辛置煤礦2-208工作面斷層破碎帶區域圍巖控制技術研究

伊軍榮

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西霍州煤電集團辛置煤礦2-208綜采工作面位于2#煤層二采區，所采2#煤層厚度3.8～4.3m，均厚4.1m，平均傾角為4°。煤層穩定可采，含兩層夾矸，第二層夾矸層厚度稍大。煤層直接頂為泥巖，均厚3.0m，基本頂為K8中細砂巖，均厚7.2m，直接底為泥巖，均厚4.5m，基本底為中砂巖，均厚6.5m。

2-208工作面北面緊鄰二采區軌道巷、皮帶巷，南面距離二采區右翼皮帶巷110m，西面距離二采區回風巷25m，東面距離2-202工作面采空區最小間距為63m。根據相鄰的2-202工作面回采期間構造揭露情況分析，預計工作面范圍內NE-SW走向斷層延伸距離較長，2-208工作面范圍內F1162斷層與F1164斷層走向基本一致，預計為1條斷層延伸所致，橫穿工作面，預計在工作面內延伸約320m，對回采影響較大，所以需對工作面過斷層區域的圍巖控制技術進行研究。

2 斷層破碎帶圍巖變形分析

由于斷層破碎帶區域煤巖體的結構力學特征較為復雜，為全面了解斷層區域的變形破壞及動力失穩機理，采用數值模擬的方式，具體研究工作面推過斷層破碎帶區域的結構力學演化規律和圍巖失穩過程。采用FLAC3D建立數值模擬模型長×寬×高=473m×5m×154.5m，根據2-208工作面的埋深，在上覆巖層施加3.5MPa的垂直載荷，約束模型兩側及底板的位移。

在數值模擬模型中斷層破碎帶區域布置3個測點，分別為A、B、C，三個測點分別位于斷層區域工作面上方65m、8m和工作面下方8m。在工作面推過斷層區域時，通過監測該三點的位移及應力狀態進行覆巖運動規律的研究。具體測點布置方式如圖1所示。

圖1 數值模擬模型中測點布置示意圖

（1）剪切應力分布

根據數值模擬結果，能夠得出工作面推過斷層區域時剪切應力的分布情況，如圖2所示。

分析圖2可知，三個測點的剪切應力在距離工作面斷層90m后出現逐漸增大的現象，A、B、C測點的剪切應力的峰值分別為3.0MPa、2.04MPa和2.18MPa，B測點的剪切峰值在工作面距斷層中心線10m處取得，C測點的剪切峰值在工作面距離斷層20m的位置處取得。在工作面回采通過斷層下盤時，剪切應力的變化與工作面推進通過上盤時的變化存在明顯的差異性[1-2]，A測點在工作面距離斷層70m的位置處開始出現變化，剪切應力的峰值為1.31MPa，B測點剪切應力的峰值為0.8MPa。測點在距離斷層中線100～30m的區域，剪切應力均為正值，當工作面進入斷層時剪切應力出現先增大后迅速減小的趨勢，C測點剪切應力變化不大，剪切應力值在-0.5～0.5MPa的范圍內，在工作面推到斷層中線時應力會逐漸釋放為零。

（2）工作面推進不同長度時圍巖塑性區

根據數值模擬結果，能夠得出工作面在由上盤推進至斷層邊緣、推進至斷層內部、工作面推進出斷層、工作面推進出斷層下盤塑性區的分布規律，如圖3所示。

圖3 工作面推進通過斷層區域時塑性區發育圖

分析圖3可知，隨著工作面回采作業的進行，圍巖塑性區的發育范圍在逐漸增大，在工作面推進到斷層區域時，斷層區域頂板塑性區的發育范圍明顯大于非斷層區域時頂板塑性區的發育范圍，在工作面回采通過下部斷層區域時，整個工作面已經達到充分采動的狀態，此時工作面頂板塑性的發育呈現出明顯的馬鞍形分布，頂板塑性區發育的最小高度為64m，最大高度為89m。

3 圍巖控制技術

3.1 方案設計

根據2-208工作面斷層區域的具體特征，結合數值模擬結果，確定工作面過斷層區域時采用注漿加固+采煤工藝參數調整相結合的方式，技術措施如下：

（1）注漿加固設計

當工作面推進到斷層區域時，需提前對工作面失穩的區域進行充填絞頂作業，絞頂采用的材料主要為鋼管和鐵網。在進行絞頂作業時，設置假頂嵌入到頂板堅硬的中細砂巖中[3-4]，鋼管嵌入的角度為20°，鋼管間的中心距為200mm，鋼管的架設長度為21m。在斷層的上盤空間區域，鋼管絞頂延伸到冒頂區域下方邊緣水平距離5m的位置處。具體充填空洞的方式如圖4所示。

圖4 充填空洞區域絞頂示意圖

本次注漿加固作業，在工作面區域設置注漿鉆孔的間排距均為1m，注漿材料采用水泥—水玻璃雙液漿，水泥漿的水灰比為0.5，水玻璃采用模數為3.5，注漿的壓力控制在1～2MPa，鉆孔直徑為42mm，長度為4.0m，注漿鉆孔封孔長度為0.5m，封孔材料采用簡易的麻繩+錨固劑進行封孔作業。具體注漿鉆孔的布置方式如圖5所示。

在工作面斷層區域進行注漿作業時，單孔注漿施工的具體步驟如下：

① 使用錨桿鉆機在設計位置打設Ф42mm×5000mm的注漿鉆孔，鉆孔與煤壁成45°打設；

② 鉆孔打設完畢后，將注漿花管安裝在鉆孔內，采用麻繩或棉紗與錨固劑攪拌到一起對鉆孔進行封孔作業，設置封孔長度為0.5m；

③ 待注漿鉆孔孔口封孔強度達到要求時，安裝管路，將注漿槍與注漿花管連接到一起，即可進行開泵注漿作業；

④ 單孔注漿量達到要求時，后續進行停泵、卸壓作業，隨后拆除管路，安裝到下一個注漿孔上，依次進行下一鉆孔注漿作業。

圖5 工作面斷層區域注漿鉆孔布置示意圖

（2）采煤工藝調整

為保障工作面順利推進斷層區域，盡量在工作面推進斷層區域時減小回采對斷層區域煤巖體的擾動影響，針對采煤工藝方面做出的調整主要為降低割煤速度、提高支架初撐力、工作面偽斜調整。

① 2-208工作面正常的割煤速度為12～15m/min，現降低工作面回采推進通過斷層區域的割煤速度，設置割煤速度為6～8m/min；

② 為有效降低煤壁局部的應力集中系數，有效控制頂板區域的變形，工作面正常區域支架的初撐力為6412kN，現將工作面通過斷層支架的初撐力提升為7800kN，另外在工作面回采期間，保障液壓支架的供液壓力達到35MPa；

③ 由于斷層區域的圍巖條件復雜多變，現為保障工作面過斷層區域煤壁的穩定，在斷層區域設置工作面偽頂的傾斜角度為4～6°，有效避免工作面與斷層的滑落面間平行揭露，防止大范圍冒頂及片幫的現象出現。

3.2 效果分析

2-208工作面過斷層破碎帶區域，采用注漿加固+調整采煤工藝的方法后，有效地提高了煤巖體的自身強度，提高了其抵抗變形的能力。現場觀測，工作面液壓支架的最大載荷為35MPa，過斷層期間，沒有出現支架超出最大載荷及支架壓死現象，煤壁無大范圍的片幫現象，工作頂板巖層無冒頂現象出現，保障工作面安全通過斷層區域。

4 結論

根據2-208工作面的斷層破碎帶區域的地質條件，采用數值模擬的方式對工作面推進通過斷層區域時圍巖的應力及塑性區發育特征進行分析，基于數值模擬結果和斷層區域地質條件，確定采用注漿加固+調整采煤工藝的方式通過斷層區域。方案實施后，工作面通過斷層區域時無液壓支架的超限及壓架現象，回采過程中基本無煤壁片幫及頂板冒頂現象出現，保障了工作面順利推進通過F1162斷層破碎帶區域。