史 曉 捷

（大同煤礦集團(tuán)朔煤小峪煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

0 引 言

回采工作面過(guò)斷層時(shí)由于頂板巖層破碎，容易出現(xiàn)漏矸、片幫以及冒頂?shù)仁鹿?，給煤炭開(kāi)采安全帶來(lái)威脅，因此，煤巖體穩(wěn)定性控制對(duì)確保采面生產(chǎn)安全極為重要[1~2]。眾多的研究學(xué)者對(duì)采面過(guò)斷層期間煤壁片幫機(jī)理、過(guò)斷層礦壓顯現(xiàn)以及過(guò)斷層技術(shù)等方面展開(kāi)研究，并從注漿加固、施工錨網(wǎng)索等方面提出破碎圍巖穩(wěn)定性控制措施，取得一定的應(yīng)用成果[3~4]。由于采面過(guò)斷層期間煤巖失穩(wěn)機(jī)理復(fù)雜、致災(zāi)類型繁多，有必要針對(duì)采面過(guò)斷層實(shí)際情況制定針對(duì)性煤巖協(xié)同控制措施，提高煤巖體穩(wěn)定性[5~6]。文中就以小峪礦8104 綜采工作面過(guò)斷層為工程背景，對(duì)礦井采區(qū)的煤巖協(xié)同控制技術(shù)進(jìn)行闡述。

1 工程概況

隨著礦井采掘深度增加，回采工作面需要頻繁穿越各種地質(zhì)構(gòu)造，特別是采面開(kāi)采過(guò)斷層期間在采動(dòng)動(dòng)壓影響下斷層區(qū)域煤巖容易失穩(wěn)、卸載，誘發(fā)采面附件煤巖體大范圍失穩(wěn)、冒落，嚴(yán)重制約礦井生產(chǎn)安全。小峪礦8104 工作面開(kāi)采19 號(hào)煤層，煤層平均厚3.2 m、埋深平均320 m，采面開(kāi)采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，煤巖體力學(xué)強(qiáng)度較低。在采面采動(dòng)動(dòng)壓影響下采面開(kāi)采范圍內(nèi)部分?jǐn)鄬踊罨⑹Х€(wěn)，極其容易出現(xiàn)大面積冒頂、片幫等事故。同時(shí)采面開(kāi)采的19 號(hào)煤層為I 類容易自燃煤層，在采面過(guò)斷層期間由于推進(jìn)速度緩慢，極其容易引發(fā)遺煤自燃問(wèn)題。具體礦井附近其他礦井19 號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)斷層出現(xiàn)災(zāi)害情況見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)采過(guò)斷層期間出現(xiàn)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)事故圖

采面揭露斷層期間是斷層活化、災(zāi)害多發(fā)階段，在采動(dòng)動(dòng)壓以及頂板壓力疊加作用下采面頂板巖層受力急劇加大，導(dǎo)致采面內(nèi)原有的錨桿、錨索支護(hù)體系失效，誘發(fā)煤壁片幫、頂板冒落以及支架倒架等事故。采面開(kāi)采范圍內(nèi)DF103 斷層（H=1.8 ~ 4.5 m，122°∠49°）對(duì)回采有較大影響，該斷層從機(jī)巷橫穿進(jìn)入回采工作面，深入采面距離約為58 m，具體斷層發(fā)育位置見(jiàn)圖2 所示。

圖2 斷層發(fā)育位置示意圖

2 煤巖體失穩(wěn)致災(zāi)分析

根據(jù)地質(zhì)勘探資料顯示，19 號(hào)煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)為強(qiáng)度低、互層、堅(jiān)固性差的松軟泥巖、砂質(zhì)泥巖以粉砂巖，容易風(fēng)化，抗水浸能力差。8104 綜采工作面開(kāi)采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，煤巖體內(nèi)裂隙、節(jié)理發(fā)育，縱橫交錯(cuò)，煤巖體強(qiáng)度低，從而進(jìn)一步弱化DF103 斷層附近煤巖體強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

斷層在8104 采面采動(dòng)動(dòng)壓影響下，附近強(qiáng)度較低的煤巖體發(fā)生片幫、頂板冒落以及煤巖體失穩(wěn)等災(zāi)害概率會(huì)顯著增加。當(dāng)采面推進(jìn)至斷層附近時(shí)，原本處于相對(duì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)完整的煤巖體在采動(dòng)動(dòng)壓作用下變成松散結(jié)構(gòu)，加之?dāng)鄬痈浇鼧?gòu)造應(yīng)力作用極其在局部位置引起應(yīng)力集中，從而使得采面頂板巖層出現(xiàn)冒落事故（如圖1（b）所示）；斷層在采動(dòng)動(dòng)壓作用下局部巖層出現(xiàn)滑移，嚴(yán)重時(shí)使得斷層結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)從而誘發(fā)礦壓異?，F(xiàn)象情況。

3 采面過(guò)斷層煤巖體協(xié)同控制技術(shù)

3.1 煤巖體內(nèi)部耦合控制

煤巖體協(xié)同控制方法是基于注漿加固+ 錨桿（索）支護(hù)來(lái)共同提高破碎煤巖體承載能力，在注漿漿液、錨桿協(xié)同作用下使得錨注加固范圍內(nèi)煤巖體形成一個(gè)環(huán)狀承載單元。注漿漿液充填煤巖體內(nèi)裂隙，從而固結(jié)原本松散的煤炭體并改善煤巖體力學(xué)性質(zhì)，提高煤巖體自身承載能力。錨桿（索）適宜于控制頂板以及煤壁失穩(wěn)煤巖體，通過(guò)錨桿（索）將易冒落巖體固定到深部穩(wěn)定巖體上，從而控制頂板巖層冒落及離層量；在采面或回采巷道內(nèi)煤壁嚴(yán)重時(shí)可通過(guò)施工錨桿來(lái)提升煤巖體整體強(qiáng)度，制約破碎區(qū)、塑性區(qū)發(fā)展。

3.1.1 注 漿

注漿加固是煤巖體穩(wěn)定性內(nèi)部控制的主要方面，在采面受斷層影響顯著范圍內(nèi)布置2 排鉆孔，開(kāi)孔分別距19 號(hào)煤層底板1.8、2.5 m，鉆孔鉆進(jìn)深度均為3.2 m、孔徑均為42 mm，傾角分別為15°、45°。鉆孔施工完成后，采用6 號(hào)注漿管向鉆孔內(nèi)注入水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在0.8~1.0 MPa。

3.1.2 錨桿（索）施工

施工錨桿（索）可給斷層影響附近破碎煤巖體施加一定約束力，錨桿用以降低或者避免淺層松軟煤巖體出現(xiàn)擴(kuò)散、離層，錨索將破碎煤炭體與深部穩(wěn)定巖層形成統(tǒng)一承載單元。針對(duì)8104 綜采工作面開(kāi)采動(dòng)壓影響情況，采用金屬錨桿加固頂板破碎巖體、桁架錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。具體在斷層影響范圍區(qū)間內(nèi)采面錨桿（索）布置情況見(jiàn)圖3。

圖3 采面錨桿（索）布置示意圖

采面支架頂板上布置螺紋鋼錨桿（規(guī)格20 mm×2 500 mm），間排距為800 mm×800 mm，預(yù)緊力矩150N·m、錨固力50 kN；錨索采用鋼絞線（規(guī)格φ15.6 mm×7 300 mm） 間排距為 1 700 mm×3 000 mm。在采面煤壁上施工玻璃鋼錨桿（φ18mm×2 000 mm）,預(yù)緊力矩 150 N·m、錨固力 50 kN。

3.2 外部控制

煤巖體外部控制是通過(guò)采用鉸頂、控制回采設(shè)備等方式提升采面沒(méi)掩體整體穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)斷層影響區(qū)域內(nèi)破碎煤巖體綜合治理。

3.2.1 煤壁片幫及冒頂控制

煤壁穩(wěn)定性對(duì)實(shí)現(xiàn)采面高效、安全開(kāi)采具有十分重要的影響，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及以往研究成果表明，40%頂板煤巖失穩(wěn)發(fā)生在支架移架過(guò)程中、60%頂板冒落出現(xiàn)在支架頂梁前端片幫區(qū)域內(nèi)[7~8]。當(dāng)采面煤壁片幫嚴(yán)重、頂板出現(xiàn)大面積懸空時(shí)應(yīng)采取措施適當(dāng)前移液壓支架對(duì)頂板進(jìn)行支撐；當(dāng)頂板破碎時(shí)采用帶壓移架方式并確保支架頂梁接頂；當(dāng)遇縱深較大片幫時(shí)則采用布設(shè)鋼梁、絞頂?shù)确绞娇刂浦雾敯濉?/p>

3.2.2 護(hù)幫板約束

在采面液壓支架選型時(shí)就應(yīng)對(duì)護(hù)幫板進(jìn)行加寬，并在頂梁以及掩護(hù)梁上配置側(cè)護(hù)機(jī)構(gòu)（可伸縮），適當(dāng)增大護(hù)幫千斤頂護(hù)幫力。采用護(hù)幫裝置以及液壓支架前探梁支護(hù)采面煤壁，避免出現(xiàn)大面積片幫問(wèn)題。支架伸縮梁動(dòng)作與采煤機(jī)割煤相協(xié)調(diào)，割煤后及時(shí)伸出護(hù)幫板。在采面刮板輸送機(jī)端頭、機(jī)尾空頂區(qū)域內(nèi)采用單體進(jìn)行約束控制。

3.2.3 增加支架工作阻力

在采面過(guò)斷層期間應(yīng)適當(dāng)提升液壓支架工作阻力，從而在一定程度上降低支架端頭應(yīng)力集中程度。液壓支架工作阻力不僅能滿足平衡頂板壓力需要而且能滿足強(qiáng)烈動(dòng)壓影響時(shí)礦壓控制。強(qiáng)化采面液壓支架檢修，確保乳化液泵站提供的乳化液壓力在30 MPa 以上。

3.2.4 調(diào)整采高

煤壁片幫與采高密切相關(guān)，采高增加時(shí)煤壁片幫幾率會(huì)隨之加大。在采面過(guò)斷層時(shí)將采面采高由3.2 m 降低至2.8 m，且過(guò)斷層期間嚴(yán)格按照設(shè)定要求控制采高，采煤機(jī)割煤速度以及采深，從而降低采面回采對(duì)斷層擾動(dòng)。嚴(yán)格遵循超前移架、帶壓移架相關(guān)措施要求，盡量減少液壓支架立柱收縮量。

4 控制效果分析

采用鉆孔窺視技術(shù)對(duì)斷層影響帶范圍內(nèi)的破碎圍巖控制效果進(jìn)行分析。在采面機(jī)巷內(nèi)施工窺視鉆孔，孔深3.5 m，具體獲取到孔深1.5、2.3 m 位置處鉆孔孔壁圖像見(jiàn)圖4。

圖4 鉆孔孔壁圖像

從窺視結(jié)果得知，通過(guò)注漿加固后注漿漿液充填斷層破碎帶裂隙，在鉆孔內(nèi)僅有少數(shù)位置存在有裂隙，破碎圍巖經(jīng)注漿后膠結(jié)成一整體，抗變形破壞能力顯著提升。同時(shí)采面在回采過(guò)斷層過(guò)程中未出現(xiàn)頂板冒落、煤壁大范圍片幫問(wèn)題，僅有局部出現(xiàn)片幫深度在0.4 m 以內(nèi)小片幫；采面礦壓顯現(xiàn)正常。表明，文中提出的煤巖體協(xié)同控制技術(shù)用以采面過(guò)斷層圍巖控制效果顯著。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）回采工作過(guò)斷層時(shí)制約生產(chǎn)安全的一個(gè)重要方面即為煤巖體破碎，導(dǎo)致頂板、煤壁控制困難。提出采用煤巖體協(xié)同控制技術(shù)對(duì)采面破碎圍巖進(jìn)行控制，具體：采用注漿使破碎煤巖體膠結(jié)成一個(gè)整體，通過(guò)錨桿（索）提高煤巖體相互適應(yīng)能力；采用采面煤壁片幫、冒頂控制措施、提升支架載荷并調(diào)整采高等外部控制措施降低煤巖體影響。

2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，斷層破碎帶內(nèi)煤巖體穩(wěn)定性及承載能力顯著提升，采面過(guò)斷層期間未有大范圍片幫、冒頂?shù)仁鹿拾l(fā)生，確保了采面回采安全。