王瑞文

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

在礦井的建設(shè)和生產(chǎn)中，工作面往往會(huì)遇到斷層破碎帶、褶曲和火成巖侵入等構(gòu)造的不良地質(zhì)段，其中斷層破碎帶最為常見。當(dāng)綜采工作面過斷層構(gòu)造時(shí)，由于斷層破碎帶自身具有低強(qiáng)度、易變形、透水性大和抗水性差的特征，并且受到礦山壓力和開采擾動(dòng)的影響，斷層上下盤附近頂板煤巖體出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。隨著工作面的推進(jìn)，頂板局部范圍內(nèi)形成圍巖松動(dòng)圈，圍巖自穩(wěn)能力進(jìn)一步降低，可能會(huì)出現(xiàn)冒頂和煤壁片幫的問題，甚至造成支架上方空頂，引起支架歪斜或壓死的現(xiàn)象，破碎頂板若得不到有效地管理和控制，不僅加大了工作面移架難度，而且對(duì)工作環(huán)境的安全性造成嚴(yán)重威脅。因此，本文以磁窯溝煤礦11103工作面為例，對(duì)工作面過斷層破碎帶期間頂板控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免在回采過程中出現(xiàn)頂板安全事故。

1 概 況

磁窯溝煤礦11103工作面地處黃土高原干濕過渡帶，地表為山西西北部黃土高原中—低山區(qū)地形，地表沖刷溝較多。該工作面長(zhǎng)179 m，推進(jìn)長(zhǎng)1 202 m，煤層平均傾角為4°，層內(nèi)0.35 m夾矸，上部平均煤厚約為1.65 m、下部平均煤厚約為2.3 m，總體平均厚度為4.3 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但煤層厚度變化比較大。

11103工作面形成后，對(duì)其地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行了觀測(cè)與分析，所揭露的地質(zhì)構(gòu)造均為斷層，如：距切眼155 m處有斷距為1.2 m的正斷層，距切眼393～486 m處有斷距為2.0 m的正斷層，部分?jǐn)鄬游恢媒衣读四鄮r，未見其他類型的構(gòu)造。由于斷層破碎帶的存在，使得工作面液壓支架出現(xiàn)不同程度的歪斜甚至壓死現(xiàn)象，頂板局部范圍出現(xiàn)矸石冒落和冒頂?；诖?，本文對(duì)該工作面頂板破壞的機(jī)理進(jìn)行分析，為頂板的控制方案提供理論基礎(chǔ)。

2 頂板破壞機(jī)理分析

11103工作面基本頂為中砂巖（原10-2煤采空區(qū)），厚度3.8～5.2 m，受采空區(qū)垮落影響，巖性較破碎；直接頂為泥巖，平均厚度為5.8 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，層狀結(jié)構(gòu)易冒落。當(dāng)工作面過斷層期間，由于斷層破碎帶自身的強(qiáng)度低、透水性大等特征，且受到斷層擾動(dòng)的影響，地質(zhì)條件發(fā)生急劇變化，頂板圍巖裂隙極度發(fā)育，原有的支護(hù)方式難以對(duì)工作面上方軟弱頂板的變形起到控制，最終因懸臂梁的破斷發(fā)生斷層局部失穩(wěn)，引發(fā)冒頂事故。為便于研究，對(duì)該區(qū)域的正斷層進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到的模型如圖1所示。

圖1 正斷層簡(jiǎn)化示意Fig.1 Simplified diagram of normal fault

該區(qū)域的斷層走向和煤層走向一致，且煤巖是均質(zhì)連續(xù)彈性體。由于斷層引起了比較大的水平構(gòu)造應(yīng)力，工作面處于一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)，所以現(xiàn)有的方案已無法滿足工作面正常推進(jìn)的要求，需對(duì)11103工作面斷層區(qū)域的頂板控制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 頂板控制技術(shù)措施

由于11103工作面上部為原10-2煤采空區(qū)，頂?shù)装寮懊簩訃鷰r強(qiáng)度較低，隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)遇到斷層構(gòu)造區(qū)域時(shí)，斷層上下盤附近的圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步降低，頂板煤巖體出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，局部范圍出現(xiàn)煤壁片幫和冒頂，嚴(yán)重影響工作面的安全生產(chǎn)。因此，在作業(yè)過程中，應(yīng)采用注漿加固、加強(qiáng)支架管理和對(duì)初撐力校核等技術(shù)措施，對(duì)頂板進(jìn)行控制，同時(shí)采取其他輔助措施來提高圍巖的整體強(qiáng)度，避免在回采過程中出現(xiàn)頂板安全事故。

3.1 初撐力校核

工作面頂板支護(hù)強(qiáng)度過大會(huì)造成液壓支架的浪費(fèi)，支護(hù)強(qiáng)度過小則會(huì)因支護(hù)力不足而發(fā)生頂板垮落或者冒頂事故，因此必須對(duì)頂板的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行估算，保證液壓支架初撐力達(dá)標(biāo)，支護(hù)有效。工作阻力的計(jì)算公式如下：

式中：n為安全系數(shù)，n取1.1；LK為頂梁長(zhǎng)度；LP為梁端距；B為架寬；η1為支護(hù)效率，取0.95；η2為安全閥波動(dòng)系數(shù)，取0.9；B為支架支護(hù)的頂板直接壓強(qiáng)，取740 kPa。

根據(jù)磁窯溝煤礦相關(guān)煤巖力學(xué)參數(shù)，LK=4.34 m，L p=0.461 m，B=1.5 m。經(jīng)計(jì)算，支護(hù)阻力為6 495 kN。考慮到將來隨著采深的加大和工作面構(gòu)造等情況，留一定富裕系數(shù)，因此工作阻力取8 000 kN。支架初撐力為支護(hù)阻力的80%比較適宜，因此確定初撐力不得低于6 400 kN。

3.2 注漿加固技術(shù)

超前注漿加固技術(shù)是指利用注漿設(shè)備將漿液注入工作面頂板深部微裂隙帶中，將破碎的煤巖體黏結(jié)組成樹脂膠結(jié)體，從而改善圍巖整體性和自承能力，提高煤巖體的整體強(qiáng)度，降低了支護(hù)成本，提高了支護(hù)效果。

鑒于11103工作面采用的錨桿+錨網(wǎng)+錨索組合的支護(hù)方式，施工工藝繁瑣，支護(hù)工作量大，對(duì)于斷層構(gòu)造區(qū)域的支護(hù)效果很不理想，所以利用復(fù)合氣泵將馬麗散樹脂和催化劑注入裂隙中，對(duì)11103工作面破碎的頂板進(jìn)行超前加固處理，在很短的時(shí)間內(nèi)抗壓強(qiáng)度大于20 MPa，遇水（摻水）會(huì)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)反應(yīng)發(fā)生膨脹，在膨脹力作用下馬麗散將充滿所有裂縫，抗壓強(qiáng)度達(dá)25～35 MPa，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了該工作面斷層破碎帶巖層的承載能力。

3.3 加強(qiáng)支架管理

采煤機(jī)過后應(yīng)及時(shí)跟機(jī)移架（滯后采煤機(jī)前滾筒3架），對(duì)于煤壁片幫嚴(yán)重的區(qū)域，則需要拉超前架和采用擦頂移架方式進(jìn)行拉架，并且將支架前梁頂在工作面煤壁上，保證支架支撐狀態(tài)良好，實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)，確保支架能給予頂板和煤壁有效支護(hù)作用，提高支架對(duì)煤壁的初撐力，預(yù)防煤壁片幫。

3.4 輔助措施

（1）調(diào)整工作面工程質(zhì)量。由于工作面局部范圍出現(xiàn)的空頂現(xiàn)象，在支架受力不均勻情況下，導(dǎo)致支架歪斜偏移預(yù)定位置，可采取工字鋼梁使支架與頂板接觸，同時(shí)對(duì)底板進(jìn)行混凝土施工，確保頂?shù)装迤秸?，保證支護(hù)受力均衡，預(yù)防支架出現(xiàn)陷底現(xiàn)象。

（2）煤機(jī)緩慢通行。當(dāng)采煤機(jī)通過頂板破碎帶或構(gòu)造帶等異常區(qū)域時(shí)，機(jī)器的運(yùn)行會(huì)對(duì)頂板和煤壁造成影響，為此需要采煤機(jī)在割煤過程中緩慢通過，必要時(shí)嚴(yán)格控制采高，適當(dāng)減少切割深度，減少對(duì)頂板的震動(dòng)。

（3）及時(shí)打開護(hù)幫。生產(chǎn)過程中，工作面因各種因素影響而停機(jī)，且停機(jī)時(shí)間超過10 min時(shí)，及時(shí)打開煤機(jī)停放段外所有支架護(hù)幫板，且二級(jí)護(hù)幫板必須緊貼煤壁，充分發(fā)揮護(hù)幫板的作用，防止片網(wǎng)。

4 應(yīng)用效果

11103工作面布置有普通支架和過渡支架，通過安裝抗震壓力表對(duì)支架的工作阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄的數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 液壓支架工作阻力分布Fig.2 Working resistance distribution of hydraulic support

由圖2可以看出，支架的工作阻力觀測(cè)值平均為27 MPa，26.0～34.0 MPa的工作阻力占70.7%，有53.1%的工作阻力大于30 MPa。這表明支架的工作阻力有效發(fā)揮程度較高，工作面頂板未出現(xiàn)壓力突然增大這種沖擊礦壓或者壓架風(fēng)險(xiǎn)，確保了煤壁和頂板的穩(wěn)定性。同時(shí)，在實(shí)施上述頂板控制措施后，采煤機(jī)的割煤效率顯著提高，說明該工作面的煤壁和頂板得到有效控制，以此實(shí)現(xiàn)開采工作面破碎頂板安全生產(chǎn)，為煤礦企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)磁窯溝煤礦11103工作面的特殊地質(zhì)條件，通過分析因斷層破碎帶而導(dǎo)致的頂板變形和下沉的問題，結(jié)合頂板破壞的機(jī)理，將該區(qū)域的斷層進(jìn)行簡(jiǎn)化，為工作面頂板的控制技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

（2）通過理論分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原有液壓支架的初撐力進(jìn)行校核，初撐力不得低于6 400 kN，同時(shí)采用注漿加固、加強(qiáng)支架管理及其他輔助措施對(duì)破碎頂板的圍巖進(jìn)行控制，改善圍巖整體性和自承能力，實(shí)現(xiàn)開采工作面破碎頂板安全生產(chǎn)。

（3）此次對(duì)11103工作面過斷層破碎帶分析和頂板控制技術(shù)的研究，有53.1%的工作阻力大于30 MPa，這說明液壓支架的工作阻力發(fā)揮高效，確保了工作面頂板的穩(wěn)定性，其他輔助措施也滿足了企業(yè)的生產(chǎn)要求，避免在回采過程中出現(xiàn)頂板安全事故。