回采面過斷層應力區圍巖控制措施研究

李 磊

（同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司，山西 朔州 036000）

1 工作面概述

同煤浙能麻家梁煤業有限責任公14106 工作面位于井田中東部，一采區東部，以方位角160°布置。北部毗鄰665 南回風巷，西部緊鄰14105 工作面，相隔煤柱間距為39.7m，南部尚未開采，東部相鄰14107 工作面(目前正在掘進，未圈定)輔運巷，相隔煤柱間距為37.2m。

14106 工作面設計走向長度1360m，可采走向長度1280m，傾斜長度249.5m，工作面回采煤層為二疊紀下統山西組4#煤層，煤層平均厚度9.39m，工作面采用綜合機械化放頂煤回采工藝，采高3.5m，放煤厚度為5.89m。

14106 工作面回采至740m 處揭露一條正斷層F4，斷層落差為1.8m，傾角為52°，F4 斷層從回風順槽側斜交至工作面，對工作面影響長度為45m。受斷層影響，預計工作面在過F4 斷層前后10m 范圍內頂板出現破碎現象。

2 過F4斷層期間技術難題

（1）頂板破碎嚴重。由于14106 工作面采用放頂煤回采工藝，預留頂煤厚度為5.89m，回采煤層為二疊紀下統山西組4#煤層，煤層發育不穩定，呈破碎狀，煤體單軸抗壓強度為19MPa。工作面在過斷層帶時受回采壓力、構造應力影響，工作面頂板出現應力集中現象，導致頂煤破碎嚴重，局部地段出現漏頂現象，采用液壓支架維護難度大。

（2）煤體應力大，煤壁片幫嚴重。工作面回采過程中受外力作用，工作面煤壁主要受垂直向下的剪切應力和垂直煤壁的拉伸應力，導致煤壁出現剪切破壞和拉伸破壞；14106 回采煤層穩定性差，強度低，工作面煤壁破壞形式主要為垂直向下的剪切破壞，而該破壞程度主要取決于煤層物理力學性質及采高，采高越大破壞越嚴重，14106 回采高度為3.5m，煤壁在頂板往下1.5m 范圍內破壞相對嚴重。

（3）支架支護質量差。由于14106 工作面在過斷層破碎帶期間頂板相對破碎，在移架后支架頂梁接觸擠壓時無法達到預期的初撐力及工作阻力，初撐力、工作阻力不足額定值得50%，而且在升架過程中支架頂梁對破碎頂板產生剪切應力作用，加劇頂板破碎程度，從而大大降低了支架支護效果，很容易出現支架傾架、倒架現象。

3 過斷層破碎帶圍巖控制措施

麻家梁礦綜采一隊通過技術研究，為了提高圍巖穩定性，保證支護效果，決定在過F4 斷層破碎帶期間采取“注漿+撞楔超前圓鋼支護+臺階回采工藝”等聯合方法進行頂板及煤壁維護。

3.1 破碎頂板注漿支護

（1）為了提高14106 工作面斷層應力區破碎頂板穩定性及煤巖體強度，通過對破碎煤巖體高壓注入聚氨酯粘合劑，粘合劑在壓力作用下快速深入煤巖體裂隙內并進行凝固粘接，提高煤巖體整體穩定性及單軸抗壓強度，防止頂板破碎范圍進一步擴大。

（2）14106 工作面在揭露斷層前10m 及過斷層后10m 范圍內，對破碎頂板施工注漿斜孔，注漿孔深度為5.0m,直徑為45mm，鉆孔間距為5.0m，排距為3.0m。

（3）注漿鉆孔施工完后，對鉆孔內埋入注漿管并在鉆孔口處進行封孔處理，注漿管與高壓注漿泵進行連接，注漿泵吸料管插入聚氨酯粘合劑料桶內；開啟注漿泵進行鉆孔注漿，注漿期間發現煤體有漿液滲出時立即停止注漿。如圖1 所示。

圖1 過F4 斷層應力區圍巖控制措施施工剖面圖

3.2 撞楔超前鋼管支護

（1）工作面在斷層應力集中區回采期間，為了能夠對煤壁前方應力集中區及時超前支護，可通過在工作面設計頂板位置處施工一排撞楔超前鋼管支護，在移架時支架頂梁沿鋼管面帶壓移架，從而減小煤壁前方集中應力對頂板、煤壁產生超前破壞作用，確保支架與頂板能夠接觸嚴實，保證支架具有足夠的初撐力，提高支護效果。

（2）14106 工作面回采至F4 斷層應力區時，在工作面設計頂板位置施工一排超前支護鉆孔。鉆孔深度為3.0m，直徑為40mm，鉆孔垂直工作面煤壁布置，垂直角度在垂直面和水平面誤差不得超過3°，鉆孔間距為0.5m，排距為2.0m，相鄰兩排支護鉆孔交錯疊加布置。

（3）超前支護鉆孔施工完后，對鉆孔內依次填裝錨固劑及超前支護體，超前支護體選用直徑為32mm、長度為3.3m 的中空圓鋼。支護體錨固后保證外露端長度控制在0.2~0.4m 范圍內。

3.3 臺階法回采工藝

（1）由于14106 工作面回采煤層強度低，且回采高度相對較大，從而導致煤壁片幫，所以可通過臺階法回采工藝降低工作面回采高度，達到控制煤壁片幫的目的。

（2）工作面進入斷層應力集中區后，將采煤機上滾筒增設長軸，長度為1.0m，割煤時先采用上滾筒進行臺階割煤，形成上下臺階煤壁，如圖1所示。臺階面寬度為1.2m，上臺階面高度為1.5m，下臺階面高度為2.0m，高度比為3:4。

（3）臺階煤壁形成后，上下滾筒同時進刀割煤，割煤深度為0.8m，保證工作面采煤機每刀割煤后預留臺階面。

4 效果

14106 工作面過F4 斷層應力集中區時，采用“注漿+撞楔超前圓鋼支護+臺階回采工藝”等聯合措施進行圍巖控制，取得了顯著的應用效果：

（1）對破碎頂板采取注漿支護后，提高了頂板破碎煤體穩定性，使煤體單軸抗壓強度提高至54MPa，增加了頂板承載能力，防止頂板冒頂事故發生。

（2）通過對破碎頂板施工撞楔超前圓管支護，可對工作面煤壁前方應力集中區進行超前維護，降低了集中應力對頂板及煤壁超前破壞作用；同時，在移架時支架頂梁可與圓鋼接觸嚴實，提高支架初撐力84%以上。

（3）與補打支護相比，采用臺階法回采工藝降低工作面回采高度，不僅降低了支護材料成本費用，減少工作面施工工序，而且可有效阻止工作面煤壁片幫現象，14106 工作面在后期回采期間未發生嚴重片幫現象，保證了工作面安全回采。