石洞溝煤礦31111急傾斜智能化綜采面過構造帶加固技術研究與應用

劉華君 楊啟軍 王偉平 馮偉

摘 要： 石洞溝煤礦31111急傾斜智能化綜采工作面在開采前就對該工作面地質條件進行了分析和研究。在采掘工作中，發現31111回風巷、運輸巷存在四個逆斷層。針對工作面傾角和采高頻繁變化的特點，提出了穿越構造帶提前打孔注漿加固技術的研究與實驗。為急傾斜大采高智能化綜采工作面設備配套選型提供了技術支撐和方向定位。

關鍵詞： 急傾斜工作面 注漿加固 穿越構造帶 煤礦智能化

中圖分類號： TU753文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）03-0017-03

Research and Application of Reinforcement Technology for the 31111 Steep Intelligent Fully-Mechanized Mining Face Crossing Structural Belts in the Shidonggou Coal Mine

LIU Huajun YANG Qijun WANG Weiping FENG Wei

Sichuan Coal Shidonggou Coal Industry Co.， Ltd.， Guangyuan， Sichuan Province， 628000 China

Abstract： The geological conditions of the 31111 steep intelligent fully-mechanized mining face in the Shidong‐gou coal mine were analyzed and studied before mining. During mining， it is found that there are four reverse faults in the 31111 return airway and transportation roadway， which will cause different degrees of support and mining difficulties to the safety production of the coal mine and the advancement of the fully-mechanized coal mining face. For the characteristics of frequent changes in the inclination and mining height of the face， the Shidonggou coal mine has optimized the supporting functions and structures of brackets， and proposed the study and experiment of advanced drilling and grouting reinforcement technology for crossing structural zones， which provides technical support and directional positioning for the supporting selection of equipment for the steep intelligent fullymechanized mining face with large mining height.

Key Words： Steep face； Grouting reinforcement； Crossing the tectonic zone； Intelligent coal mining

1 概況和目前的問題

1.1 石洞溝煤礦31111工作面概況

石洞溝煤礦31111急傾斜智能化綜采工作面最大傾斜長度90 m，最小傾斜長度78 m，平均傾斜長度為84 m；煤層傾向約163°～265°，傾角45°～65°，工作面東部煤層傾角較陡。10號煤層結構簡單，11號煤層結構復雜。煤層全高2.75～4.74 m，平均全高約3.75 m，平均純煤厚度約2.13 m，工作面內部煤層厚度變化較小，煤層之間夾有一層粉砂質泥巖厚0.10 m。

在推進過程中，發現31111回風巷、運輸巷存在四個逆斷層，其中運輸巷F5逆斷層影響最大，該F5斷層產狀為132°∠107°，最大斷距為2.2 m，根據推斷，該斷層沿北東方向延展，從西向東沿31111運輸巷走向方向影響長度為25 m（65～90 m）。煤層未斷失，上盤頂板較堅硬變化較小，下盤頂板向煤層搓動，煤層底板面降低，斷層疊加區域（運輸巷70～75 m）煤層增厚至4.8 m。偽底為碳質頁巖，厚0.2～0.5 m，斷層影響帶煤巖層較破碎。

1.2 煤巖的可注性分析

煤層f系數大，致密，正常煤層內可注性較差[1]；煤層頂板、底板的巖性硬度大、致密，正常煤層頂、底板巖石內可注性較差；逆斷層內的煤巖層破碎帶寬度較小，所用注漿量不是很大；巷道所揭露的斷層處淺層，有少量裂隙、相對松動；大鉆孔注漿封孔較淺時，會沿斷層裂隙漏漿、亦從原支護錨桿和錨索孔（端錨支護）中漏漿，淺層抵擋不住高壓注漿而漏漿[2]；漏漿就停，4型料凝固快，停后無法注進，該鉆孔就不能再利用；由于斷層落差小，大鉆孔不易掌握角度，不易精準定位，鉆孔易偏離斷層面，進入煤層頂板堅硬巖層，注漿量小或注不進去；必須進行優化設計。

2 注漿原理分析

2.1 注漿加固機理

利用化學漿液來充填和固結圍巖的裂隙面，提高圍巖整體性，充分發揮圍巖整體承載能力，保持圍巖穩定[3]。對頂板破碎區密集加固，保證化學漿擴散到頂板松散破碎區域，阻止頂板巖層脫落，固定頂板及煤幫。漿液注入巖層滲透分布軌跡是以鉆孔為主干的樹枝網狀分布形式，漿液充填巖層中的大小裂隙，增強了其穩定性[4]。注漿固化后，頂板的抗彎能力增加，下沉量減小。巖體的內聚力C增大、塊體接觸面積S增大，巖體的穩定性系數提高。

2.2 頂板滑落破壞特征

式（2）中：r為擴散半徑，單位為cm；k為地層的滲透系數，6×10-3 cm/s，t為注漿時間，取3 600 s；r0為注裝管半徑（38 m的高壓管），2.2 cm；h為以cm水柱表示的注漿壓力，1 000 cm（P=0.1 MPa）；η為巖石孔隙率，取5%；μ為漿液的相對黏度，取2.7。當注漿壓力為4 MPa時，水泥砂漿擴散半徑為3.0 m；當注漿壓力為6 MPa時，水泥砂漿擴散半徑為3.4 m；當注漿壓力為8 MPa時，水泥砂漿擴散半徑為3.7 m。

3 注漿方案

3.1 注漿加固優化設計方案

3.1.1 總體步驟

第一步，淺層注漿封閉堵漏；第二步，深孔注漿固化斷層帶和煤體。（1）打鉆和注漿設備。淺孔注漿均采用鉆機打鉆，鉆頭規格為Φ50 mm；采用4分管（直徑Φ12.7 mm）進行注漿。采用電動注漿機注漿。淺孔注漿的目的為封堵錨桿錨索孔漏漿和斷層裂隙漏漿。（2）運輸巷封閉斷層處淺層，淺層注漿堵漏分三步走的方式進行。

3.1.2 注漿堵漏

先淺孔注漿，以封閉加固巷道內揭露斷層的圍巖（煤）。淺層形成封堵加固層，以利高壓注漿。運輸巷淺孔鉆孔布置：分上下兩排布置；上排孔：距煤層頂板向下1.4 m，排距6 m，孔深6 m；采用鉆機、鉆頭規格Φ50 mm打眼；鉆孔仰角55°，為順層孔，方位垂直運輸巷走向。采用4分管（直徑Φ12.7 mm）注漿；注漿管采用4分鍍鋅鐵管加工，每節長2 m，每孔2節注漿管，外端為實管，里端為花管，注漿管兩端有絲，絲距與連接套配合；使用止漿塞封孔器（規格38×350 mm）封孔，止漿塞封孔位置在孔深2 m處，注漿管安裝外露長100 mm。每孔使用1個2 m注漿實管+1個封孔器+1個連接套+2個注漿花管。下排孔：位置在回采幫頂角處，距上排孔約1.8 m；鉆孔仰角40°；排距6 m，孔深6 m；使用注漿管注漿，規格尺寸與上排孔一致。上下排孔均采用4型料注漿堵漏。

3.1.3 加強注漿固化淺層

在第一步注漿堵漏的基礎上，進一步加強注漿；方法是在第一步鉆孔中間布置加強注漿孔，鉆孔布置、規格與上排孔一致；并進行注漿。與前后鉆孔間距為3 m。

3.1.4 注漿效果檢查

在第一步注漿堵漏和第二步加強注漿固化淺層的基礎上，進行注漿效果檢驗。即在認為最薄弱的地點打一個注漿孔進行注漿檢驗，若注不進去時，注漿效果已達到要求。

3.2 運輸巷深孔注漿固化斷層

煤體及斷層的空間有6個方向，頂底板兩個方向為巖層，淺孔注漿已堵住一個方向；深孔注漿固化時，漿液只能向鉆孔的兩邊和前方擴散；漿液遇斷層時首先進入斷層面和裂隙而進行固化。

3.2.1 方法

分兩步施工。第一步：距頂板上角向下1.6 m布置鉆孔。深度35～40 m，方位垂直運輸巷回采幫，仰角為順層孔，即仰角55°，鉆孔間距6 m，并注漿。第二步：在第一步注漿的基礎上，在鉆孔之間打一個再進行注漿，若注不進去時，注漿效果已達到要求。

3.2.2 使用設備和工具

使用鉆機、直徑Φ75 mm的鉆頭打眼，直徑Φ32 mm的PVC管輸漿，兩堵一注的囊帶封孔，封孔深度3～6 m，以現場實際和實用為準。封孔時注漿有效的細節操作。鉆孔位置較高時，需設置腳手架，安全可靠。

4 穿越構造帶方法及措施

（1）根據工作面煤層賦層條件和穿越構造帶加固治理中注漿效果進行開采技術的配套。本次工作面過f5斷層中進行回采，首先采取上盤控制下盤、下盤挑頂留底煤、平滑過渡進入煤層疊加區域后再沿上盤頂板留底煤提架開采。期間工作面及下出口受采高及頂底板等因素影響時，及時采取相應拉架技術措施，確保過斷層順利開采。（2）過斷層期間當工作面回采至運輸巷90 m處，開始留底煤、切割偽頂、直接頂提架開采，留底煤提架起始階段割煤時留底一循，平割2～3循，一次留底高度不超過100 mm開采，將支架順利過渡到提架斜面后，按其正規循環操作推進至采過斷層面。（3）留底提架參數：從運輸巷90 m處開始留底提架，回采到機巷65 m位置時隨工作面繼續推進，工作面沿斷層線方向的煤層依次要進行割頂，直至斷層結束。該斷層走向留底提架長度為25～30 m，總提底高度約1.7 m，平均每推進一循環提底高度50 mm，整體提底坡度為4°。（4）過斷層期間要求：①嚴格控制斷層回采區域割煤質量，加強推溜移架管理；②在正常采高范圍內，在移架、調架過程中，嚴格按照作業規程、操作規程要求重點對支架重要參數進行調節控制，規范支架偽斜角、仰俯角、支架錯差等參數，過斷層區域能夠接頂的支架工作阻力要求達到支架不下滑范圍；③工作面嚴格控制直線度；④工作面留底割煤后，盡快通過推溜將所留底煤壓穩，留底段移架時要精準操作；⑤留底區域上、下行割煤時要避免將已留底煤誤割；⑥管控好割煤質量，嚴格控制頂底板平整度，杜絕出現嚴重起伏造成支架偏斜，中部槽啞鈴銷脫落、損壞等問題。工作面調整斷層段液壓支架及中部槽直線時，控制使用成組推溜，嚴禁強行推溜。

5 穿越構造帶施工安全技術工藝

（1）割煤過程嚴禁空頂、空幫。（2）過斷層區域工作面下段煤層底板面偏低，工作面割煤時控制好速度。處理下出口安全時工作面嚴禁其他工序作業。（3）作業人員要服從現場管理人員的統一指揮。（4）回采期間，移架工操作時，液壓支架下方嚴禁其他人員作業，工作面的語音信號必須保證完整、可靠。

6 效益

6.1 經濟效益

（1）按照當前31111綜采工作面4處逆斷層走向長度130 m，工作面斜長90 m，采高3.7 m，容重1.5，煤炭價格500元/t計算，則31111綜采工作面過構造帶開采創造經濟效益為130×90×3.7××500≈216.45萬元；（2）減少了綜采工作面搬家倒面次數，至少減少4個月的生產影響，按照綜采工作面月產量40 000 t，煤炭價格500元/t計算，可減少直接產量影響產值：40000×4×500=8000萬元；通過實施穿越構造帶破碎頂板加固治理，31111綜采工作面累計可創造經濟效益8 216.5萬元。

6.2 社會效益

石洞溝煤礦31111急傾斜智能化綜采工作面穿越構造帶破碎頂板加固技術研發與應用，取得的社會效益如下：（1）減少了煤炭資源損失量，提高了回采率；（2）工作面構造帶破碎頂板的成功加固，減少了煤礦冒頂事故，保障了煤礦安全生產；（3）工作面構造帶破碎頂板的成功加固，減少了工作面搬家倒面的次數，保障了急傾斜煤層智能化開采的正常生產。

7 結論

（1）該項目的推廣，順應煤炭行業歷經人力、炮采、機采，并向自動化、智能化方向的發展趨勢，遵循采煤產業促進生產效益、提高市場效益的發展必然規律。（2）響應了國家能源政策“十三五資源領域科技創新專項規劃”，推進煤炭資源向安全、綠色、智能、高效開發轉變。（3）貫徹了落實國家“機械化換人、自動化減人、科技強安”政策，助推煤炭行業 “四化”（機械化、自動化、信息化、智能化）。

參考文獻

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