綜采工作面斷層區安全支護技術

李 琛

（晉能控股煤業集團雁崖煤業大同有限公司，山西 大同 037031）

1 8307工作面概述

晉能控股煤業集團雁崖煤業大同有限公司8307工作面位于三盤區西翼，工作面東部、南部、西部為實煤區，北部為盤區西翼回風巷、皮帶巷、輔運巷。

8307 工作面走向長度為1 028 m，傾向長度為228 m，回采煤層為山西組4 號煤層，層屬復雜結構煤層，總厚度為2.0～3.60 m，平均厚度為2.80 m，利用厚度為1.80～3.30 m，煤層中普遍含有1 層夾石，局部含有2 層夾石，煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 山西組4 號煤層頂底板巖性

8307 工作面采用綜合機械化回采工藝，工作面回采至840 m 處位于機尾處揭露一條正斷層，斷層落差為1.8 m，斷層對工作面影響長度為58 m，斷層侵入煤層后造成工作面煤巖體出現應力顯現現象，主要表現在以下幾方面：

1）端面頂板破碎嚴重，端面距達1.7 m，端面頂板破碎后支架在破碎區內初撐力及工作阻力出現不足現象，支架支護效果差，頂板上方出現局部鏤空現象；

2）工作面煤壁片幫嚴重，最大片幫深度為2.4 m，連續片幫最大長度為16 m。

2 工作面圍巖聯合支護技術

為了保證工作面后期安全快速過斷層區，防止頂板垮落及煤壁片幫現象，決定對斷層區圍巖采取“煤壁注漿加固+超前管棚+鋪設柔性纖維網”聯合支護技術[1-2]。

2.1 煤壁注漿加固

通過對斷層區煤巖體采集發現，受斷層應力影響斷層區圍巖成破碎狀，煤巖體單軸抗壓強度不足20 MPa，巖體無規則成型狀態，起不到有效的圍巖承載作用，所以決定對破碎圍巖區采取注漿加固。

2.1.1 注漿加固原理

對破碎煤巖體施工鉆孔，然后對鉆孔內高壓注入注漿材料，注漿材料具有較強的流動性、黏接性，注漿材料在高壓作用下滲透至破碎巖體間裂隙區，并凝固，注漿材料凝固體具有較強的韌性和黏接強度，可對裂隙帶進行填充并將破碎巖體二次重組，提高破碎巖體整體抗壓強度。

2.1.2 注漿材料選取

目前煤礦注漿材料主要分為有機注漿材料和無機化學材料，如水泥砂漿、聚氨酯、雷特因、馬麗散等；水泥砂漿取材方便、成本費用低，但是水泥砂漿作用注漿材料時對砂漿成份及粗細度要求高，而且水泥砂漿流動性差，凝固時間長，不利于大面積注漿施工；馬麗散以及雷特因注漿材料為復合材料，有多種成份配比混合而成，注漿后在凝固過程中會產生大量熱量，對于煤體深部注漿時放入過程中很容易造成煤體自燃，所以通過研究決定采用聚氨酯作為注漿材料，該材料具有流動性好、黏膠能力強、凝固時間短等優點。

2.1.3 注漿工序

1）為了不影響工作面正常回采，注漿施工安排在檢修班進行，首先采用手持式鉆機在8307 工作面斷層區煤壁施工注漿鉆工，即在87～125 號之間前方煤壁，鉆孔布置在距頂板1.5 m 處，鉆孔深度為8.0 m，鉆孔直徑為42 mm，鉆孔與頂板仰角為45°，鉆孔布置間距為3.0 m。

2）注漿鉆孔施工完后對鉆孔內安裝注漿軟管，注漿軟管與混合槍連接，待所有注漿設備安裝到位后開啟注漿泵進行注漿施工，注漿壓力為3.5 MPa。

3）注漿完成3 h 后對注漿區施工校驗孔檢測注漿效果，校驗孔施工在相鄰兩個注漿孔之間，校驗孔深度為5.0 m、直徑75 mm、仰角為45°，校驗孔施工過程中觀察孔內注漿情況，若校驗孔施工完后孔壁成效好且無塌孔現象，確定注漿達標，否則補孔重新注漿。

2.2 超前管棚支護

通過現場觀察發現，由于受斷層應力工作面煤柱支撐強度降低，煤柱內產生裂隙帶破壞了煤柱力學結構，導致煤柱出現垮落，同時應力傳遞作用煤柱前方出現應力超前破壞區，圍巖出現超前破壞，工作面回采時支架無法超前進行支護，導致頂板隨煤柱垮落破碎，這也是導致斷層區圍巖出現破碎的重要原因之一，所以決定對斷層區頂板施工超前管棚支護。

2.2.1 支護原理

對工作面設計頂板垂直施工鋼針、管棚等支護，支護體在煤體內形成梁效應支護作用，可對煤巖體進行超前支護，控制構造應力對煤體超前破壞作用，從而保證工作面在回采時降低煤柱片幫、頂板破碎機率，保證工作面安全回采。

2.2.2 支護結構

初步設計中超前支護體采用玻璃鋼錨桿、鋼錨桿以及中空圓鋼，玻璃鋼錨桿韌性強，對工作面后期回采影響小，但是玻璃鋼錨桿強度低，在應力作用下很容易變形；鋼錨桿雖然強度高但是鋼錨桿為實心，頂板應力在支護孔內無法進行卸壓；所以決定采用中空鋼管，鋼管直徑為35 mm、長度為3.5 m，鋼管中部孔直徑為15 mm，鋼管兩側布置一排均勻的卸壓孔，孔直徑為5 mm、孔間距為0.5 m，在支護過程中圍巖應力沿卸壓孔進入支護孔內進行卸壓作用。

2.2.3 支護工序

1）工作面在揭露斷層后及時將工作面煤矸清理干凈，并將支架移架到位，然后采用鉆機在工作面設計頂板處（87～125 號之間前方）施工一排超前支護鉆孔，如圖1 所示。

圖1 8307 工作面端面破碎頂板聯合支護平面示意圖（單位：mm）

2）支護孔布置間距為1.0 m，鉆孔垂直煤壁布置，鉆孔深度為3.0 m，鉆孔施工完后對鉆孔內填裝錨固劑，然后錨固支護體，支護體支護后外露長度為0.5 m，支護完成后工作面方可繼續回采。

2.3 柔性纖維網支護

工作面端面頂板破碎后若采用傳統鋼筋網進行支護時，鋼筋網在大應力作用下很容易變形，而且采煤機在后期回采時對采煤機磨損嚴重；所以決定對工作面端面破碎頂板上鋪設柔性纖維網[3-5]。

2.3.1 柔性纖維網規格

8307 工作面端面破碎頂板鋪設的聚酯纖維柔性網型號為JDPET600×600MS，每卷纖維網長度為60 m、寬度為20 m，纖維網采用寬度為50 mm 纖維條交錯編制而成，纖維網網格為矩形網格，規格為0.4 m×0.3 m，在單向拉力作用下纖維網橫向最大抗拉強度為580 kN/m，縱向最大抗拉強度為400 kN/m。

2.3.2 施工工藝

1）在工作面回采過程中當端面頂板破碎嚴重時，對頂板破碎柔性纖維網，鋪設時先在85 號、105 號、125 號支架頂梁前方0.3 m 處各施工一個錨桿，錨桿下方安裝一個固定裝置。

2）將纖維網長邊采用一根長度為80 m、直徑為10 mm 鋼絲繩穿拉，將鋼絲繩分別固定在85 號、105號、125 號支架前方錨桿的固定裝置上。

3）在鋪設纖維網時采用玻璃鋼錨桿將其固定在頂板上，玻璃鋼錨桿施工排距為1.0 m，布置間距為3.0 m，玻璃鋼錨桿長度為2.0 m、直徑為22 mm，錨桿外露端安裝直徑為150 mm 玻璃鋼托盤。

3 結語

8307 工作面于2020 年4 月15 日揭露斷層，于5月5 日完全過斷層影響區，通過對斷層區圍巖采取注漿加固、施工管棚支護以及鋪設聚氨酯纖維網后，工作面在后期回采過程中，未出現大面積煤壁片幫、頂板垮落破碎現象。

通過現場觀察發現采取聯合支護技術后，在后期回采過程中工作面端面距控制在0.5 m 以下，煤壁最大片幫深度控制在0.8 m 以下，支架在過斷層區時初撐力、工作阻力達到90%以上。