綜采工作面過斷層頂板控制技術研究與應用

裴艷龍

（汾西礦業集團安全監察中心，山西 介休 032000）

0 引言

斷層是我國井工煤礦最為常見的地質構造，在綜采工作面推采過斷層過程中，由于斷層帶煤巖破碎，或者在煤巖交界區實施爆破作業，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，煤炭行業學者及技術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參數對采場的影響規律進行了相關性研究，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條件下，對采場圍巖控制、瓦斯治理、開采參數等進行優化研究，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進行了系統研究[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，設計對工作面端面煤巖體進行注漿加固的技術方案，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°，煤層硬度系數為2.5～3.5，煤層結構完整，裂隙不發育，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分布均勻，屬于穩定煤層，工作面設計走向長度為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 的高嶺質泥巖，層理較發育，基本底為平均厚度2.1 m 的粗砂巖，結構完整，頂底板巖性特征如表1所示。

表1 煤層頂底板巖性

根據回采地質說明書及工作面地質圖紙顯示，工作面范圍內大小斷層共計15 條，尤其是連續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、帶壓移架等常規支護措施，但在局部區域采取爆破作業，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，且在機道內作業，安全隱患較大。故采取常規措施過斷層無法滿足安全生產需要，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、安全生產等產生影響，綜合運用現場調研、理論分析及文獻查閱等研究方法，結合礦井過斷層所積累的相關經驗，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。根據地質說明書及掘進揭露斷層產狀，發現14207 工作面斷層帶煤巖整體上較為破碎，膠結性差，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。鄰近類似條件工作面的礦壓觀測結果顯示，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、礦壓顯現強烈、層位調整難度大等困難，容易發生端面煤巖體漏冒事故，甚至引發嚴重冒頂事故，威脅安全生產，必須制定專項的過斷層技術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計

3.1 注漿加固方案

在以往過斷層期間，當頂板出現冒頂事故時，礦方的處置措施往往是采取架前木垛接頂、架前掛金屬網、打貼幫液壓支柱、注馬麗散漿液等方式，均屬于事故發生后的補救措施，工作較為被動。總結經驗教訓，并針對工程條件及注漿工藝特點，設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，基于長、短注漿錨桿，分別實施深部、淺部注漿，深部注入發泡漿液，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；淺部注入高黏度漿液，充分將碎裂巖塊膠結，形成淺部剛性加固區。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，形成具有承載性能的結構。注漿孔在工作面前方支架間隙內向上方打設，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 注漿參數設計

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，鉆孔孔徑均設計為Ф25 mm。淺部注漿選用無機剛性材料，水灰質量比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，發泡倍數達到30 倍，初凝時間5 s，抗壓強度較小，終凝為1.5 MPa，注漿壓力設計為5 MPa，擴散半徑為2 m。注漿量根據斷層范圍和頂板破碎程度而定。

4 結語

按照所設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。在過連續斷層期間，工作面礦壓顯現依然強烈，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，沒有出現嚴重冒頂片幫事故，且在推進層位調整后，可清晰觀測到注漿后的膠結形態，破碎煤矸的膠結狀況較好，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。