弓 超 凡浩杰

（1.山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046000；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司四礦，河南 平頂山 467000）

回采工作面在遇到地質(zhì)構(gòu)造時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)頂板破碎，煤墻側(cè)受應(yīng)力集中作用導(dǎo)致片幫、外鼓等現(xiàn)象，在回采動(dòng)壓和空頂作業(yè)的多重影響下，很容易造成大面積冒頂產(chǎn)生。經(jīng)過專家學(xué)者長期對(duì)采煤工作面過構(gòu)造期間動(dòng)壓產(chǎn)生機(jī)理和圍巖移近觀測(cè)，逐漸掌握了一定程度的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，從而有針對(duì)性地采取如頂板破碎帶注漿、錨網(wǎng)索超前支護(hù)、臨時(shí)抬棚支護(hù)等控制破碎圍巖的措施，并取得一定成效[1-2]。根據(jù)實(shí)際條件，采取符合礦壓規(guī)律的方法，才能實(shí)現(xiàn)工作面安全順利推進(jìn)。

1 工作面概況

余吾煤業(yè)S2203 工作面主采煤層為山西組3#煤，厚度為4.8～6.2 m，平均煤厚5.8 m，煤層傾角2°～8°。工作面采用傾斜長壁采煤法，設(shè)計(jì)長度728 m 和752 m，切眼沿走向布置，設(shè)計(jì)長度258 m，工作面標(biāo)高+654～+706 m。煤層頂板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部存在炭質(zhì)泥巖偽頂，偽頂較發(fā)育；直接底多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，基本底以中砂巖為主，質(zhì)地堅(jiān)硬，且具有隔水性。工作面上下兩巷均設(shè)計(jì)矩形斷面，采用錨網(wǎng)索與鋼帶、鋼筋梯子梁等復(fù)合支護(hù)形式支護(hù)頂板。

隨著工作面推移回采，切眼向外約79 m，由上巷向工作面內(nèi)延伸一條落差約1.8～2.4 m 的正斷層，如圖1。S2203 工作面煤層屬于中厚煤層，選用ZF10000/22/38 型液壓支架。

圖1 工作面斷層賦存位置平面示意圖

2 圍巖失穩(wěn)的構(gòu)造因素分析

由于3#煤層頂?shù)装遄匀粭l件多為泥巖和砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度低，遇水后容易出現(xiàn)碎脹和風(fēng)化脫落，煤巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，而且在S2203-1 斷層附近受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，巖層受到擠壓揉搓，導(dǎo)致裂隙發(fā)育，抗拉和抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步降低。此外，斷層是從上巷揭露，斜切進(jìn)入切眼內(nèi)，其賦存方位與工作面回采方向呈現(xiàn)一定的夾角，因此，切眼前推的過程中會(huì)在較大范圍內(nèi)受到破碎構(gòu)造帶的影響，且受回采期間沿回采方向傳遞的采空區(qū)動(dòng)壓及煤體釋放的壓力、周期來壓等應(yīng)力疊加作用，支架承受的壓力在時(shí)間維度也會(huì)持續(xù)較長時(shí)間，很難在短期內(nèi)達(dá)到平衡抵消狀態(tài)。因此，需要根據(jù)具體呈現(xiàn)在工作面的壓力顯現(xiàn)特征，采取針對(duì)性的措施進(jìn)行預(yù)防和加固[2]。

3 過斷層期間圍巖綜合控制技術(shù)

3.1 主動(dòng)支護(hù)與內(nèi)部控制

對(duì)破碎帶圍巖的綜合控制技術(shù)主要通過主動(dòng)加固與支護(hù)進(jìn)行圍巖抗壓強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)，通過采取措施改變圍巖破碎現(xiàn)狀，利用鉆孔注漿和打設(shè)注漿錨桿等方法進(jìn)行加固，從而改變圍巖的自身?xiàng)l件，形成完整的整體，再對(duì)圍巖整體打設(shè)錨網(wǎng)索，以提高切眼過斷層期間的頂板承載能力，減少頂板下沉和片冒情況發(fā)生，提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，利用鉆孔注漿和打設(shè)注漿錨桿的方法，注入的水泥漿漿液凝固后可有效粘接破碎帶碎矸和縫隙，使破碎圍巖重新形成較致密的巖體結(jié)構(gòu)，達(dá)到人為造頂?shù)哪康摹６?，通過調(diào)節(jié)漿液比重和注漿泵壓力，可以對(duì)大小不同的裂隙和空間進(jìn)行充填，相比于錨桿和錨索可以到達(dá)更深的位置，起到更好的加固懸頂作用，提高圍巖塑性強(qiáng)度。

3.1.1 注漿加固

S2203-1 斷層最大落差2.4 m，考慮到受擠壓后裂隙發(fā)育情況，將注漿鉆孔調(diào)整至終孔垂高8 m 左右，由切眼上巷口開始布置鉆孔，按每架1.5 m 施工一個(gè)頂板方向鉆孔，直至預(yù)計(jì)延伸至切眼內(nèi)77架左右結(jié)束。為提高注漿量和注漿效果，在切眼回采至斷層附近30 m 時(shí)提前開始預(yù)注漿，鉆孔傾角控制在25°和45°左右，施工兩排鉆孔，配比1.1～1.15 的水泥漿和水玻璃的混合雙液漿，根據(jù)裂隙發(fā)育程度和鉆孔深度，以鉆孔內(nèi)或周邊裂隙返漿為判定吃漿量標(biāo)準(zhǔn)，注漿壓力控制在0.8～1.0 MPa。根據(jù)返漿效果適當(dāng)調(diào)整壓力值，當(dāng)出現(xiàn)返漿后立即停止注漿，待凝固30 min 后，再次進(jìn)行補(bǔ)漿。若能夠注漿則繼續(xù)注漿工序，以此反復(fù)；若無法補(bǔ)漿，注漿泵壓力表壓力值過高或升高過快，則說明裂隙注漿量已飽和，可結(jié)束注漿[3-4]。

3.1.2 錨桿（索）施工

待注漿工序結(jié)束，破碎頂板形成一個(gè)較完整的整體后，通過補(bǔ)打錨網(wǎng)索進(jìn)行懸頂補(bǔ)強(qiáng)，將新注漿形成的人造頂板與基本頂較穩(wěn)定砂巖層相連接，從而達(dá)到對(duì)架前破碎帶區(qū)域的頂板進(jìn)行主動(dòng)加固的效果。改造頂板錨網(wǎng)索補(bǔ)強(qiáng)示意圖如圖2。

圖2 改造頂板錨網(wǎng)索補(bǔ)強(qiáng)示意圖

補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域采用與上下巷掘進(jìn)期間支護(hù)相同的錨桿、錨索規(guī)格。螺紋鋼錨桿規(guī)格為直徑20 mm，長2500 mm，打設(shè)間排距為800 mm×800 mm，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊力為150 N·m，錨固力為50 kN；錨索采用規(guī)格為直徑15.6 mm，長度為7300 mm，打設(shè)間排距為1700 mm×3000 mm。

3.2 外部輔助工程控制

除了對(duì)煤層頂板圍巖采取有效措施進(jìn)行主動(dòng)控制外，還可以借助輔助工具，調(diào)整采煤工藝和工序等外部手段進(jìn)行應(yīng)力干預(yù)和控制，通過多種方式綜合防范頂板冒落。

3.2.1 打設(shè)臨時(shí)支護(hù)

過斷層期間，采取小循環(huán)割煤工序，每回采30～40 架，要求支架工緊跟割煤機(jī)進(jìn)行推溜拉架。當(dāng)割煤機(jī)速度過快時(shí)，要協(xié)調(diào)好截割速度與拉架速度之間的關(guān)系，避免截割過后出現(xiàn)煤墻側(cè)空頂時(shí)間較長。當(dāng)出現(xiàn)局部片幫空頂現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)停機(jī)，支架工使用單體柱和鉸接梁，或者半圓木、圓木等材料，對(duì)空頂漏冒處進(jìn)行加固背設(shè)，接頂承壓，避免造成二次漏冒。當(dāng)加固完成后，繼續(xù)割煤與拉架的循環(huán)作業(yè)，直到通排割煤結(jié)束。

3.2.2 支架初撐力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

在回采期間要加強(qiáng)對(duì)支架初撐力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，尤其是出現(xiàn)來壓征兆和有冒頂風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)需及時(shí)補(bǔ)液、增加工作阻力。拉架時(shí)要稍微降低采高，帶壓移架，保持一定的阻力狀態(tài)，防止一次性卸載造成支撐下降，發(fā)生冒頂事故。技術(shù)人員要定期收集分析支架阻力分布狀態(tài)和區(qū)域，對(duì)明顯降阻區(qū)域要進(jìn)行補(bǔ)液和觀測(cè)，維持工作面支架和乳化液泵站壓力達(dá)到30 MPa 以上。

3.2.3 采高控制

在帶壓移架的過程中，要根據(jù)割煤機(jī)截割過后實(shí)際頂板空頂情況和頂板煤厚情況，適當(dāng)調(diào)整支架高度和采高，確保割煤機(jī)滾筒可以順利通過的條件下，將支架前梁和支撐掩護(hù)板控制在2.8～3 m，減少架前溜煤的風(fēng)險(xiǎn)，采取托煤回采的方式，盡量從采空區(qū)后溜方向?qū)①Y源回收，從而達(dá)到對(duì)煤墻保護(hù)和防止頂板冒落的目的[5]。

4 控制效果分析

采取綜合防范措施之后，S2203 工作面過斷層期間，隨機(jī)選取支架上方進(jìn)行打眼鉆探，使用鉆孔內(nèi)窺儀對(duì)頂板煤巖體進(jìn)行觀察，孔深10 m。只有在3.7 m 和6.4 m 處發(fā)現(xiàn)少量的縱向裂隙，且不發(fā)育，說明經(jīng)過注漿之后效果明顯。經(jīng)過充填之后，過構(gòu)造期間頂板應(yīng)力作用和煤墻壓力釋放作用等影響對(duì)頂板塑性不構(gòu)成威脅，未產(chǎn)生新的垮落裂隙，頂幫圍巖支撐強(qiáng)度明顯提升。在回采小循環(huán)作業(yè)時(shí)，煤墻側(cè)片幫經(jīng)過綜合措施顯著減少片幫次數(shù)，降低空頂冒落風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過初步估算，回采期間單體柱、鉸接梁、圓木以及荊芭等材料投入的費(fèi)用降低約8.7萬元，為工作面安全過斷層創(chuàng)造有利條件。鉆孔內(nèi)窺示意圖如圖3。

圖3 鉆孔內(nèi)窺成果示意圖

5 結(jié)論

（1）針對(duì)回采工作面過斷層期間遇到的頂板圍巖破碎，造成拉架割煤困難及對(duì)支護(hù)造成的影響，采用頂板注漿、打設(shè)錨網(wǎng)索，以及采用架前臨時(shí)支護(hù)、降低采高和觀測(cè)支架初撐力等綜合防范手段，提高支護(hù)強(qiáng)度，控制圍巖變形，為工作面回采期間創(chuàng)造了安全的作業(yè)環(huán)境。

（2）經(jīng)過采取措施前后的效果分析驗(yàn)證，對(duì)圍巖實(shí)現(xiàn)支撐強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)，有效降低支護(hù)材料的投入費(fèi)用，保障人身安全，也為工作面今后回采期間遇到構(gòu)造帶提供有價(jià)值的借鑒經(jīng)驗(yàn)。