黨 永(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)綜采辦公室,山西 大同037003)

1 前言

斷層是煤炭回采時(shí)常見的地質(zhì)構(gòu)造,在斷層作用下地層、煤層連續(xù)性遭到破壞,工作面過斷層期間容易出現(xiàn)冒頂、煤壁片幫等事故,給工作面回采安全帶來嚴(yán)重威脅[1-3]。因此,眾多的研究學(xué)者及技術(shù)人員對(duì)工作面過斷層技術(shù)及破碎圍巖控制技術(shù)展開研究,其中史之印等[4]提出采用鋪設(shè)金屬網(wǎng)方式控制斷層破碎帶圍巖,并取得顯著圍巖控制效果;焦小建等[5]提出采用深孔松動(dòng)爆破+深孔注水+圍巖注漿等方式過斷層,確保了綜放工作面過斷層安全。本文以山西某礦501101 綜放工作面過DF27 斷層為工程背景,提出采用注漿方式控制斷層影響帶內(nèi)破碎巖層,確保了工作面過斷層安全。

2 工程概況

501101工作面為501 采區(qū)首個(gè)回采工作面,工作面開切眼斜長、可采長度分別為180m、2 090m,回采的11#煤厚度平均11.5m、傾角4°。工作面采用綜放開采工藝,采煤、放煤高度分別為3.5m、8.0m,采放比為1∶2.22。11#煤頂板直接頂、基本頂分別為厚度3.5m 砂質(zhì)泥巖、厚度10.5m 粉砂巖;直接底為厚度5.4m 鋁質(zhì)泥巖。工作面回采時(shí)采煤機(jī)型號(hào)為MG500/1330-WD,前部、后部輸送機(jī)型號(hào)分別為SGZ1000/2×855、SGZ1200/2×855,綜放支架為ZF13000/21/40。

根據(jù)三維地質(zhì)勘探資料以及回采巷道掘進(jìn)揭露地質(zhì)資料,預(yù)計(jì)501101 工作面推進(jìn)至1020m 位置會(huì)揭露DF27 斷層(H=18m,152°∠65°～70°),斷層破碎帶內(nèi)巖層、煤體破碎,工作面推進(jìn)至斷層位置預(yù)計(jì)會(huì)見矸。501101 綜放工作面與DF27 斷層位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工作面與斷層位置關(guān)系示意圖

3 斷層破碎帶注漿加固技術(shù)

3.1 松動(dòng)爆破

根據(jù)斷層及煤層賦存情況,預(yù)計(jì)工作面揭露斷層期間會(huì)見矸。工作面回采時(shí)可根據(jù)巖層硬度、厚度調(diào)整工作面生產(chǎn)情況從而減少破巖工作量[6]。當(dāng)工作面破巖厚度在600mm 以上時(shí)且?guī)r層堅(jiān)硬時(shí),采用松動(dòng)爆破方式輔助采煤機(jī)破巖。

(1)采用型號(hào)YT-28 鑿巖鉆機(jī)鉆進(jìn),破碎孔深度、間距分別為1.5m、1.0m,每個(gè)炮眼內(nèi)裝藥量控制在0.4kg 以內(nèi),采用黃泥封孔。

(2)引爆雷管選用毫秒延時(shí)電雷管,炸藥選用煤礦許用三級(jí)乳化炸藥,單卷重量為0.28kg。

(3)爆破孔采用一次裝藥、一次引爆方式,一次引爆的爆破孔數(shù)量控制在3 個(gè)以內(nèi)。

3.2 破碎圍巖注漿加固

受到DF27 斷層影響,工作面頂板、煤層松軟破碎,若不對(duì)頂板、煤壁進(jìn)行加固,工作面在過斷層期間可能出現(xiàn)煤壁片幫、頂板冒落問題,從而給工作面回采安全帶來不利影響[7-8]。為了確保工作面回采安全,提出采用注漿方式對(duì)斷層影響范圍內(nèi)的破碎煤巖體進(jìn)行加固注漿。

3.2.1 回采巷道超前注漿

1)加固鉆孔布置

為了降低注漿對(duì)工作面回采影響,提出在工作面回采巷道內(nèi)布置注漿鉆孔對(duì)破碎煤巖體進(jìn)行注漿加固。具體注漿加固范圍為推進(jìn)1 020～1 120m,共計(jì)加固100m 范圍,其中運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷加固范圍分別為50m。

圖2 運(yùn)輸巷注漿鉆孔布置示意圖

在回采巷道內(nèi)布置的注漿孔孔深為30～50m,鉆孔間距均為3.0m,開孔位于巷道底板1.0m 位置,鉆孔均垂直巷幫施工,傾角均為8°(運(yùn)輸巷傾角+8°、回風(fēng)巷傾角-8°)。具體運(yùn)輸巷內(nèi)注漿孔布置如圖2所示。

2)注漿壓力及材料

在工作面回采巷道巷道內(nèi)布置的注漿孔注漿壓力控制在6～8MPa。

化學(xué)注漿漿液加固效率高、效果好,但是加固成本高;水泥注漿材料注漿成本低,但是注漿工藝復(fù)雜。為了降低注漿成本,注漿以水泥漿為主,若注漿效果不佳時(shí)選用化學(xué)漿液(聚氨酯)。單孔注入的水泥漿量為315～630m3。

3)封孔

封孔質(zhì)量直接影響注漿加固效果,選用注漿塞封孔時(shí)由于注漿壓力大,存在漏漿嚴(yán)重問題。因此,對(duì)鉆孔封孔工藝進(jìn)行改進(jìn),封孔長度為3.0m,具體改進(jìn)后的鉆孔封孔結(jié)構(gòu)如圖3所示,封孔材料包括有麻繩、無縫鋼管(封孔管)。在長度3 000mm 封孔管兩側(cè)纏繞麻繩,從而降低馬麗散泄露量;長度6 000mm無縫鋼管用以注漿。

圖3 注漿鉆孔封孔結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 工作面內(nèi)輔助注漿

在工作面回采過斷層期間,在回采巷道內(nèi)布置注漿鉆孔加固斷層帶內(nèi)破碎圍巖。當(dāng)工作面回采遇局部區(qū)域圍巖破碎或者加固效果不佳區(qū)域時(shí),在工作面內(nèi)布置注漿鉆孔進(jìn)行輔助加固。

輔助加固鉆孔孔深為6.0m、間距1.75m、傾角15°,開孔位于支架頂梁下方500mm 位置,具體布置如圖4所示。注漿材料選用化學(xué)漿液(聚氨酯),注漿壓力為4MPa。

圖4 工作面內(nèi)輔助注漿

3.3 過斷層期間頂板管理措施

(1)工作面在過DF27 斷層期間應(yīng)及時(shí)移架,即采煤機(jī)回采過后應(yīng)立即伸出支架伸縮梁對(duì)頂板巖層進(jìn)行控制。若頂板巖層破碎時(shí)應(yīng)通過帶壓移架方式控制頂板,縮短頂板無支護(hù)暴露時(shí)間。

(2)避免生產(chǎn)時(shí)支架頂梁完全脫離頂板,防止頂板大面積出現(xiàn)冒頂。液壓支架升架時(shí),應(yīng)穩(wěn)定供液3～5s,確保液壓支架初撐力可達(dá)到額定工作阻力的80%以上。

(3)嚴(yán)格控制工作面回采高度,嚴(yán)禁出現(xiàn)超高開采,必要時(shí)可適當(dāng)降低工作面回采高度。

(4)強(qiáng)化工作面綜放設(shè)備管理,確保支架平直,避免出現(xiàn)錯(cuò)差、跳臺(tái)等問題。合理組織工作面生產(chǎn),提高工作面回采速度。

4 斷層破碎帶注漿加固效果分析

在工作面回采巷道內(nèi)采用2 臺(tái)2TGZ-60 注漿泵進(jìn)行注漿,運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷內(nèi)分別布置17 個(gè)注漿孔,共計(jì)注入12t 水泥漿、23m3水泥漿;工作面過斷層期間共布置3 個(gè)輔助注漿鉆孔。待注漿完成后,工作面過斷層期間未出現(xiàn)頂板冒落、煤壁片幫問題,取得顯著的圍巖加固效果。具體在注漿點(diǎn)位置獲取到的煤巖樣品如圖5所示,從圖中看出注漿漿液在煤巖體內(nèi)膠結(jié)成骨架,有效提高了圍巖承載能力及穩(wěn)定性。

圖5 注漿后破碎煤巖內(nèi)裂隙加固效果

5 結(jié)論

(1)501101 工作面過斷層期間采用松動(dòng)爆破方式對(duì)弱化工作面內(nèi)厚度600mm 以上的矸石進(jìn)行爆破,從而達(dá)到降低采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)磨耗目的,提高工作面生產(chǎn)效率。工作面過斷層期間保持6m/d的推進(jìn)速度,耗時(shí)17d 通過DF27 斷層影響帶。

(2)根據(jù)501101 工作面、DF27 斷層賦存情況提出在回采巷道超前注漿、工作面內(nèi)輔助注漿方式加固斷層破碎帶圍巖,并對(duì)注漿加固方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。注漿完成后,斷層破碎帶內(nèi)圍巖穩(wěn)定性顯著提升,有效避免了工作面回采期間頂板冒落、煤壁片幫等安全風(fēng)險(xiǎn)。