胡家河煤礦402102工作面過斷層破碎帶圍巖控制實(shí)踐

王 帥，趙 武，楊 俊

(陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司402102工作面位于4號煤402采區(qū)，工作面設(shè)計(jì)長度1 943 m，可采長度1 793 m(平距)，傾向長180 m。工作面東側(cè)為402103采空區(qū)，南側(cè)為五條大巷保護(hù)煤柱，西側(cè)為402101設(shè)計(jì)工作面，北側(cè)為4號煤0點(diǎn)邊界線。402102工作面掘進(jìn)期間揭露F7斷層，該發(fā)育在回風(fēng)巷距停采線1 110 m附近的一條正斷層，傾向152°，傾角45°，落差0～10 m，橫穿整個(gè)工作面。斷層破碎帶寬約0.2 m，方解石脈填充，斷層附近頂板壓力較大，煤體較破碎，為保障工作面回采過程中安全通過該區(qū)域，需針對該斷層破碎帶制定合理的圍巖控制技術(shù)。

1 斷層破碎帶難控機(jī)理分析

1.1 支架阻力增大

活化現(xiàn)象：在地質(zhì)構(gòu)造簡單的開采區(qū)域，隨著工作面的向前推進(jìn)，基本頂?shù)膸r塊破斷形式會出現(xiàn)單關(guān)鍵塊體和雙關(guān)鍵塊體不斷循環(huán)交替的情況，此種情況下關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)主要發(fā)生在工作面的后方區(qū)域，結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)對工作面的整體擾動(dòng)較小，在頂板來壓時(shí)，其動(dòng)載系數(shù)相對較小，一般為1.2～1.3[1-4]。但當(dāng)開采區(qū)域存在斷層破碎帶時(shí)，此時(shí)若工作面推進(jìn)至斷層區(qū)域時(shí)，由于斷層結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度較低，會致使斷層出現(xiàn)超前工作面的活化現(xiàn)象，具體斷層破碎帶區(qū)域基本的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖1所示。

圖1 斷層破碎帶區(qū)域頂板運(yùn)動(dòng)形態(tài)示意圖

支架阻力增大的原因：由圖1可知，在斷層區(qū)域基本頂巖塊在斷層活化的影響下，斷層會沿著斷層面產(chǎn)生較大范圍的滑移，進(jìn)而致使工作面頂板出現(xiàn)急劇下沉的現(xiàn)象，若選型支架的初撐力不足會造成基本頂與直接頂之間出現(xiàn)離層現(xiàn)象。基本頂及荷載層在滑移后會對直接頂巖層形成沖擊，進(jìn)而造成斷層附近工作面的支架受到的沖擊載荷較為明顯，從而會出現(xiàn)工作面推進(jìn)通過該區(qū)域時(shí)，支架出現(xiàn)阻力異常增大的現(xiàn)象[5-8]。

1.2 煤壁片幫

煤壁片幫的形式：根據(jù)402102工作面的地質(zhì)資料顯示，工作面沿傾向煤巖體的巖性變化較大，煤壁片幫的現(xiàn)象在工作面面長方向上以多點(diǎn)、局部的特征發(fā)生變化，具體煤壁片幫的形式如圖2所示。

圖2 工作面煤壁片幫力學(xué)模型

煤壁片幫分析：由圖2分析，可將工作面前方的煤體視為半無限體，對于煤壁的自由表面僅有支架的掩護(hù)板的力作用在上面，煤層的上表面受到條形荷載的作用。當(dāng)?shù)V井的地應(yīng)力較小時(shí)，巖體的破壞形式主要以脆性破壞為主，在工作面超前支撐壓力的影響下，煤壁的破壞深度較小，但在工作面推進(jìn)通過斷層破碎帶時(shí)，由于斷層的影響使得該區(qū)域的煤體比較破碎，加之工作面超前支撐壓力和煤層上部條形荷載的作用下，便易致使工作面在推進(jìn)通過斷層破碎帶區(qū)域的煤體時(shí)出現(xiàn)大范圍的片幫現(xiàn)象。煤壁破壞的形式主要為剪切破壞和拉伸破壞，基于圖2的力學(xué)模型，根據(jù)理論推導(dǎo)能夠得出在剪切破壞下煤壁片幫最小的頂板載荷q及拉伸破壞形式下防止煤壁片幫支架護(hù)板作用力N的最小值的表達(dá)式[8-14]分別為

(1)

式中：q—剪切破壞煤壁片幫時(shí)最小的頂板載荷；C—煤體的內(nèi)聚力；γ—上覆巖層的容重；h—煤壁的片幫高度；φ—煤體的內(nèi)摩擦角。

2 圍巖控制技術(shù)及效果

2.1 4號煤層頂?shù)装鍘r層特性

402102工作面主采4號煤層，煤層厚11～28 m，均厚20 m，上分層平均可采厚度14.1 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般含兩層夾矸，位于煤層的中上部和中下部，夾矸厚度一般小于0.35 m，頂板巖性以灰-深灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，底板則以黑灰色泥巖、鋁土質(zhì)泥巖為主，煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。

2.2 圍巖控制技術(shù)

圍巖控制的必要性：根據(jù)402102工作面及F7斷層的具體情況，基于上述工作面推進(jìn)通過斷層破碎帶區(qū)域圍巖難控機(jī)理的分析可知，斷層破碎帶區(qū)域易出現(xiàn)支架壓力異常增大的現(xiàn)象，容易致使出現(xiàn)壓架的情況，同時(shí)易出現(xiàn)煤壁片幫的現(xiàn)象。

降低采高，增大護(hù)幫高度：在工作面推進(jìn)值F7斷層附近時(shí)，液壓支架的工作阻力出現(xiàn)不斷增大的現(xiàn)象，在工作面104#支架的位置處，支架出現(xiàn)液壓閥開啟的現(xiàn)象。為防止頂板巖塊沿?cái)鄬映霈F(xiàn)大范圍的滑落導(dǎo)致壓架現(xiàn)象的出現(xiàn)，在工作面推進(jìn)通過斷層破碎帶期間，降低工作面的采高至3.5 m，具體如圖3所示。同時(shí)采用連鎖棚、支柱穿鞋和打設(shè)帶帽的戧柱，以此對工作面過斷層區(qū)域的頂板進(jìn)行控制；減小支架的水平支護(hù)力，設(shè)置支架最大的水平支護(hù)力不大于500 kN。

工作面煤壁注漿：在工作面推進(jìn)通過F7斷層區(qū)域時(shí)，為保障斷層破碎帶的松軟破碎煤巖體能夠有效的膠結(jié)成一個(gè)整體，進(jìn)而形成一定的承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮煤體的自穩(wěn)能力，采用超前注漿加固的方式。注漿孔在工作面面長180 m的長度上均勻布置，注漿孔長為10 m，注漿孔間距為3 m，鉆孔的仰角為15°，布置在距離工作面頂板2.5 m的位置處，具體注漿孔的布置方式如圖3所示。

圖3 工作面過斷層區(qū)域降低采高及注漿孔布置示意圖

注漿材料及工藝：本次工作面超前注漿加固使用的材料為水泥—水玻璃，水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，設(shè)置水泥漿的水灰比為0.6，水玻璃濃度為48～55Be′，模數(shù)為2.8～3.2。在進(jìn)行工作面煤巖體超前注漿加固作業(yè)時(shí)，具體注漿工藝流程如圖4所示。

圖4 注漿工藝流程圖

注漿時(shí)各項(xiàng)參數(shù)控制：①注漿孔封孔長度。根據(jù)斷層區(qū)域的具體特點(diǎn)設(shè)置注漿封孔深度0.8 m；②注漿終壓。注漿壓力過高將導(dǎo)致原有圍巖結(jié)構(gòu)破壞，壓力過低不能保證漿液的有效注入。通常注漿終壓控制在6～8 MPa，若長時(shí)間不升壓，采用間歇注漿方式，間隔時(shí)間應(yīng)與材料初凝時(shí)間相匹配；③單孔注漿量。為保證注入的漿液能夠?qū)鷰r裂隙全部充填密實(shí)，在進(jìn)行注漿施工時(shí)，原則上應(yīng)注到鉆孔不吃漿為止，設(shè)置單孔最小注漿量為3 t。

2.3 效果分析

支架工作阻力記錄：為有效分析工作面過斷層區(qū)域采用上述圍巖控制技術(shù)的效果，在工作面過斷層區(qū)域采用上述措施后，對支架通過該區(qū)域時(shí)的工作阻力進(jìn)行分析。具體工作面推進(jìn)通過斷層區(qū)域時(shí)支架的工作阻力曲線如圖5所示。

圖5 工作面過斷層區(qū)域支架工作阻力

數(shù)據(jù)分析：由圖5可知，工作面在通過F7斷層破碎帶區(qū)域時(shí)，工作面兩端頭105～115#和10～15#位置處頂板破碎程度較為嚴(yán)重，頂板破斷后載荷首先作用到該兩處區(qū)域的支架上，進(jìn)而致使該區(qū)域的支架工作阻力升高較大，支架的載荷最大達(dá)到35～40 MPa，支架的工作阻力達(dá)到13 744～15 707 kN。工作面端頭兩處區(qū)域支架的工作阻力達(dá)到額定工作阻力的91%～105%，相比于工作面兩端頭，工作面中部區(qū)域的支架阻力及載荷較小，支架的工作阻力為7 853～11 780 kN，達(dá)到額定工作阻力的52%～79%，支架的工作載荷僅為20～30 MPa。中部區(qū)域支架未出現(xiàn)支架安全閥開啟的現(xiàn)象，工作面兩端頭局部支架出現(xiàn)安全閥開啟的現(xiàn)象。根據(jù)工作面的現(xiàn)場觀測可知，工作面在采用上述措施后，推進(jìn)通過斷層破碎帶區(qū)域時(shí)，工作面兩端頭局部支架出現(xiàn)安全閥開啟的現(xiàn)象，但總體支架工作阻力較為合理，基本無煤壁片幫的情況出現(xiàn)，保障了工作面順利通過F7斷層區(qū)域。

3 結(jié)論

(1)確定過斷層區(qū)域的主要控制技術(shù)為降低采高+超前注漿加固，并結(jié)合斷層破碎帶的具體情況對該圍巖控制方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

(2)根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果顯示，在斷層破碎帶采用該控制技術(shù)后，工作面兩端頭局部出現(xiàn)了支架壓力閥開啟的現(xiàn)象，總體支架的工作荷載為7 853～11 780 kN，占到額定工作阻力的52%～79%。

(3)回采過程中基本無煤壁片幫的情況出現(xiàn)，兩端頭局部煤壁片幫的最大深度僅為0.4 m，片幫的長度較小，保障了工作面順利推進(jìn)通過F7斷層破碎帶區(qū)域。