史 曉 捷

（大同煤礦集團朔煤小峪煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

0 引 言

回采工作面過斷層時由于頂板巖層破碎，容易出現(xiàn)漏矸、片幫以及冒頂?shù)仁鹿?，給煤炭開采安全帶來威脅，因此，煤巖體穩(wěn)定性控制對確保采面生產(chǎn)安全極為重要[1~2]。眾多的研究學者對采面過斷層期間煤壁片幫機理、過斷層礦壓顯現(xiàn)以及過斷層技術(shù)等方面展開研究，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]。由于采面過斷層期間煤巖失穩(wěn)機理復(fù)雜、致災(zāi)類型繁多，有必要針對采面過斷層實際情況制定針對性煤巖協(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 綜采工作面過斷層為工程背景，對礦井采區(qū)的煤巖協(xié)同控制技術(shù)進行闡述。

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，特別是采面開采過斷層期間在采動動壓影響下斷層區(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，嚴重制約礦井生產(chǎn)安全。小峪礦8104 工作面開采19 號煤層，煤層平均厚3.2 m、埋深平均320 m，采面開采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，煤巖體力學強度較低。在采面采動動壓影響下采面開采范圍內(nèi)部分斷層活化、失穩(wěn)，極其容易出現(xiàn)大面積冒頂、片幫等事故。同時采面開采的19 號煤層為I 類容易自燃煤層，在采面過斷層期間由于推進速度緩慢，極其容易引發(fā)遺煤自燃問題。具體礦井附近其他礦井19 號煤層開采過斷層出現(xiàn)災(zāi)害情況見圖1。

圖1 開采過斷層期間出現(xiàn)災(zāi)害現(xiàn)場事故圖

采面揭露斷層期間是斷層活化、災(zāi)害多發(fā)階段，在采動動壓以及頂板壓力疊加作用下采面頂板巖層受力急劇加大，導致采面內(nèi)原有的錨桿、錨索支護體系失效，誘發(fā)煤壁片幫、頂板冒落以及支架倒架等事故。采面開采范圍內(nèi)DF103 斷層（H=1.8 ~ 4.5 m，122°∠49°）對回采有較大影響，該斷層從機巷橫穿進入回采工作面，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 號煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)為強度低、互層、堅固性差的松軟泥巖、砂質(zhì)泥巖以粉砂巖，容易風化，抗水浸能力差。8104 綜采工作面開采范圍內(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，煤巖體強度低，從而進一步弱化DF103 斷層附近煤巖體強度及穩(wěn)定性。

斷層在8104 采面采動動壓影響下，附近強度較低的煤巖體發(fā)生片幫、頂板冒落以及煤巖體失穩(wěn)等災(zāi)害概率會顯著增加。當采面推進至斷層附近時，原本處于相對穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)完整的煤巖體在采動動壓作用下變成松散結(jié)構(gòu)，加之斷層附近構(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）；斷層在采動動壓作用下局部巖層出現(xiàn)滑移，嚴重時使得斷層結(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）支護來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)煤壁嚴重時可通過施工錨桿來提升煤巖體整體強度，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，開孔分別距19 號煤層底板1.8、2.5 m，鉆孔鉆進深度均為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8104 綜采工作面開采動壓影響情況，采用金屬錨桿加固頂板破碎巖體、桁架錨索進行補強支護。具體在斷層影響范圍區(qū)間內(nèi)采面錨桿（索）布置情況見圖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采用鉸頂、控制回采設(shè)備等方式提升采面沒掩體整體穩(wěn)定性，實現(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)定性對實現(xiàn)采面高效、安全開采具有十分重要的影響，現(xiàn)場實測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]。當采面煤壁片幫嚴重、頂板出現(xiàn)大面積懸空時應(yīng)采取措施適當前移液壓支架對頂板進行支撐；當頂板破碎時采用帶壓移架方式并確保支架頂梁接頂；當遇縱深較大片幫時則采用布設(shè)鋼梁、絞頂?shù)确绞娇刂浦雾敯濉?/p>

3.2.2 護幫板約束

在采面液壓支架選型時就應(yīng)對護幫板進行加寬，并在頂梁以及掩護梁上配置側(cè)護機構(gòu)（可伸縮），適當增大護幫千斤頂護幫力。采用護幫裝置以及液壓支架前探梁支護采面煤壁，避免出現(xiàn)大面積片幫問題。支架伸縮梁動作與采煤機割煤相協(xié)調(diào)，割煤后及時伸出護幫板。在采面刮板輸送機端頭、機尾空頂區(qū)域內(nèi)采用單體進行約束控制。

3.2.3 增加支架工作阻力

在采面過斷層期間應(yīng)適當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烈動壓影響時礦壓控制。強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)，采高增加時煤壁片幫幾率會隨之加大。在采面過斷層時將采面采高由3.2 m 降低至2.8 m，且過斷層期間嚴格按照設(shè)定要求控制采高，采煤機割煤速度以及采深，從而降低采面回采對斷層擾動。嚴格遵循超前移架、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)對斷層影響帶范圍內(nèi)的破碎圍巖控制效果進行分析。在采面機巷內(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圖4。

圖4 鉆孔孔壁圖像

從窺視結(jié)果得知，通過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。同時采面在回采過斷層過程中未出現(xiàn)頂板冒落、煤壁大范圍片幫問題，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)用以采面過斷層圍巖控制效果顯著。

5 結(jié)束語

1）回采工作過斷層時制約生產(chǎn)安全的一個重要方面即為煤巖體破碎，導致頂板、煤壁控制困難。提出采用煤巖體協(xié)同控制技術(shù)對采面破碎圍巖進行控制，具體：采用注漿使破碎煤巖體膠結(jié)成一個整體，通過錨桿（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。