W4301大采高工作面過斷層圍巖破壞控制及研究

苗潞潞

（潞安集團常村煤礦，山西 長治 046102）

1 工程概況

潞安集團高河礦W4301工作面為西四盤區工作面，工作面上方是耕地，北部為是漳河神村，東南部是酒村，西南是東王內村，東部是南漳村；西部是漳河且漳河由南自北從W4301工作面西北角穿過，北面為W1312工作面。此工作面位于一個西堡背斜構造區域，煤層穩定，煤厚5.4～5.8m，平均5.6m。煤層中間有0.1～0.35m的泥巖夾矸。煤厚傾角為1°～9°，平均5°。設計可采長度1520m。根據巷道掘進過程中揭露及鉆探情況情況，該工作面內共揭露9條斷層，斷層特征如表1所示，Fw145及Fw25斷層位于回采區域以外，對回采不產生影響，其余斷層對回采都有一定的影響，其中Fw155對回采影響最大，該斷層走向100°，傾向190°，傾角65°，落差為2m。根據文獻參考與實地考察得出，礦方若繼續采用原方式進行回采作業，在采掘工作面通過斷層時，工作面會出現煤壁片幫，造成液壓支架受力不均勻，端面距加大，頂板垮落。所以在過Fw155斷層時，需要提前編制措施，確保安全通過。

表1 W4301工作面揭露斷層特征表

2 圍巖破壞特征分析

2.1 斷層圍巖的數值模擬

為探究Fw155斷層對回采工作造成影響，以便提出相應的應對措施，通過FLAC5.0數值模擬軟件來模擬工作面從Fw155斷層上盤向斷層推進的過程，分析工作面支承壓力的變化情況，為優化方案提供依據。所設計的模型范圍為：橫向長為400m,縱向長為109m，其中橫向上，每一米為一格，另在中間添加一格，作為斷層結構面，共分為401格；縱向為每一米一格，共分為109格，模型總共為401×121=48521個單元格。根據W4301工作面實際地質情況，對模型施加應力場。

2.2 推進方案

在煤層被開采后，煤層上部圍巖受開采影響，應力會重新分布，逐漸向四周擴散，采高區頂板會出現卸壓區，當應力擴散到斷層破碎帶時，可能會造成回采工作面塌陷。因此在進行數值模擬時，需對距斷層不同位置的巖層壓力進行模擬，本次模擬主要對工作面距離斷層 75 m、60 m、44 m、28 m、15 m、7m不同位置時巖層壓力進行分析。

2.3 數值模擬結果分析

工作面距斷層不同位置時，工作面支承壓力如圖1所示。

圖1 斷層對工作面支承壓力的影響

由模擬得到的圖形分析，在工作面向斷層推進的過程中，斷層附近的煤巖體出現應力集中現象，并且應力集中逐漸增強，模擬結果顯示工作面距離斷層60m時，斷層上盤最大應力約為33MPa；當工作面回采至斷層前44m時，斷層上盤最大應力約為45MPa；當工作面回采至斷層28m時，斷層上盤最大應力為48.62MPa；當工作面距離斷層15m時，在斷層上盤區最大應力為56.33MPa，已經達到工作面超前支護的壓力；隨著工作面繼續推進至斷層前7m時，斷層上盤應力峰值達到68.24MPa，回采巷道將被破壞。

綜上所述，隨著工作面回采至斷層破碎帶附近時，煤壁前方進入應力集中區域為，較正常情況比較，煤壁前方進入的應力集中區域最大增加了接近一倍，頂板可能會產生冒頂而會導致液壓支架的工作阻力升高，達到正常工作阻力的1.5倍，在壓架事故發生的同時煤壁將大概率的發生片幫的現象。

3 圍巖控制技術及效果

3.1 注漿加固

對于現場的圍巖破壞研究和理論分析，經礦方決定W4301工作面在遇斷層期間，圍巖受斷層影響較大，為防止回采期間發生冒頂或者煤壁發生片幫的現象，需進行超前注漿，同時在現場發現，在斷層附近，會出現少了冒水現象，因此注漿材料選取水泥混合水玻璃，來對工作面圍巖進行超前注漿。

1）注漿孔確定。為了更好的加固巷道圍巖防止破碎區發展，根據現場工作面的煤壁裂隙與頂板碎裂狀態，經計算注漿孔的深度選擇為6m，可以更好的對圍巖進行加固；選擇布置兩排注漿孔，第一排距巷道底板2m處，第二排布置在距頂板1m處，每隔4m布置一個注漿孔，注漿孔布置如圖所示：對漿孔進行封孔時，為了防止注漿也外漏，提高注漿壓力，使漿液能壓入裂縫深部，封孔材料選擇PVC膠泥材料，根據注漿孔的實際情況，封孔器應該距注漿孔口1500mm；

圖2 注漿鉆孔布置

2）單孔注漿量確定。單孔注漿量時決定注漿效果的主要因素之一，同時注漿的壓力、時間也會對注漿的實際效果造成影響。經過現場觀察與理論計算，為達到最優效果，既能最大程度上加固巷道圍巖，又能省工省料，決定單孔的注漿量為350kg為最佳，注漿時可以根據實際情況隨時調整。

3.2 保證支架有充分的工作阻力

W4301工作面選用的端頭支架為ZYT15000/27/55，中間支架為ZY 15000/33/72D。由模擬知工作面遭遇斷層時，支護載荷阻力峰值約為58MPa～70Mpa，所選支架能夠保證支架正常工作，充分支護頂板，不發生壓架的現象。

3.3 過斷層技術要求

1）對割煤機每次割煤的速度降低，調整到每分鐘前進3.5米；在斷層前后期間，需要對割煤機的每刀的質量進行控制，防止因單刀割煤太多造成頂板垮落；同時注意割煤時，頂底板的坡度與完整度，時刻觀察支架狀態，防止發生支架倒塌傾斜等狀況。

2）對采高需要進行控制，當工作面遭遇Fw155正斷層時，將工作面的采高需要控制在4m范圍，但是不得低于3.8m，以確保割煤機組安全通過工作面，在割煤時，提高割煤率，盡可能少割矸，防止對煤層穩定造成影響而引起工作面的不穩定。在機頭前需要進行超前注漿措施，對煤層進行加固，保證工作面安全通過斷層。

3.4 圍巖控制效果

為了探究上述分析結果的對回采工作面通過斷層的有效性，對工作面受斷層影響的區域進行實地監測，主要對煤壁和工作面液壓支架阻力進行監測，通過對監測數據進行分析，來檢驗方案對回采工作面過斷層的有效性。

圖3 注漿前后煤幫變化

如圖3所示，通過對煤壁的注漿加固，煤壁的穩定性得到了大幅度提高，對比注漿前后，相同時間內，0.2m的淺部片幫發生次數為11次，將注漿前的18次，下降了7次；1.2m深的片幫發生0次，較注漿前的4次，得到了顯著改善。注漿后煤壁片幫深度與發生此次都顯著降低，回采工作面區域幾乎沒有大塊煤體片幫的狀況，工作面安全通過斷層，生產得到恢復。

圖4 工作面支架阻力分布

如圖4所示，為工作面遭遇斷層期間支架阻力分布情況，在工作面到達斷層時，煤層開始受到斷層的影響，工作面中部液壓支架的阻力開始提升，最大到40MPa，但平均穩定在20MPa左右，工況良好；工作面兩端頭在推進過斷層區域時，由于頂板中存在軟弱的結構面[4]，使頂板圍巖的作用力全部加到液壓支架上，使得支架阻力瞬間提高，最大值達到40MPa，且壓力幾乎保持在35MPa左右，由現場觀察記錄得，在回采工作面過斷層時，并未發生冒頂或片幫的現象，液壓支架工作正常，沒有發生壓架現象，說明工作面圍巖控制效果良好，工作面順利通過斷層。

4 結 論

通過FLAC軟件對W4301工作面通過斷層時狀況進行模擬，發現原方式在斷層附近是煤壁會進入應力集中區，斷層處液壓支架的工作阻力升高快速，工作面頂板受斷層影響極大，難以正常進行回采工作；將過理論計算與實地考察，決定采取超前注漿加固，控制大采高工作面采高，降低推進速度，選用合適液壓支架阻力能夠高安全高效過斷層。通過對現場應用觀察，注漿后煤壁穩定，工作面支架沒有發生壓架的情況，回采工作面順利通過斷層。