒頂事故時，礦方的處置措施往往是采取架前木垛接頂、架前掛金屬網(wǎng)、打貼幫液壓支柱、注馬麗散漿液等方式，均屬于事故發(fā)生后的補救措施，工作較為被動。總結(jié)經(jīng)驗教訓，并針對工程條件及注漿工藝特點，設(shè)計采用向斷層破碎帶實施淺部及深部耦合的超前注漿加固方案。即通過將頂板進行深部、淺部分區(qū)，基于長、短注漿錨桿，分別實施深部、淺部注漿，深部注入發(fā)泡漿液，漿液密度小，滲透性強，便于注入深部圍巖裂隙，形成深部柔性加固區(qū)；淺部注入高黏度漿液，充分將碎裂巖塊膠結(jié)，形成淺部剛性加固區(qū)。注漿加固對破碎圍巖適應性極強，能夠迅速將破碎巖石進行膠結(jié)，形成具有承載性能的結(jié)構(gòu)。注漿孔在工作面前方支架間隙內(nèi)向上方打設(shè)，分淺部注漿孔及深部注漿孔，鉆孔向上傾角為30°，如圖2 所示。

圖2 工作面淺-深部注漿方案示意圖

3.2 注漿參數(shù)設(shè)計

淺部注漿孔的注漿高度范圍在2～2.5 m，深部注漿孔的注漿高度在3～4.5 m，鉆孔孔徑均設(shè)計為Ф25 mm。淺部注漿選用無機剛性材料，水灰質(zhì)量比0.8，初凝時間5 s，0.5 h 的抗壓強度即可達到15 MPa以上，12 h 的抗壓強度可達到20 MPa 的上限強度，注漿壓力設(shè)計為3 MPa，漿液擴散半徑為1.5 m；深部注漿選用有機柔性材料，密度小，膨脹性強，發(fā)泡倍數(shù)達到30 倍，初凝時間5 s，抗壓強度較小，終凝為1.5 MPa，注漿壓力設(shè)計為5 MPa，擴散半徑為2 m。注漿量根據(jù)斷層范圍和頂板破碎程度而定。

4 結(jié)語

按照所設(shè)計的方案對過斷層期間的破碎頂板進行超前注漿加固，實施一系列特殊頂板管理措施，并在工作面過斷層期間進行了礦壓觀測。在過連續(xù)斷層期間，工作面礦壓顯現(xiàn)依然強烈，但由于實施了超前注漿加固，斷層線附近破碎煤矸整體性得到改善，漏冒威脅降低，統(tǒng)計到工作面煤壁片幫最大深度0.48 m，漏頂深度最大0.22 m，沒有出現(xiàn)嚴重冒頂片幫事故，且在推進層位調(diào)整后，可清晰觀測到注漿后的膠結(jié)形態(tài)，破碎煤矸的膠結(jié)狀況較好，表明工作面淺—深部頂板注漿加固方案效果明顯，輔以帶壓移架、拉超前架等特殊頂板管理措施，工作面安全順利推過斷層集中帶。