15101 工作面過斷層破碎帶的頂板控制方案

馬旭剛

（山西長治縣雄山煤業有限公司，山西 長治 047100）

綜采工作面遇斷層帶時，受地應力的影響以及回采過程中應力的重新分布導致工作面出現頂板破碎、煤壁片幫、工作面超前區頂板斷裂、液壓支架支護效果差，地質條件的惡化和工程措施的效果弱化嚴重威脅工作面安全回采[1]。針對這種情況，有關技術人員采用“化零為整”的思路，利用注漿、錨桿等技術手段提高煤體的完整性和力學性質[2-3]。本文以長治縣煤炭有限公司15101 工作面為例，對工作面過F3 斷層時提出的聯合支護控制方案進行介紹。

1 工程概況

受區域構造影響，山西長治縣雄山煤業有限公司井田總體為一軸向北北西的背斜構造，發育落差0～46 m 的逆斷層。15101 綜采工作面所采煤層為15號煤層，所處水平為+974 m 水平，屬15 號煤一采區，工作面標高為+907～+936 m，回風順槽長1250 m，運輸順槽長1176 m，切眼中至中長199.5 m。工作面位于15 號煤一采區南部，東部為15103 工作面（待布置），西部為井田邊界保安煤柱，南部為井田邊界保安煤柱，北部為15 號煤一采區采區巷道。

15101 工作面區域內，煤層平均厚度3.8 m，可采性指數100%，含1 層夾矸，結構較復雜，屬全區穩定可采煤層。煤層頂板為石灰巖、粉砂巖，底板為泥巖、鋁質泥巖。15101 綜采工作面采用單一走向長壁采煤法，綜合機械化采煤，一次采全高，全部垮落法管理頂板，采用ZT14400/25/50D型端頭液壓支架、ZZG8000/22/50D 型過渡支架、ZZ8000/22/50D 型中部液壓支架支護頂板，移架步距為800 mm，移架順序為間隔移架。

2 地質構造及回采現狀分析

15101 綜采工作面推進至370 m 處時，沿工作面走向揭露F3 斷層，斷層的平均高度差為1.2 m，傾角為43°。由于受到構造應力的作用，在斷層兩側的煤層存在破碎區，對工作面走向方向的影響長度為50 m。在工作面推進至斷層破碎帶時，由于煤體完整性變差，構造應力增大，造成以下幾個較為明顯的工程問題，并對各個問題產生的原因進行了分析。

（1）頂板破碎、煤壁片幫嚴重。其原因是回采至斷層破碎帶時受構造應力、回采應力以及周期來壓等影響，破碎帶內煤體的完整性較差，頂板的力學承受能力差，從而產生了不同于其他區域的應力重分布情況，導致出現大面積煤壁片幫，影響回采安全和回采進度。

（2）支架支護效果差。由于破碎帶煤體的完整性較差，導致單個液壓支架的作用范圍大大減小，按照原先的支架布置方案會導致相鄰支架間的頂板煤塊垮落，而后頂板的煤體應力情況由三向受壓變為了雙向或單向受壓，承壓能力下降，引起進一步的破碎和垮落。

（3）超前區頂板斷裂。工作面在向前方推進的工程中，地應力重新分布，在工作面前方4～13 m的位置內產生超前高應力區，該區域內頂板在高應力的作用下產生破壞。在斷層破碎帶范圍內，這種情況更加明顯，使得工程條件進一步惡化。

3 斷層破碎頂板聯合控制措施

針對上述的工程問題以及產生原因，提出在15101 工作面通過斷層破碎區的頂板控制方案為“斜角鉆孔卸壓+聚氨酯纖維網配套JW 型錨索梁+超前管棚支護”。此方案從減小構造應力、提高煤體完整性兩個方面入手，聯合控制頂板，下面為此方案的具體實施情況：

（1）斜角鉆孔卸壓施工

工作面推進至360 m 時，開始實施鉆孔卸壓。鉆孔位置超前工作面9 m，鉆孔參數為：鉆孔直徑55 mm，深度為6 m，以水平向上偏斜30°、向前方偏斜70°為進孔方向。鉆孔位置位于運輸順槽頂板處，相鄰兩個鉆孔間隔距離為5.5 m。

（2）鋪設聚酯纖維柔性網+錨索梁

聚酯纖維柔性網和錨索梁配合使用，其目的是將頂板中破碎松散煤體，尤其是關鍵塊通過柔性網限制其位移，并利用錨索的懸吊作用將柔性網懸吊在上層穩定巖層，達到提高煤體完整性的作用。具體步驟為：

柔性網每卷的長度為60 m，寬度為20 m，相鄰兩張之間采用重疊搭接，重疊寬度為0.5 m。在柔性網的邊緣采用錨索進行固定，錨索長度為4 m，布置間隔為3 m。在將柔性網固定好后，將一排“JW”型錨索梁施工在工作面上方頂板處，每一個錨索梁都是由一根JW 型鋼梁以及兩根長度為4 m 錨索組成。錨索梁的方向平行于工作面的走向方向，錨索梁的布置間隔為同一排中相鄰兩個錨索梁之間相距2 m，相鄰兩排之間的距離為2 m。完成上述步驟后，繼續推進工作面的回采工作。在一個回采步距結束后進行移架時，將纖維網鋪展開，并將其緊貼到煤壁，移架后支架頂梁與纖維網及錨索梁接觸嚴實。柔性網和錨索梁的示意圖如圖1。

圖1 15101 工作面過F3 斷層破碎區頂板聯合控制措施

（3）超前管棚支護

超前管棚支護可以改善回采過程中地應力的重新分布，提高工作面超前頂板的力學性能，防止工作面頂板由于超前集中應力而產生破壞，其施工地點位于液壓支架前方工作面之上的頂板處。

首先采用Y-28 型風動鉆機在工作面頂板進行鉆孔施工，鉆孔深度為3.3 m，直徑為40 mm，鉆孔垂直工作面向前[4]，鉆孔間距為1.5 m。鉆孔施工完畢之后，進行鋼管的安裝，利用圓鋼托架將鋼管外露端進行固定。每兩根管棚支護采用一根圓鋼托架進行固定以增加其整體性和穩定性，圓鋼托架長度為3.5 m。

4 改進方案工程效果

（1）15101 工作面施工斜角卸壓鉆孔后，對F3 斷層應力和背斜構造應力起到很大的卸壓作用。采集回采過程中頂板變形的實時監測數據，并對比分析了在經過斷層破碎帶修改頂板控制方案前后的數據，發現改變方案后運輸順槽頂板及工作面尾部頂板變形的現象得到很好的控制，運輸順槽兩幫頂板跨距由原來的0.32 m 降低為0.11 m。

（2）通過鋪設聚酯纖維柔性網+錨索梁的組合方案，大大地提高了破碎帶煤體的完整性和穩定性，使得破碎區頂板不易發生垮落；改善了破碎區頂板的應力情況，提高了單個液壓支架的支護范圍，使液壓支架的移架工作變得相對容易；煤壁片幫的現象減少，偶有發生的片幫面積減小。

（3）在工作面前方頂板中施工超前管棚支護，對工作面回采工程中應力重分布造成的超前高應力區的煤體進行加固，改變了回采過程中的應力重分布結果，降低了工作面前方頂板的應力集中，降低了集中應力對頂板超前破壞作用，提高了工作面頂板整體穩定性和力學強度。在后期移架時支架頂梁與超前支護能夠充分接觸，保證了支架工作阻力，避免支架倒架、傾架事故發生。

圖2 工作面回采至不同位置處頂板中部最大沉降量

截至2020 年4 月21 日，15101 工作面回采至420 m，順利通過了F2 斷層的破碎帶區域。故對破碎區采用聯合支護方案的效果主要為：（1）對工作面尾部破碎頂板采取聯合控制措施后，工作面在后期回采中未出現端面頂板大面積破碎以及煤壁片幫現象，頂板中部的最大下沉量下降為0.17 m，如圖2 所示。（2）工作面回采移架時支架初撐力及工作阻力提高至95%以上，保證了工作面安全高效回采。（3）采用聯合頂板控制措施后，加快了工作面的推進速度，在整個斷層破碎帶影響的50 m 范圍內，共計使用了8 d，即平均回采速度為6.25 m/d，取得了顯著的工程效果。

5 結論

在回采工作面經過斷層破碎帶時，針對15101工作面的情況，從改善應力條件和提高煤體完整性兩個方面出發，提出了“斜角鉆孔卸壓+鋪設聚氨酯纖維網配套JW 型錨索梁+超前管棚支護”的聯合控制措施，取得了良好的工程效果。