采煤工作面過斷層煤巖體協同控制技術探析

梁 柯

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048000）

工作面回采過程中會有冒頂和片幫甚至漏矸后果發生于頂板破碎巖層的過斷層，嚴重威脅能否安全的開采煤炭，所以，保證安全開采煤礦的首要前提就是控制具備穩定性的煤巖體。有很多研究人員專門開展研究斷層技術和礦壓顯現過斷層以及煤壁片幫過斷層的采面機理等，指定的措施包括控制穩定性破碎圍巖的相關方法，有加固錨網索施工和注漿等都具備較好的成效。因為過斷層的采面極具復雜的致災因素以及情況相對復雜，所以必須制定詳細的方案去符合當前的過斷層采面形式，幫助獲得較穩定的煤巖體。本文基于過斷層工作面綜采8104 的某礦，研究了協同控制采區礦井煤巖的相關技術。

1 概述工程基本情況

深入挖掘的礦井面對更加復雜地質構造的回采工作面，尤其在過斷層采面開采過程，會出現嚴重的冒落和大面積煤巖體的采面附件失穩，主要是由于卸載和失穩煤巖區域斷層被采動動壓導致的，無法順利安全生產礦井。某礦工作面8104 所開采的煤層19 號具備320m的平均埋深和3.2m的平均煤層厚度，開采的采面發育的地質構造中顯示，具備不高的力學強度煤巖體。采面部分斷層受采動動壓的因素出現了一定程度的失穩和活化，會造成的事故后果是發生大范圍的片幫或者冒頂。煤層1 9 號的采面開采類型屬于極易自燃的Ⅰ類煤層，因為緩慢推進的過斷層采面，經常會出現遺煤自燃的后果。圖1 是采煤層19號礦井過斷層和別的礦井的相關災害現場[1]。

采面斷層揭露時會有較多的災害和斷層活化出現，尤其是頂板巖層采面受到的頂板壓力和采動動壓的共同作用后會更加明顯，之前的錨索支護和錨桿支護都失去了相關的保護作用，進而發生了支架倒架和頂板冒落還有煤壁片幫的后果。開采斷層DF103采面的H=1.8～4.5m，122°∠49°范圍中，會嚴重影響回采，因為它橫穿機巷斷層深度58m，圖2顯示的是詳細的斷層發育地點。

2 分析致災失穩的煤巖體

據顯示的勘探地質資料發現，煤層19 號具備較低強度的巖層頂板結構，還有粉砂巖和砂質泥巖以及松軟泥巖都具備較差的互層堅固性，因為不能很好地抗水浸，所以比較會出現風化后果。開采工作面8104 綜采時發育的地質構造情況是，節理發育和裂隙的煤巖體內，煤巖體縱橫交錯所以強度較差，因此DF103煤巖體附近斷層都不具備良好的穩定性和強度。

采面8104 的斷層受到的采動動壓，使周圍的煤巖體強度不好時特別容易出現失穩和頂板冒落還有片幫后果。在推進采面到斷層周圍后，煤巖體以前屬于結構完整并穩定的，也會被采動動壓松散結構，而且斷層周圍的構造應力集中了其他的位置后，出現了上面圖1(b)的采面頂板冒落巖層的嚴重后果;采動動壓還使斷層產生了一定程度的滑移，甚至出現整體結構斷層失穩產生的異常礦壓的嚴重后果。

3 煤巖體采面協同控制過斷層的主要技術

3.1 耦合控制煤巖體

協同控制煤巖體的詳細過程是：煤巖體破碎承載能力的提高是基于錨桿支護協作注漿加固去實現，承載單元的環狀結構是錨桿和注漿漿液一起對煤巖體形成錨注加固，煤巖體的體內裂隙被煤巖的注漿漿液填充后，將以往的煤炭體松散狀態加固，實現了煤巖體改善其原本的力學性質的目的，最終將煤巖體的承受得到了加深。其中，煤巖體煤壁失穩和頂板控制多數選用錨桿，它可以使經常冒落的巖體，被穩穩地固定于深部巖體中，可以很好的調整頂板巖層的離層量并減少冒落；煤壁回采巷道或采面的整體煤巖強度的提升是利用施工錨桿實現的，屬于發展塑性區和破碎制約區[2]。

3.1.1 描桿施工

附近破碎煤斷層影響巖體可以借助施工錨桿增加相應的約束力，錨桿可以杜絕離層和擴散的煤巖體松軟淺層，錨索統一承載了穩定巖深部層和煤炭破碎體。觀察開采工作面8104 綜采動壓的影響形勢，補強支護巖體破碎頂板的加固選擇了析架錨索結合金屬錨桿。圖3顯示了詳細的布置采面錨桿于斷層周邊的位置圖。

20mm×2500mm 規格的錨桿螺紋鋼布置在頂板采面支架上，設置800mm×800mm的排距，具備50kN的錨固力和150N·m 的預緊力矩；錨索選擇?15.6mm×7300mm 規格的鋼絞線，具備1700mm ×3000mm 的間排距。采面煤壁錨桿選擇?18mm×2000mm規格的玻璃鋼，具備50kN的錨固力和150N·m的預緊力矩。

3.1.2 注槳

穩定性煤巖體實現的原因表現為內部控制的注漿加固法，斷層影響采面的相對明顯區域進行兩排鉆孔的布置，煤層底板19 號的開孔距離選擇1.8m 和2.5m兩種，平均42mm 的孔徑和3.2m 的鉆孔深度，基本是15°和45°的傾角。施工鉆孔后，對孔內的水玻璃和水泥的雙液漿選擇的鉆入注漿管是6 號，控制0.8～1.0MPa范圍的注漿壓力。

3.2 控制外部

控制外部煤巖體選擇回采設備控制和鉸頂幫助采面增加整體掩體的穩定性，達到綜合治理煤巖體破碎區域內的斷層影響。

3.2.1 護幫板控制

采面選擇匹配型號的液壓支架的前提必須加寬護幫板，可伸縮的側護機構需要配置在掩護梁和頂梁，千斤頂可以提升護幫力。采面煤壁選擇液壓支架和護幫裝置去支護前探梁，可以杜絕大范圍片幫現象。采煤機割煤配合伸縮梁支架，完成割煤動作第一時間將護幫板伸出。

3.2.2 控制煤壁冒頂和片幫

具備穩定性的煤壁可以進行安全開采并收獲高效采面的結果，根據實時的研究成果可見，頂板煤巖40%的失穩現象出現于支架移架時，頂板冒落的另外60%發生于片幫區域的支架前端頂梁附近。當煤壁采面出現大范圍懸空或者嚴重片幫時，頂板支撐需要選擇液壓支架的適當移動方案；破碎的頂板為了實現頂梁支架接頂，需要選擇移架帶壓的方式；片幫深度大時，支撐頂板的方式選擇絞頂和鋼梁布設的方法。

3.2.3 采高調整

煤壁采高直接決定是否會片幫，采高越大，越容易出現煤壁片幫。所以降低過斷層的采面高度是2.8m替代了之前的3.2m，過斷層范圍的采高距離必須嚴格控制，另外還需確保采煤機合適的采深和割煤速度，全面幫助斷層擾動采面回采的降低。帶壓移架或者超前移架，更要依據措施去嚴格執行，避免液壓支架帶來的較大的收縮立柱量。

3.2.4 支架工作增加阻力

在過斷層采面加大液壓支架帶來的相應工作阻力，可以實現支架端頭降低集中應力的程度。頂板平衡壓力的實現前提是液壓支架具備合適的工作阻力，礦壓控制可以應對動壓的強烈影響。液壓支架采面的檢修強化，可以提升30MPa 的液泵站帶來的乳化液壓力值。

4 分析控制效果

分析破碎圍巖的斷層范圍影響帶選擇的技術是鉆孔窺視，可以很好地觀測控制效果。巷內施工時采面機需要3.5m孔深的窺視鉆孔，圖4顯示了1.5m和2.3m孔深詳細的鉆孔孔壁位置圖。

經圖4顯示的窺視結果看到，破碎斷層帶進行注漿加固后，裂隙充填了注漿漿液，鉆孔里基本沒有裂隙存在，注漿的圍巖從原先的破碎變為了膠結的整體，大大提升了抗破壞變形的能力。另外回采斷層采面的時候再也沒有發生大面積煤壁片幫或者頂板冒落的后果，只是部分存在小于0.4m深度的較小程度的片幫；具備了正常的采面礦壓。所以本文制定的圍巖過斷層采面控制煤巖體的協同控制技術具備了一定的成效。

5 結束語

（1）過斷層的回采工作出現破碎煤巖體會嚴重影響安全生產，會發生煤壁控制和頂板控制超出范圍的后果。指定的措施是利用協同控制煤巖體的技術，去控制破碎的圍巖采面，主要表現為:煤巖體破碎時利用注漿可以膠結為整體，而煤巖體利用錨桿可以對適應能力得以提升；煤巖體降低影響選擇的措施有調整采高和支架提升載荷以及控制冒頂和煤壁采面片幫等。

（2）實際應用發現，斷層煤巖體的破碎帶大大加強了承載能力和穩定性，過斷層采面的過程不再出現大面積的冒頂或者片幫后果，顯著提升了安全回采工作面的保障。