王啟南

（大同煤礦集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037000）

四臺(tái)礦8735 工作面屬12-1#與12-2#合并煤層，煤層整體呈南北高中間低的向斜構(gòu)造。煤層厚度為2.1～2.3 m，平均2.2 m，煤層傾角平均2°，與上覆11#層層間距為6.6～13.65 m，平均層間距9.5 m。8735 工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度352 m，可采走向長(zhǎng)度280 m，傾斜長(zhǎng)度162.3 m，采高2.4 m。在工作面中間位置切巷揭露一條落差為1.5 m 的正斷層，預(yù)計(jì)影響工作面走向范圍35 m 左右。

1 工作面過(guò)斷層方案

由于落差1.5 m 相對(duì)較小，所以采用保留底部煤層，保持采高不變，切割上頂板的方法[1]。利用這一辦法，可以使工作面頂板一直為巖層，能夠保證巖層的穩(wěn)定性。該斷層為正斷層，貫穿整個(gè)工作面，斷層走向?yàn)?5°，傾向?yàn)?5°，傾角為79°。具體實(shí)施方法如圖1 所示。

根據(jù)液壓支架最大起坡角（一般為7°）、斷層傾角（79°）、斷距（1.5 m）以及工作面采高（2.4 m）等參數(shù)可以算出起坡點(diǎn)位置L1 及L2 的長(zhǎng)度分別為24.55 m 和22.60 m，也就是大約在距離斷層25 m 左右處，即在工作面推進(jìn)110 m 時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行起坡施工。

圖1 工作面過(guò)斷層方法示意圖

2 斷層破碎帶控制

2.1 破碎帶注漿加固

注漿加固技術(shù)是目前針對(duì)破碎圍巖控制效果比較好的一種措施[2-3]，目前在各大煤礦中應(yīng)用較為廣泛。注漿加固技術(shù)主要原理為，通過(guò)對(duì)工作面煤巖層注漿，能夠?qū)⑵扑閹У拿簬r體進(jìn)行重新固結(jié)，這樣會(huì)使其重新恢復(fù)承載能力。注漿材料一般為瑪麗散[4]，瑪麗散是一種低粘度的高分子樹(shù)脂材料，在遇水和催化劑時(shí)會(huì)產(chǎn)生膨化產(chǎn)物。這種產(chǎn)物具有較大的粘結(jié)密實(shí)性，通過(guò)高壓泵將這種膨化產(chǎn)物泵送到煤巖破碎區(qū)中，使其可以與煤巖體進(jìn)行粘結(jié)，將破碎煤巖體重新粘結(jié)在一起形成新的整體，很大程度上提高了巷道圍巖的強(qiáng)度以及煤層頂?shù)装宓姆€(wěn)定性。

根據(jù)以前工作面相似斷層的壓力顯現(xiàn)情況，在上盤推進(jìn)到距離斷層30 m 左右時(shí)，液壓支架支撐壓力開(kāi)始逐漸增加，表明工作面開(kāi)始受到斷層影響；在到達(dá)斷層附近15 m 左右范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)現(xiàn)頂板高出由斷層延伸過(guò)來(lái)的裂縫，此時(shí)支架支撐壓力快速增加；在工作面通過(guò)斷層到達(dá)下盤后，支架壓力開(kāi)始降低，并逐漸到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定可控的水平。所以在斷層上盤推進(jìn)時(shí)，壓力異常在距離斷層30 m 時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，而實(shí)際斷層的破碎帶范圍在斷層15 m 范圍內(nèi)，結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮在斷層前20 m 與過(guò)斷層15 m 范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固。

2.2 注漿參數(shù)確定

根據(jù)8735 綜采工作面實(shí)際情況，確定工作面的注漿孔布置形式如圖2 所示。

圖2 注漿孔布置圖

（1）布孔設(shè)計(jì)

8735 綜采工作面注漿孔布置方式如圖2 所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際頂?shù)装迤扑橐约肮ぷ髅婷罕诹严栋l(fā)育情況，確定注漿孔深度6 m，注漿孔直徑42 mm 以上，封孔器在距離孔口1.5～2 m左右的位置進(jìn)行封孔。在工作面上布設(shè)兩排注漿孔，目的是為了保證注漿效果。第一排注漿孔距離頂板0.4 m，且與水平向上呈15°進(jìn)行布置；第二排距底板0.8 m，與水平向上呈5°進(jìn)行布置。

（2）布孔間距

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)在正式施工前的試注測(cè)試以及在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的材料滲透性，得出注漿材料在此煤巖破碎環(huán)境下的滲透半徑大致為2.5 m 左右。為確保注漿效果，確定工作面注漿孔間距為4 m。

（3）單孔注漿量

單孔注漿量是決定注漿加固效果好壞的重要參數(shù)。影響注漿量的因素有注漿時(shí)間、煤巖層破碎程度以及注漿壓力。根據(jù)相關(guān)的理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試注獲得的直接效果，確定工作面單孔注漿量為300 kg，且采用間歇式注漿方式。

（4）注漿壓力

注漿效果的好壞和注漿壓力直接相關(guān)。在注漿過(guò)程中，如果注漿壓力過(guò)大，容易造成煤巖體進(jìn)一步劈裂破碎，進(jìn)而導(dǎo)致注漿液體流失，且壓力過(guò)大容易導(dǎo)致工作面煤壁發(fā)生片幫；如果注漿壓力過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致注漿液體在破碎煤巖體內(nèi)部擴(kuò)散不充分，會(huì)使破碎煤巖體中注漿材料充填不密實(shí)，從而導(dǎo)致注漿材料與破碎煤巖之間凝結(jié)效果較差，進(jìn)而注漿加固效果較差。為了保證合理的注漿壓力，依據(jù)礦井以往的注漿施工資料以及現(xiàn)場(chǎng)試注試驗(yàn)，確定此煤巖破碎條件下的注漿壓力范圍為10～12 MPa。

2.3 注漿施工工藝

如圖3 為注漿設(shè)備裝配示意圖，圖中各標(biāo)號(hào)分別為：1-注漿管；2-封孔器；3-鐵管；4-注射槍；5-高壓膠管；6-注射泵；7-催化劑；8-瑪麗散。具體施工步驟有如下四步。

圖3 注漿設(shè)備裝配圖

（1）組裝設(shè)備。首先將高壓注射泵與圖中相關(guān)部件進(jìn)行組裝，然后將注射槍與注射鐵管進(jìn)行連接，在設(shè)計(jì)要求的位置組裝封孔器。設(shè)備組裝完成后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注射試驗(yàn)，檢查設(shè)備的安全可靠性。

（2）開(kāi)始注漿。通過(guò)兩個(gè)吸管將催化劑與瑪麗散抽送到注射泵中進(jìn)行充分混合，隨后進(jìn)入注射槍內(nèi)，混合漿液再通過(guò)注射槍與注漿管最后進(jìn)入注射孔內(nèi)，注射漿液在高壓作用下滲入破碎煤巖體中，從而完成凝結(jié)加固。

（3）停止注漿。當(dāng)單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)要求或注射漿體已充分?jǐn)U散到目標(biāo)位置，達(dá)到了單孔注漿要求時(shí)停止注漿，并沖洗注漿設(shè)備。

（4）重復(fù)上述操作，直至所有孔注漿結(jié)束。

3 過(guò)斷層技術(shù)方法

（1）在過(guò)斷層前，提前對(duì)工作面兩條巷道進(jìn)行加固及接頂支護(hù)。以回風(fēng)順槽為例，在確定好接頂線及位置后（本文為距離斷層25 m 處），架設(shè)工字鋼棚，并利用錨索將工字鋼棚鎖牢。

（2）在工作面起坡后，在工作面兩端頭20 架范圍內(nèi)沿著坡度進(jìn)行逮頂剎底，且將剎底幅度控制在10°左右。隨后工作面每回采1 刀，液壓支架逮頂剎底的范圍由兩端向中間各增加10 架，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，隨著距離斷層越來(lái)越近，逐步加大剎底幅度。

（3）在過(guò)斷層期間，為了避免矸石過(guò)大而導(dǎo)致煤機(jī)發(fā)生塞堵，由原來(lái)的雙向截煤方式變?yōu)閱蜗蛳滦薪孛悍绞?。同時(shí)為了保證運(yùn)輸系統(tǒng)的順暢，在帶式輸送機(jī)機(jī)尾以及轉(zhuǎn)載機(jī)處設(shè)專人對(duì)出現(xiàn)的扁平及大塊矸石進(jìn)行破除，防止破碎機(jī)無(wú)法破碎而導(dǎo)致系統(tǒng)塞堵，影響工作面正常生產(chǎn)。

（4）加快工作面推進(jìn)速度。加快工作面的推進(jìn)速度可以避免由于支架長(zhǎng)期處于高壓作用下而使支架壓死的情況發(fā)生。可適當(dāng)減小割煤進(jìn)刀量，提高割煤機(jī)走車速度，以此來(lái)加快工作面的快速推進(jìn)。

（5）做好嚴(yán)格的設(shè)備檢修以及圍巖壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作。在過(guò)斷層期間，一定要?jiǎng)討B(tài)檢查設(shè)備的安全可靠性，對(duì)存在問(wèn)題的設(shè)備及時(shí)進(jìn)行維護(hù)修理，保證工作面安全快速的推進(jìn)。同時(shí)要求相關(guān)技術(shù)人員做好圍巖壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，針對(duì)出現(xiàn)的壓力異常情況，及時(shí)進(jìn)行匯報(bào)并處理。

4 巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)

為進(jìn)一步說(shuō)明注漿加固技術(shù)以及相應(yīng)過(guò)斷層技術(shù)方法對(duì)巷道圍巖控制的效果，對(duì)過(guò)斷層期間巷道圍巖變形量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。圖4（a）為11#8735 面過(guò)斷層時(shí)監(jiān)測(cè)的巷道圍巖變形量，由于斷距較小，所以并沒(méi)有采取任何加強(qiáng)措施。圖4（b）為12#8735面過(guò)斷層巷道變形量的監(jiān)測(cè)結(jié)果。兩次監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)都布置在斷層下盤距離斷層15 m處。由圖可以看出，采取相關(guān)加強(qiáng)措施的巷道圍巖變形量整體較未采取措施的巷道明顯減小，且12#8735 面的斷層斷距大，煤巖破碎范圍廣，更加說(shuō)明了注漿加固及相關(guān)回采工藝改進(jìn)對(duì)過(guò)斷層整體穩(wěn)定性控制的效果顯著。兩圖中都可以看出巷道圍巖變形量隨工作面的推進(jìn)表現(xiàn)為先增高后降低再升高的變化形式，其中降低點(diǎn)是在距離測(cè)點(diǎn)15 m左右處，也就是剛過(guò)斷層的位置，這與支架壓力變化情況相符合。證明在過(guò)斷層后，斷層所形成的構(gòu)造應(yīng)力得到釋放，頂板壓力減小，圍巖變形有所收縮。隨著回采工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板壓力以及圍巖變形量再次增加，進(jìn)入了正常的壓力及圍巖變形隨工作面距離變化的規(guī)律情形。

圖4 巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

5 結(jié)論

（1）針對(duì)斷距為1.5 m 這一斷層，提出切割上盤頂板、保留底板煤層的方法來(lái)通過(guò)斷層。通過(guò)相關(guān)計(jì)算，確定了工作面起坡位置，即在距離斷層25 m 左右開(kāi)始起坡。

（2）對(duì)斷層破碎帶的控制，采用催化劑與瑪麗散混合注入破碎煤巖層，從而使破碎煤巖層重新固結(jié)，提高圍巖的穩(wěn)定性。確定了注漿范圍為斷層前20 m，斷層后15 m，以及注漿孔位置、傾角、孔間距、單孔注漿量和注漿壓力等相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

（3）提出了過(guò)斷層期間工作面相關(guān)回采工藝，即加快工作面推進(jìn)速度、提高支架初撐力、加強(qiáng)頂板支護(hù)以及過(guò)斷層期間做好嚴(yán)格的設(shè)備檢修以及圍巖動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作。

（4）根據(jù)過(guò)斷層期間巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，表明注漿加固及回采工藝改進(jìn)對(duì)過(guò)斷層工作面整體穩(wěn)定性控制效果顯著，進(jìn)一步說(shuō)明了過(guò)斷層時(shí)頂板壓力的變化規(guī)律情況。