小峪礦綜采工作面過斷層煤巖協同控制技術研究

史 曉 捷

（大同煤礦集團朔煤小峪煤業有限公司，山西 朔州 038300）

0 引 言

回采工作面過斷層時由于頂板巖層破碎，容易出現漏矸、片幫以及冒頂等事故，給煤炭開采安全帶來威脅，因此，煤巖體穩定性控制對確保采面生產安全極為重要[1~2]。眾多的研究學者對采面過斷層期間煤壁片幫機理、過斷層礦壓顯現以及過斷層技術等方面展開研究，并從注漿加固、施工錨網索等方面提出破碎圍巖穩定性控制措施，取得一定的應用成果[3~4]。由于采面過斷層期間煤巖失穩機理復雜、致災類型繁多，有必要針對采面過斷層實際情況制定針對性煤巖協同控制措施，提高煤巖體穩定性[5~6]。文中就以小峪礦8104 綜采工作面過斷層為工程背景，對礦井采區的煤巖協同控制技術進行闡述。

1 工程概況

隨著礦井采掘深度增加，回采工作面需要頻繁穿越各種地質構造，特別是采面開采過斷層期間在采動動壓影響下斷層區域煤巖容易失穩、卸載，誘發采面附件煤巖體大范圍失穩、冒落，嚴重制約礦井生產安全。小峪礦8104 工作面開采19 號煤層，煤層平均厚3.2 m、埋深平均320 m，采面開采范圍內地質構造發育，煤巖體力學強度較低。在采面采動動壓影響下采面開采范圍內部分斷層活化、失穩，極其容易出現大面積冒頂、片幫等事故。同時采面開采的19 號煤層為I 類容易自燃煤層，在采面過斷層期間由于推進速度緩慢，極其容易引發遺煤自燃問題。具體礦井附近其他礦井19 號煤層開采過斷層出現災害情況見圖1。

圖1 開采過斷層期間出現災害現場事故圖

采面揭露斷層期間是斷層活化、災害多發階段，在采動動壓以及頂板壓力疊加作用下采面頂板巖層受力急劇加大，導致采面內原有的錨桿、錨索支護體系失效，誘發煤壁片幫、頂板冒落以及支架倒架等事故。采面開采范圍內DF103 斷層（H=1.8 ~ 4.5 m，122°∠49°）對回采有較大影響，該斷層從機巷橫穿進入回采工作面，深入采面距離約為58 m，具體斷層發育位置見圖2 所示。

圖2 斷層發育位置示意圖

2 煤巖體失穩致災分析

根據地質勘探資料顯示，19 號煤層頂板巖層結構為強度低、互層、堅固性差的松軟泥巖、砂質泥巖以粉砂巖，容易風化，抗水浸能力差。8104 綜采工作面開采范圍內地質構造發育，煤巖體內裂隙、節理發育，縱橫交錯，煤巖體強度低，從而進一步弱化DF103 斷層附近煤巖體強度及穩定性。

斷層在8104 采面采動動壓影響下，附近強度較低的煤巖體發生片幫、頂板冒落以及煤巖體失穩等災害概率會顯著增加。當采面推進至斷層附近時，原本處于相對穩定、結構完整的煤巖體在采動動壓作用下變成松散結構，加之斷層附近構造應力作用極其在局部位置引起應力集中，從而使得采面頂板巖層出現冒落事故（如圖1（b）所示）；斷層在采動動壓作用下局部巖層出現滑移，嚴重時使得斷層結構整體失穩從而誘發礦壓異常現象情況。

3 采面過斷層煤巖體協同控制技術

3.1 煤巖體內部耦合控制

煤巖體協同控制方法是基于注漿加固+ 錨桿（索）支護來共同提高破碎煤巖體承載能力，在注漿漿液、錨桿協同作用下使得錨注加固范圍內煤巖體形成一個環狀承載單元。注漿漿液充填煤巖體內裂隙，從而固結原本松散的煤炭體并改善煤巖體力學性質，提高煤巖體自身承載能力。錨桿（索）適宜于控制頂板以及煤壁失穩煤巖體，通過錨桿（索）將易冒落巖體固定到深部穩定巖體上，從而控制頂板巖層冒落及離層量；在采面或回采巷道內煤壁嚴重時可通過施工錨桿來提升煤巖體整體強度，制約破碎區、塑性區發展。

3.1.1 注 漿

注漿加固是煤巖體穩定性內部控制的主要方面，在采面受斷層影響顯著范圍內布置2 排鉆孔，開孔分別距19 號煤層底板1.8、2.5 m，鉆孔鉆進深度均為3.2 m、孔徑均為42 mm，傾角分別為15°、45°。鉆孔施工完成后，采用6 號注漿管向鉆孔內注入水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在0.8~1.0 MPa。

3.1.2 錨桿（索）施工

施工錨桿（索）可給斷層影響附近破碎煤巖體施加一定約束力，錨桿用以降低或者避免淺層松軟煤巖體出現擴散、離層，錨索將破碎煤炭體與深部穩定巖層形成統一承載單元。針對8104 綜采工作面開采動壓影響情況，采用金屬錨桿加固頂板破碎巖體、桁架錨索進行補強支護。具體在斷層影響范圍區間內采面錨桿（索）布置情況見圖3。

圖3 采面錨桿（索）布置示意圖

采面支架頂板上布置螺紋鋼錨桿（規格20 mm×2 500 mm），間排距為800 mm×800 mm，預緊力矩150N·m、錨固力50 kN；錨索采用鋼絞線（規格φ15.6 mm×7 300 mm） 間排距為 1 700 mm×3 000 mm。在采面煤壁上施工玻璃鋼錨桿（φ18mm×2 000 mm）,預緊力矩 150 N·m、錨固力 50 kN。

3.2 外部控制

煤巖體外部控制是通過采用鉸頂、控制回采設備等方式提升采面沒掩體整體穩定性，實現斷層影響區域內破碎煤巖體綜合治理。

3.2.1 煤壁片幫及冒頂控制

煤壁穩定性對實現采面高效、安全開采具有十分重要的影響，現場實測以及以往研究成果表明，40%頂板煤巖失穩發生在支架移架過程中、60%頂板冒落出現在支架頂梁前端片幫區域內[7~8]。當采面煤壁片幫嚴重、頂板出現大面積懸空時應采取措施適當前移液壓支架對頂板進行支撐；當頂板破碎時采用帶壓移架方式并確保支架頂梁接頂；當遇縱深較大片幫時則采用布設鋼梁、絞頂等方式控制支撐頂板。

3.2.2 護幫板約束

在采面液壓支架選型時就應對護幫板進行加寬，并在頂梁以及掩護梁上配置側護機構（可伸縮），適當增大護幫千斤頂護幫力。采用護幫裝置以及液壓支架前探梁支護采面煤壁，避免出現大面積片幫問題。支架伸縮梁動作與采煤機割煤相協調，割煤后及時伸出護幫板。在采面刮板輸送機端頭、機尾空頂區域內采用單體進行約束控制。

3.2.3 增加支架工作阻力

在采面過斷層期間應適當提升液壓支架工作阻力，從而在一定程度上降低支架端頭應力集中程度。液壓支架工作阻力不僅能滿足平衡頂板壓力需要而且能滿足強烈動壓影響時礦壓控制。強化采面液壓支架檢修，確保乳化液泵站提供的乳化液壓力在30 MPa 以上。

3.2.4 調整采高

煤壁片幫與采高密切相關，采高增加時煤壁片幫幾率會隨之加大。在采面過斷層時將采面采高由3.2 m 降低至2.8 m，且過斷層期間嚴格按照設定要求控制采高，采煤機割煤速度以及采深，從而降低采面回采對斷層擾動。嚴格遵循超前移架、帶壓移架相關措施要求，盡量減少液壓支架立柱收縮量。

4 控制效果分析

采用鉆孔窺視技術對斷層影響帶范圍內的破碎圍巖控制效果進行分析。在采面機巷內施工窺視鉆孔，孔深3.5 m，具體獲取到孔深1.5、2.3 m 位置處鉆孔孔壁圖像見圖4。

圖4 鉆孔孔壁圖像

從窺視結果得知，通過注漿加固后注漿漿液充填斷層破碎帶裂隙，在鉆孔內僅有少數位置存在有裂隙，破碎圍巖經注漿后膠結成一整體，抗變形破壞能力顯著提升。同時采面在回采過斷層過程中未出現頂板冒落、煤壁大范圍片幫問題，僅有局部出現片幫深度在0.4 m 以內小片幫；采面礦壓顯現正常。表明，文中提出的煤巖體協同控制技術用以采面過斷層圍巖控制效果顯著。

5 結束語

1）回采工作過斷層時制約生產安全的一個重要方面即為煤巖體破碎，導致頂板、煤壁控制困難。提出采用煤巖體協同控制技術對采面破碎圍巖進行控制，具體：采用注漿使破碎煤巖體膠結成一個整體，通過錨桿（索）提高煤巖體相互適應能力；采用采面煤壁片幫、冒頂控制措施、提升支架載荷并調整采高等外部控制措施降低煤巖體影響。

2）現場應用后，斷層破碎帶內煤巖體穩定性及承載能力顯著提升，采面過斷層期間未有大范圍片幫、冒頂等事故發生，確保了采面回采安全。