S2203 綜采工作面過構造帶方案設計及應用效果

弓 超 凡浩杰

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

回采工作面在遇到地質構造時往往會出現頂板破碎，煤墻側受應力集中作用導致片幫、外鼓等現象，在回采動壓和空頂作業的多重影響下，很容易造成大面積冒頂產生。經過專家學者長期對采煤工作面過構造期間動壓產生機理和圍巖移近觀測，逐漸掌握了一定程度的礦壓顯現規律，從而有針對性地采取如頂板破碎帶注漿、錨網索超前支護、臨時抬棚支護等控制破碎圍巖的措施，并取得一定成效[1-2]。根據實際條件，采取符合礦壓規律的方法，才能實現工作面安全順利推進。

1 工作面概況

余吾煤業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，設計長度728 m 和752 m，切眼沿走向布置，設計長度258 m，工作面標高+654～+706 m。煤層頂板巖性為泥巖、砂質泥巖，局部存在炭質泥巖偽頂，偽頂較發育；直接底多為泥巖、砂質泥巖，基本底以中砂巖為主，質地堅硬，且具有隔水性。工作面上下兩巷均設計矩形斷面，采用錨網索與鋼帶、鋼筋梯子梁等復合支護形式支護頂板。

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 圍巖失穩的構造因素分析

由于3#煤層頂底板自然條件多為泥巖和砂質泥巖，抗壓強度低，遇水后容易出現碎脹和風化脫落，煤巖層結構穩定性差，而且在S2203-1 斷層附近受到構造應力的作用，巖層受到擠壓揉搓，導致裂隙發育，抗拉和抗壓強度進一步降低。此外，斷層是從上巷揭露，斜切進入切眼內，其賦存方位與工作面回采方向呈現一定的夾角，因此，切眼前推的過程中會在較大范圍內受到破碎構造帶的影響，且受回采期間沿回采方向傳遞的采空區動壓及煤體釋放的壓力、周期來壓等應力疊加作用，支架承受的壓力在時間維度也會持續較長時間，很難在短期內達到平衡抵消狀態。因此，需要根據具體呈現在工作面的壓力顯現特征，采取針對性的措施進行預防和加固[2]。

3 過斷層期間圍巖綜合控制技術

3.1 主動支護與內部控制

對破碎帶圍巖的綜合控制技術主要通過主動加固與支護進行圍巖抗壓強度的補強，通過采取措施改變圍巖破碎現狀，利用鉆孔注漿和打設注漿錨桿等方法進行加固，從而改變圍巖的自身條件，形成完整的整體，再對圍巖整體打設錨網索，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生，提升結構的穩定性。此外，利用鉆孔注漿和打設注漿錨桿的方法，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構，達到人為造頂的目的。而且，通過調節漿液比重和注漿泵壓力，可以對大小不同的裂隙和空間進行充填，相比于錨桿和錨索可以到達更深的位置，起到更好的加固懸頂作用，提高圍巖塑性強度。

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育情況，將注漿鉆孔調整至終孔垂高8 m 左右，由切眼上巷口開始布置鉆孔，按每架1.5 m 施工一個頂板方向鉆孔，直至預計延伸至切眼內77架左右結束。為提高注漿量和注漿效果，在切眼回采至斷層附近30 m 時提前開始預注漿，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，根據裂隙發育程度和鉆孔深度，以鉆孔內或周邊裂隙返漿為判定吃漿量標準，注漿壓力控制在0.8～1.0 MPa。根據返漿效果適當調整壓力值，當出現返漿后立即停止注漿，待凝固30 min 后，再次進行補漿。若能夠注漿則繼續注漿工序，以此反復；若無法補漿，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，可結束注漿[3-4]。

3.1.2 錨桿（索）施工

待注漿工序結束，破碎頂板形成一個較完整的整體后，通過補打錨網索進行懸頂補強，將新注漿形成的人造頂板與基本頂較穩定砂巖層相連接，從而達到對架前破碎帶區域的頂板進行主動加固的效果。改造頂板錨網索補強示意圖如圖2。

圖2 改造頂板錨網索補強示意圖

補強區域采用與上下巷掘進期間支護相同的錨桿、錨索規格。螺紋鋼錨桿規格為直徑20 mm，長2500 mm，打設間排距為800 mm×800 mm，標準預緊力為150 N·m，錨固力為50 kN；錨索采用規格為直徑15.6 mm，長度為7300 mm，打設間排距為1700 mm×3000 mm。

3.2 外部輔助工程控制

除了對煤層頂板圍巖采取有效措施進行主動控制外，還可以借助輔助工具，調整采煤工藝和工序等外部手段進行應力干預和控制，通過多種方式綜合防范頂板冒落。

3.2.1 打設臨時支護

過斷層期間，采取小循環割煤工序，每回采30～40 架，要求支架工緊跟割煤機進行推溜拉架。當割煤機速度過快時，要協調好截割速度與拉架速度之間的關系，避免截割過后出現煤墻側空頂時間較長。當出現局部片幫空頂現象時，應當及時停機，支架工使用單體柱和鉸接梁，或者半圓木、圓木等材料，對空頂漏冒處進行加固背設，接頂承壓，避免造成二次漏冒。當加固完成后，繼續割煤與拉架的循環作業，直到通排割煤結束。

3.2.2 支架初撐力動態監測

在回采期間要加強對支架初撐力的動態監測，尤其是出現來壓征兆和有冒頂風險的地區需及時補液、增加工作阻力。拉架時要稍微降低采高，帶壓移架，保持一定的阻力狀態，防止一次性卸載造成支撐下降，發生冒頂事故。技術人員要定期收集分析支架阻力分布狀態和區域，對明顯降阻區域要進行補液和觀測，維持工作面支架和乳化液泵站壓力達到30 MPa 以上。

3.2.3 采高控制

在帶壓移架的過程中，要根據割煤機截割過后實際頂板空頂情況和頂板煤厚情況，適當調整支架高度和采高，確保割煤機滾筒可以順利通過的條件下，將支架前梁和支撐掩護板控制在2.8～3 m，減少架前溜煤的風險，采取托煤回采的方式，盡量從采空區后溜方向將資源回收，從而達到對煤墻保護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，隨機選取支架上方進行打眼鉆探，使用鉆孔內窺儀對頂板煤巖體進行觀察，孔深10 m。只有在3.7 m 和6.4 m 處發現少量的縱向裂隙，且不發育，說明經過注漿之后效果明顯。經過充填之后，過構造期間頂板應力作用和煤墻壓力釋放作用等影響對頂板塑性不構成威脅，未產生新的垮落裂隙，頂幫圍巖支撐強度明顯提升。在回采小循環作業時，煤墻側片幫經過綜合措施顯著減少片幫次數，降低空頂冒落風險。經過初步估算，回采期間單體柱、鉸接梁、圓木以及荊芭等材料投入的費用降低約8.7萬元，為工作面安全過斷層創造有利條件。鉆孔內窺示意圖如圖3。

圖3 鉆孔內窺成果示意圖

5 結論

（1）針對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支護造成的影響，采用頂板注漿、打設錨網索，以及采用架前臨時支護、降低采高和觀測支架初撐力等綜合防范手段，提高支護強度，控制圍巖變形，為工作面回采期間創造了安全的作業環境。

（2）經過采取措施前后的效果分析驗證，對圍巖實現支撐強度的補強，有效降低支護材料的投入費用，保障人身安全，也為工作面今后回采期間遇到構造帶提供有價值的借鑒經驗。