胡家河煤礦402102工作面過斷層破碎帶圍巖控制實踐

王 帥，趙 武，楊 俊

(陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

陜西彬長胡家河礦業有限公司402102工作面位于4號煤402采區，工作面設計長度1 943 m，可采長度1 793 m(平距)，傾向長180 m。工作面東側為402103采空區，南側為五條大巷保護煤柱，西側為402101設計工作面，北側為4號煤0點邊界線。402102工作面掘進期間揭露F7斷層，該發育在回風巷距停采線1 110 m附近的一條正斷層，傾向152°，傾角45°，落差0～10 m，橫穿整個工作面。斷層破碎帶寬約0.2 m，方解石脈填充，斷層附近頂板壓力較大，煤體較破碎，為保障工作面回采過程中安全通過該區域，需針對該斷層破碎帶制定合理的圍巖控制技術。

1 斷層破碎帶難控機理分析

1.1 支架阻力增大

活化現象：在地質構造簡單的開采區域，隨著工作面的向前推進，基本頂的巖塊破斷形式會出現單關鍵塊體和雙關鍵塊體不斷循環交替的情況，此種情況下關鍵塊體結構的失穩主要發生在工作面的后方區域，結構的失穩對工作面的整體擾動較小，在頂板來壓時，其動載系數相對較小，一般為1.2～1.3[1-4]。但當開采區域存在斷層破碎帶時，此時若工作面推進至斷層區域時，由于斷層結構面的抗剪強度較低，會致使斷層出現超前工作面的活化現象，具體斷層破碎帶區域基本的運動狀態如圖1所示。

圖1 斷層破碎帶區域頂板運動形態示意圖

支架阻力增大的原因：由圖1可知，在斷層區域基本頂巖塊在斷層活化的影響下，斷層會沿著斷層面產生較大范圍的滑移，進而致使工作面頂板出現急劇下沉的現象，若選型支架的初撐力不足會造成基本頂與直接頂之間出現離層現象。基本頂及荷載層在滑移后會對直接頂巖層形成沖擊，進而造成斷層附近工作面的支架受到的沖擊載荷較為明顯，從而會出現工作面推進通過該區域時，支架出現阻力異常增大的現象[5-8]。

1.2 煤壁片幫

煤壁片幫的形式：根據402102工作面的地質資料顯示，工作面沿傾向煤巖體的巖性變化較大，煤壁片幫的現象在工作面面長方向上以多點、局部的特征發生變化，具體煤壁片幫的形式如圖2所示。

圖2 工作面煤壁片幫力學模型

煤壁片幫分析：由圖2分析，可將工作面前方的煤體視為半無限體，對于煤壁的自由表面僅有支架的掩護板的力作用在上面，煤層的上表面受到條形荷載的作用。當礦井的地應力較小時，巖體的破壞形式主要以脆性破壞為主，在工作面超前支撐壓力的影響下，煤壁的破壞深度較小，但在工作面推進通過斷層破碎帶時，由于斷層的影響使得該區域的煤體比較破碎，加之工作面超前支撐壓力和煤層上部條形荷載的作用下，便易致使工作面在推進通過斷層破碎帶區域的煤體時出現大范圍的片幫現象。煤壁破壞的形式主要為剪切破壞和拉伸破壞，基于圖2的力學模型，根據理論推導能夠得出在剪切破壞下煤壁片幫最小的頂板載荷q及拉伸破壞形式下防止煤壁片幫支架護板作用力N的最小值的表達式[8-14]分別為

(1)

式中：q—剪切破壞煤壁片幫時最小的頂板載荷；C—煤體的內聚力；γ—上覆巖層的容重；h—煤壁的片幫高度；φ—煤體的內摩擦角。

2 圍巖控制技術及效果

2.1 4號煤層頂底板巖層特性

402102工作面主采4號煤層，煤層厚11～28 m，均厚20 m，上分層平均可采厚度14.1 m，煤層結構簡單，一般含兩層夾矸，位于煤層的中上部和中下部，夾矸厚度一般小于0.35 m，頂板巖性以灰-深灰色砂質泥巖、粉砂巖為主，底板則以黑灰色泥巖、鋁土質泥巖為主，煤層頂底板巖層特征見表1。

2.2 圍巖控制技術

圍巖控制的必要性：根據402102工作面及F7斷層的具體情況，基于上述工作面推進通過斷層破碎帶區域圍巖難控機理的分析可知，斷層破碎帶區域易出現支架壓力異常增大的現象，容易致使出現壓架的情況，同時易出現煤壁片幫的現象。

降低采高，增大護幫高度：在工作面推進值F7斷層附近時，液壓支架的工作阻力出現不斷增大的現象，在工作面104#支架的位置處，支架出現液壓閥開啟的現象。為防止頂板巖塊沿斷層出現大范圍的滑落導致壓架現象的出現，在工作面推進通過斷層破碎帶期間，降低工作面的采高至3.5 m，具體如圖3所示。同時采用連鎖棚、支柱穿鞋和打設帶帽的戧柱，以此對工作面過斷層區域的頂板進行控制；減小支架的水平支護力，設置支架最大的水平支護力不大于500 kN。

工作面煤壁注漿：在工作面推進通過F7斷層區域時，為保障斷層破碎帶的松軟破碎煤巖體能夠有效的膠結成一個整體，進而形成一定的承載結構，充分發揮煤體的自穩能力，采用超前注漿加固的方式。注漿孔在工作面面長180 m的長度上均勻布置，注漿孔長為10 m，注漿孔間距為3 m，鉆孔的仰角為15°，布置在距離工作面頂板2.5 m的位置處，具體注漿孔的布置方式如圖3所示。

圖3 工作面過斷層區域降低采高及注漿孔布置示意圖

注漿材料及工藝：本次工作面超前注漿加固使用的材料為水泥—水玻璃，水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，設置水泥漿的水灰比為0.6，水玻璃濃度為48～55Be′，模數為2.8～3.2。在進行工作面煤巖體超前注漿加固作業時，具體注漿工藝流程如圖4所示。

圖4 注漿工藝流程圖

注漿時各項參數控制：①注漿孔封孔長度。根據斷層區域的具體特點設置注漿封孔深度0.8 m；②注漿終壓。注漿壓力過高將導致原有圍巖結構破壞，壓力過低不能保證漿液的有效注入。通常注漿終壓控制在6～8 MPa，若長時間不升壓，采用間歇注漿方式，間隔時間應與材料初凝時間相匹配；③單孔注漿量。為保證注入的漿液能夠將圍巖裂隙全部充填密實，在進行注漿施工時，原則上應注到鉆孔不吃漿為止，設置單孔最小注漿量為3 t。

2.3 效果分析

支架工作阻力記錄：為有效分析工作面過斷層區域采用上述圍巖控制技術的效果，在工作面過斷層區域采用上述措施后，對支架通過該區域時的工作阻力進行分析。具體工作面推進通過斷層區域時支架的工作阻力曲線如圖5所示。

圖5 工作面過斷層區域支架工作阻力

數據分析：由圖5可知，工作面在通過F7斷層破碎帶區域時，工作面兩端頭105～115#和10～15#位置處頂板破碎程度較為嚴重，頂板破斷后載荷首先作用到該兩處區域的支架上，進而致使該區域的支架工作阻力升高較大，支架的載荷最大達到35～40 MPa，支架的工作阻力達到13 744～15 707 kN。工作面端頭兩處區域支架的工作阻力達到額定工作阻力的91%～105%，相比于工作面兩端頭，工作面中部區域的支架阻力及載荷較小，支架的工作阻力為7 853～11 780 kN，達到額定工作阻力的52%～79%，支架的工作載荷僅為20～30 MPa。中部區域支架未出現支架安全閥開啟的現象，工作面兩端頭局部支架出現安全閥開啟的現象。根據工作面的現場觀測可知，工作面在采用上述措施后，推進通過斷層破碎帶區域時，工作面兩端頭局部支架出現安全閥開啟的現象，但總體支架工作阻力較為合理，基本無煤壁片幫的情況出現，保障了工作面順利通過F7斷層區域。

3 結論

(1)確定過斷層區域的主要控制技術為降低采高+超前注漿加固，并結合斷層破碎帶的具體情況對該圍巖控制方案進行具體設計。

(2)根據礦壓監測結果顯示，在斷層破碎帶采用該控制技術后，工作面兩端頭局部出現了支架壓力閥開啟的現象，總體支架的工作荷載為7 853～11 780 kN，占到額定工作阻力的52%～79%。

(3)回采過程中基本無煤壁片幫的情況出現，兩端頭局部煤壁片幫的最大深度僅為0.4 m，片幫的長度較小，保障了工作面順利推進通過F7斷層破碎帶區域。