采煤工作面遇斷層煤壁控制技術(shù)研究

韓海軍

（山西省澤州縣能源局， 山西 晉城 048000）

隨著礦井開采強(qiáng)度、采掘范圍以及開采深度等增加，煤炭生產(chǎn)過程中受地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯以及地下水等影響更趨明顯，安全生產(chǎn)形勢(shì)更趨嚴(yán)峻[1-2]。采煤工作面回采推進(jìn)過地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，煤壁及頂板破碎等，給煤炭生產(chǎn)帶來較為顯著制約，期間容易出現(xiàn)煤壁片幫、冒頂?shù)仁鹿剩煌瑫r(shí)煤壁失穩(wěn)、冒頂?shù)冉o采煤工作面內(nèi)煤炭開采設(shè)備、輔助設(shè)備等正常運(yùn)行帶來制約[3-5]。山西某礦3305 采煤工作面在回采遇到斷層期間，煤壁及頂板破碎同時(shí)部分支架發(fā)出“吱吱”聲響，采面在過斷層期間面臨較大的煤壁片幫、頂板冒落風(fēng)險(xiǎn)。文中就對(duì)采面過斷層期間煤壁穩(wěn)定性控制技術(shù)展開研究，并針對(duì)性提出控制技術(shù)，以期更好的促進(jìn)煤炭開采工作。

1 工程概況

山西某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能1.2 Mt/年，現(xiàn)階段主采3 號(hào)煤層，煤層均值5.8 m，傾角2°～8°，賦存穩(wěn)定，是現(xiàn)階段礦井主采煤層。3 號(hào)煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖、泥巖互層，厚度8.5～14.3 m；直接底為泥巖、粉砂巖互層，厚度9.2～11.7 m。3305 采煤工作面采用綜放開采工藝，采煤高度2.8 m、放煤高度3.0 m，采面面長(zhǎng)設(shè)計(jì)為190 m、推進(jìn)距離1 585 m。在采面回采過程中會(huì)揭露有多條斷層，其中對(duì)采面生產(chǎn)影響較為明顯的斷層包括F3（落差1.2 m）、F5（落差3.5 m）及F6 斷層（落差0.7 m），斷層走向基本與采面推進(jìn)方向平行，具體斷層在采面內(nèi)分布位置示意圖見圖1 所示。

圖1 斷層在采面內(nèi)分布位置示意圖

3305 采煤工作面在回采推進(jìn)至F3、F5 及F6 斷層影響區(qū)內(nèi)時(shí)，采面煤壁出現(xiàn)片幫、頂板出現(xiàn)漏頂情況，給煤炭正常生產(chǎn)帶來制約。為此，需要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定針對(duì)性的采面過斷層煤壁控制技術(shù)方案。

2 采面過斷層期間煤壁穩(wěn)定性分析

在3305 采煤工作面在回采推進(jìn)至F3、F5 及F6斷層影響區(qū)時(shí)，采面煤壁出現(xiàn)片幫情況，片幫深度在0.3～0.95 m，頂板出現(xiàn)小范圍冒頂情況，同時(shí)伴隨有頂板巖層破斷聲音，液壓支架位移量較大。為掌握斷層對(duì)采面圍巖穩(wěn)定性影響，提出采用數(shù)值模擬軟件（COMSOL）及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法進(jìn)行分析。

2.1 模擬分析

在3305 采煤工作面推進(jìn)方向存在有斷層，斷層賦存導(dǎo)致采面煤巖體不連續(xù)、且部分位置煤巖體破碎。由于F5 斷層對(duì)采面生產(chǎn)影響較為顯著，為降低模擬難度文中就僅分析F5 斷層對(duì)采面周邊應(yīng)力分布影響，具體3305 采煤工作面推進(jìn)至F5 斷層時(shí)圍巖應(yīng)力分布模擬結(jié)果見圖2 所示。

圖2 3305 采煤工作面斷層影響區(qū)應(yīng)力分布云圖

通過模擬發(fā)現(xiàn)，在F5 斷層影響范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力出現(xiàn)一定程度集中，應(yīng)力集中峰值為45 MPa；在靠近3305 運(yùn)輸巷一側(cè)，斷層引起的應(yīng)力影響范圍較長(zhǎng)，長(zhǎng)度約為40 m，影響范圍內(nèi)應(yīng)力值介于35～45 MPa；在靠近3305 回風(fēng)巷一側(cè)斷層引起的應(yīng)力影響范圍相對(duì)較短，影響長(zhǎng)度為5 m，影響范圍內(nèi)應(yīng)力值介于30～45 MPa。斷層發(fā)育導(dǎo)致構(gòu)造應(yīng)力集中，加之受到采動(dòng)動(dòng)壓影響，煤壁及頂板裂隙在應(yīng)力作用下進(jìn)一步破碎，從而增加煤壁片幫、冒頂風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

3305 采煤工作面現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)布置126 架綜放液壓支架，單架頂梁寬度為1.5 m，其中40 號(hào)～80 號(hào)綜放支架支撐范圍為F3、F5 及F6 斷層支護(hù)范圍，58號(hào)～63 號(hào)支架支撐范圍主要為F5 斷層影響區(qū)。采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法對(duì)采面礦壓顯現(xiàn)情進(jìn)行分析，具體獲取得到采面液壓支架工作阻力分布情況見圖3 所示。

圖3 采面支架壓力分布圖

從圖3 中看出，在F3、F5 及F6 斷層影響范圍內(nèi)采面綜放支架工作阻力明顯增加，其中60 號(hào)支架工作阻力最大，達(dá)到45 MPa。隨著采面與斷層距離增加，液壓支架壓力呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；根據(jù)采面液壓支架壓力分布看出，在面向運(yùn)輸巷一側(cè)且與斷層相距30 m 范圍內(nèi)時(shí)，液壓支架壓力由28 MPa 陡增至45 MPa，支架壓力增長(zhǎng)梯度為2.3 MPa/m；在面向回風(fēng)巷一側(cè)且與斷層相距30 m 范圍內(nèi)時(shí)，液壓支架壓力由45 MPa降低至31 MPa，支架壓力降低梯度為1.3 MPa/m。在斷層影響范圍內(nèi)，靠近運(yùn)輸巷一側(cè)應(yīng)力變化幅度為靠近回風(fēng)巷一側(cè)的1.77 倍。

采面內(nèi)在斷層影響范圍內(nèi)出現(xiàn)液壓支架壓力分布不均衡，主要是由于斷層構(gòu)造應(yīng)力、煤巖體破碎以及采動(dòng)壓力等綜合疊加影響；同時(shí)采面頂?shù)装鍘r體較為破碎，導(dǎo)致各區(qū)域液壓支架壓力變化較為明顯。

3 采面煤壁穩(wěn)定性控制技術(shù)

通過數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)在斷層影響范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力集中，在應(yīng)力作用下煤壁及頂板容易出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)仁鹿剩煌瑫r(shí)構(gòu)造作用下頂板、煤壁裂隙發(fā)育，承載能力不強(qiáng)等會(huì)進(jìn)一步增加煤壁不穩(wěn)定性[6-9]。為提高煤壁穩(wěn)定性，需要對(duì)斷層影響范圍內(nèi)進(jìn)行針對(duì)性加固，若在采面對(duì)加固煤壁則會(huì)給采面正常生產(chǎn)帶來制約；若在回采巷道內(nèi)（超前采面20 m 范圍內(nèi)），則施工區(qū)域受采動(dòng)影響明顯，安全系數(shù)較差。目前千米鉆機(jī)在煤礦井下應(yīng)用逐漸普遍，從而為長(zhǎng)距離加固工作開展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。為確保采面正常生產(chǎn)，提出在遠(yuǎn)離采面生產(chǎn)位置的回采巷道內(nèi)，通過千米定向鉆機(jī)向斷層影響區(qū)域內(nèi)進(jìn)行加固，實(shí)現(xiàn)斷層影響范圍內(nèi)煤體加固、采面生產(chǎn)同步開展。

現(xiàn)場(chǎng)施工采用的鉆機(jī)型號(hào)為ZYL-17000D，鉆孔布置點(diǎn)超前采面220 m，鉆孔孔深控制在240～260 m間，鉆孔鉆進(jìn)時(shí)采用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（型號(hào)YSX15）掌握鉆孔軌跡，提高鉆孔鉆進(jìn)精度以及注漿加固效果。加固材料選擇使用水泥單液漿，水灰質(zhì)量比按照1.00∶1.28～1.00∶2.00 確定，并在注漿漿液中添加一定量的速凝劑。具體采面內(nèi)加固鉆孔布置見圖4 所示。在采面運(yùn)輸巷施工鉆場(chǎng)，并在鉆場(chǎng)內(nèi)施工4 個(gè)注漿鉆孔，對(duì)斷層影響區(qū)進(jìn)行全覆蓋；注漿鉆孔施工完畢進(jìn)行注漿，具體鉆孔施工參數(shù)以及單孔漿液注入量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1 所示。

圖4 超前注漿加固鉆孔布置示意圖

表1 鉆孔施工參數(shù)以及單孔漿液注入量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注漿鉆孔采用GL 90—125 型雙液注漿泵注漿，該注漿設(shè)備注漿壓力在0～15 MPa 可調(diào)，額定注漿流量為7 m3/h，注漿泵出漿口、吸漿口直徑分別為32 mm、38 mm。注漿鉆孔采用膠囊封孔；注漿段長(zhǎng)度為80 m，主要加固區(qū)集中在斷層影響區(qū)。

4 加固效果分析

通過在運(yùn)輸巷內(nèi)向斷層影響區(qū)進(jìn)行加固，提高影響范圍內(nèi)煤巖體強(qiáng)度及穩(wěn)定性，整個(gè)注漿加固工作耗時(shí)5 d 完成。在采面推進(jìn)至加固區(qū)域后，采面煤壁片幫、冒頂情況得以有效解決，煤壁穩(wěn)定性得以顯著提升；為進(jìn)一步考察注漿加固效果，對(duì)采面液壓支架壓力進(jìn)行測(cè)定，具體結(jié)果見下頁圖5 所示。

圖5 注漿后支架壓力分布圖

從采面液壓支架壓力分布情況看出，采面內(nèi)液壓支架壓力分布較為均衡，壓力介于20～30 MPa；在斷層影響范圍內(nèi)液壓支架壓力也未出現(xiàn)明顯的增加或者降低。表明通過對(duì)斷層影響區(qū)進(jìn)行加固，提高了液壓支架圍巖支護(hù)效果。

5 結(jié)論

1）在斷層影響內(nèi)受到采動(dòng)壓力、構(gòu)造應(yīng)力以及圍巖破碎等多因素影響，3305 采煤工作面在F3、F5 及F6 斷層影響區(qū)內(nèi)回采時(shí)出現(xiàn)不同程度片幫、冒頂?shù)惹闆r，給采面正常生產(chǎn)帶來制約。提出采用數(shù)值模擬技術(shù)方法、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法對(duì)斷層影響區(qū)內(nèi)應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在斷層影響范圍內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)一定程度增加，在高應(yīng)力作用下會(huì)進(jìn)一步降低斷層影響范圍內(nèi)破碎煤巖體穩(wěn)定性，導(dǎo)致煤壁及頂板失穩(wěn)。

2）采用注漿方式對(duì)斷層影響范圍內(nèi)進(jìn)行加固，為降低注漿工作對(duì)煤炭開采影響，在運(yùn)輸巷超前采面200 m 范圍內(nèi)布置鉆場(chǎng)，向斷層影響區(qū)進(jìn)行注漿。并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)注漿方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，斷層影響范圍內(nèi)煤巖體強(qiáng)度及穩(wěn)定性得以明顯改善，采面在斷層影響區(qū)內(nèi)推進(jìn)時(shí)基本不出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)惹闆r，同時(shí)采面內(nèi)液壓支架壓力分布平穩(wěn)。表明，現(xiàn)場(chǎng)采用的煤壁控制技術(shù)措施切實(shí)可行。