大采高綜采工作面過斷層技術研究

王 冰

(山西焦煤西山煤電斜溝礦，山西 興縣 033600)

隨著綜采設備不斷發展，大采高工作面憑借其產量高、成本低、生產集中以及采空區遺煤量少等優點，是現階段厚煤層高效開采的主要技術方法之一[1-2]。隨著工作面采高增大，煤壁穩定性變差、開采引起礦壓顯現更為凸顯，特別是采面開采遇斷層時圍巖穩定性及強度較低，加之大采高綜采設備靈活性較差，會給推進效率、生產安全等帶來一定制約[3]。當采煤工作面遇落差較小或者影響范圍不大的斷層時，為提高生產效率一般采用平推硬過方法過斷層，并通過改變采煤機截割進尺、超前移架等方式控制頂板，但是由于不能改變煤體及頂板強度及穩定性，無法從根本上杜絕冒頂或者片幫事故發生[4-5]。注漿是提高煤壁及頂板穩定性的主要技術方法，文中就以13205大采高綜采工作面過斷層為背景，對工作面過斷層技術及圍巖控制技術進行分析探討，以期為類似情況下其他大采高工作面過斷層圍巖控制提供經驗借鑒。

1 工程概況

1.1 地質概況

13205大采高綜采工作面開采13號煤，厚度4.49 m，傾角7～13°(均值為10°)，煤層結構穩定、裂隙不發育。以往礦井開采13號煤采用綜放開采方式，不同程度存在采空區遺煤量大、采出率低等問題，同時面臨較大的防滅火及瓦斯治理壓力。為此，礦井提出采用大采高綜采方式回采13號煤，13205綜采工作面為礦井首個大采高綜采工作面，設計走向、傾向長分別為1 059 m、200 m。13號煤層頂底板巖性參數見表1。

表1 13號煤頂底板巖性

13205綜采工作面切眼掘進過程中揭露有F12斷層(H=6.5～8.0 m，212°∠33°)，該斷層與采面推進方向有25°夾角，走向影響范圍約為50 m，傾向影響范圍主要集中在90～105號支架間(影響長度約32 m)，具體切眼內F12斷層剖面如圖1所示。

圖1 F12斷層在采面內分布剖面圖

1.2 采面過斷層安全風險

鄰近礦井采用大采高綜采工藝開采13號煤層時，超前支承壓力影響范圍為80 m，應力峰值一般位于采面前方8～15 m，應力集中系數2.5～3.5。13205綜采工作面采高4.49 m，采用壓力顯現明顯，同時，F12斷層影響范圍內煤巖體裂隙發育，采面過斷層期間容易發生片幫或者垮落等事故。

13205工作面回采時F12斷層影響范圍內(90～105號支架間)出現不同程度漏頂情況，起初通過在液壓支架上方布置半圓木或者枕木方式維持頂板穩定，但是應用效果不佳。已有工程應用實踐表明，通過向頂板破碎巖體內注入馬麗散、羅克休可提高頂板穩定性，為此，在13205綜采工作面推進過F12斷層影響區時，擬在90～105號支架間向頂板注入化學漿液，對頂板進行充填加固，從而為采面安全回采創造良好條件。

2 注漿加固應用

在13205綜采工作面90～105號支架間向采面煤壁、破碎頂板施工鉆孔，通過向鉆孔內注入注漿漿液，提高煤巖體穩定性。注漿漿液起到的加固作用主要體現在以下方面[6-8]：①網絡骨架，漿液裂隙中擴散、膠結后形成網絡骨架，提高破碎煤巖體穩定性及整體性；②黏結補強，注漿漿液在裂隙中擴散，對裂隙面產生一定黏結力，提高裂隙附近煤巖體強度及剛度；③充填壓實，注漿壓力作用下漿液充填小縫隙，降低煤巖體孔隙率，從而提高注漿加固區域煤炭體強度。

2.1 加固技術方案

2.1.1 加固材料

對于頂板垮落或者漏頂區域采用注入羅克休材料。羅克休包括催化劑、樹脂2種成分，膠結后體積可膨脹30倍以上，硬化后結構抗壓強度約0.2 MPa，可起到臨時阻止頂板垮落、下沉作用。

對于頂板垮落或者漏頂區域注入羅克休后，在90～105號支架間提前布置鉆孔，向鉆孔內注入馬麗散，通過馬麗散將松散、不穩定性煤巖體膠結為一個整體，提高加固區煤巖體穩定性。馬麗散材料包括催化劑、樹脂2種成分，混合后具有較高的粘結力及強度，同時可注效果較好，能在小縫隙中滲透并膨脹。

2.1.2 施工準備

檢測壓風管路，確保可提供0.4～0.7 MPa動力風源。提前準備壓風管、高壓注漿軟管，壓風管路長度滿足注漿泵、風源點距離需要，注漿軟管長度滿足注漿泵與注漿點距離需要。現場注漿材料、設備等均應按照要求運送至注漿點附近并按照要求整齊碼放。

在注漿點現場準備水、清洗劑(5%～10%燒堿溶液)，并配備木鍥、棉紗等避免注漿漿液從縫隙中大量外溢。

2.1.3 注漿壓力

鉆孔注漿壓力控制在3～5 MPa，注漿量依據現場情況確定。終止注漿條件為：在設計注漿壓力下穩定10 min以上；注漿鉆孔周邊漿液外溢嚴重。

2.1.4 注漿施工工藝

1) 向頂板垮落區注入羅克休，具體注入工藝為：①按照設計要求連接注漿泵，高壓軟管等；②注漿開始時，將吸漿管分別放入到催化劑、羅克休樹脂筒內，按照1∶4配比混合后經過高壓軟巖、注射槍注射到漏頂區域，漿液在漏頂區反應后充填整個漏頂區并對頂板施加一定支撐力；③注漿完成后清洗吸漿管、高壓軟管及注射槍，用清洗劑及清水分別沖洗注漿泵、附屬管路，羅克休樹脂側采用清水清洗、催化劑側采用清洗劑清洗。

2) 注入馬麗散。具體鉆孔布置如圖2所示，施工工藝為：①鉆孔施工，在90～105號支架間布置鉆孔，鉆孔布置在煤壁上距離頂板1.0 m、仰角33°、孔深6 000 mm、孔徑45 mm，鉆孔間距為3.0 m；②注漿，采用高壓泵注漿，吸漿管分別放入催化劑以及樹脂筒內，通過高壓泵向鉆孔內注入馬麗散，注漿從90號液壓支架位置向105號支架方向依次進行；③注漿完成后清洗注漿系統，清洗方式與注入羅克休方式一致。

圖2 馬麗散鉆孔布置圖(mm)

2.2 注漿效果分析

在13205綜采工作面過F12斷層初期，由于斷層影響范圍內煤巖體破碎、穩定性較差，97～104號支架間出現不同程度漏頂情況，液壓支架工作阻力達不到設計要求、初撐力普遍偏低，導致支架與頂板接觸不良甚至出現擠架情況，不僅影響支架移動而且給生產安全帶來一定影響。采用羅克休、馬麗散漿液對垮落區進行充填并提高斷層影響區煤巖體強度，杜絕了后續回采過程中冒頂或片幫等情況，斷層影響附近液壓支架正常接頂，可維護頂板穩定。具體注漿前后斷層影響區內液壓支架工作壓力統計結果如圖3所示。在注漿加固前，97～104號液壓支架與頂板接觸不良，甚至部分支架出現傾倒征兆，此部分液壓支架工作阻力普遍偏低；注漿加固后，液壓支架與頂板均密切接觸，支架穩定性增強及工作阻力增加，可實現采面頂板有效控制。

圖3 注漿前后斷層影響區內液壓支架工作壓力統計結果

3 結 語

1) 大采高綜采工作面回采時礦壓顯現明顯，當采面過斷層等地質構造時，在采動壓力、構造應力、圍巖破碎以及采高較大等因素共同作用下，極易出現冒頂、片幫等情況，影響采面回采安全。

2) 13205綜采工作面采高為4.49 m，采面內發育的F12斷層走向、傾向影響范圍分別為50 m、32 m，由于斷層處于采面中部，為此采用平推硬過方法過該斷層。在過斷層期間，受多因素制約，98～104號支架間出現不同程度漏頂情況、支架初撐力偏低，同時伴隨有片幫情況。依據現場情況，提出采用羅克休對冒頂區域進行充填，采用馬麗散加固斷層影響區煤巖體強度及穩定性，并對具體注漿加固方案進行設計。

3) 現場應用后，13205綜采工作面在后續回采過斷層期間，斷層影響區內液壓支架支撐力始終在穩定范圍內且與頂板接觸良好，頂板及煤壁始終保持穩定，為采面安全高效過斷層創造良好條件。