綜采工作面過斷層破碎帶精細化片幫防治技術

崔豪桐

（晉能控股煤業集團晉城煤炭事業部，山西 晉城 048000）

在采動應力作用下，大采高工作面極易出現煤壁片幫、冒頂現象，特別是在工作面過斷層區域。姜耀東、王豐旺等針對斷層活化機理、煤壁片幫防治技術等進行了廣泛且深入的研究[1-4]。

1 概況

長平礦III4306 工作面北部為膠輪車大巷（已掘），東部為4304 工作面（正在布置），西部尚未布置工作面，南部為礦界。工作面順槽長1420 m，傾斜寬220 m。4306 工作面開采3#煤層，煤層平均厚度為5.67 m，煤層傾角2°～6°，平均3°，埋深平均為450 m。工作面推進到810～1110 m 段為仰采，機頭高機尾低，最大落差約30 m。根據工作面順槽巷道揭露和槽波探測分析，工作面受到多個斷層影響，主要有SF152、SF180、SF144、SF129、SF92、SF91、SF120、SF75、SF116 和SF72 等。

2 采動應力對斷層的穩定性影響分析

開采過程中，隨著煤炭資源的采出，其圍巖結構、應力狀態等均遭到破壞，原巖應力重新分布，會在周圍巖體中產生應力集中現象。從工作面推進方向來看，采煤工作面前、后方的采動應力形成一個壓力拱，兩個拱腳分別作用于工作面前方煤壁和采空區后方矸石。由于工作面前方超前支承壓力是上覆巖層由于自重的作用向采空區兩側的轉移，所以在工作面自上盤鄰近斷層弱面時，其主應力向斷層上盤方向偏轉；反之當工作面位于斷層下盤時，斷層面上主應力向斷層下盤方向偏轉。因此，采煤工作面和斷層之間的位置、空間關系，使得采煤工作面過斷層影響區時，頂板巖塊形成不同的幾何形態，同時采動應力在斷層面上呈現不同的應力作用，斷層產生活化的危險性不同，采煤工作面出現片幫、塌方、冒頂的危險性也不同。

3 工作面開采遇斷層活化狀態分區

沿采煤工作面推進方向做剖面，在通過斷層構造時，呈現出由斷層上盤進入斷層下盤和由斷層下盤進入斷層上盤兩種情況。

（1）采煤工作面自斷層上盤進入下盤。采煤工作面位于斷層上盤推進至斷層面時，由于主應力的偏轉，能夠增加斷層面的有效摩擦，在一定程度上降低斷層出現滑移的危險。因此，在這種情況下，工作面煤壁斷層上盤區域和斷層下盤區域其煤壁穩定性基本無差異。在工作面推進進入斷層下盤一定長度后，其支架壓力和前方煤壁應力均會出現升高，應加強液壓支架的管理。

（2）采煤工作面自斷層下盤進入上盤。采煤工作面位于斷層下盤推進至斷層面時，斷層面上主應力向斷層下盤方向偏轉，在斷層帶上會產生平行于斷層面的剪切應力，極易引起斷層的活化。在這種情況下，采煤工作面斷層兩側必然處于不同的活化狀態。采煤工作面上盤側已通過斷層面，在斷層面附近由于斷層形成過程中周邊煤巖體遭到破壞，需進行治理，其余區域煤壁及頂板則相對較好。采煤工作面斷層下盤側，在高應力的作用下極易出現采煤工作面煤壁片幫和冒頂現象，且出現片幫的范圍、深度更大，頂板空頂距也更大，更易引起頂板冒頂，需要對其進行重點防治。

4 煤壁片幫分區精細化防治技術

根據斷層和采煤工作面之間的位置和空間關系，確定采煤工作面過斷層分區精細化片幫防治總體思路，如圖1。

圖1 分區精細化防治技術方案簡圖

4.1 斷層精細化探測

采用槽波等物理探測手段，對工作面內可能存在的斷層進行探測，圈定其影響范圍；采用鉆探方法，對斷層的參數、影響范圍進行精細化探測，并確定斷層在工作面推進方向上兩側及斷面層兩側的影響范圍。

4.2 工作面分階段管理

（1）斷層與工作面斜交。① 在工作面距斷層約30 m 時，開始做過斷層的準備工作。需全面檢修工作面液壓支架，并加強對工作面液壓支架的管理，保證移架后的初撐力能夠滿足規程措施要求。同時調斜工作面，使工作面同時揭露斷層范圍相對減小。② 在工作面距斷層約15 m 時，需穩定工作面割煤速度，做到割煤后追機移架，及時打開護幫板，保證對工作面煤壁的支護阻力，同時保證支架對頂板的初撐力滿足要求。遇到頂板破碎時，采用帶壓擦頂拉架，盡量避免出現漏頂現象。對于綜放工作面則停止放頂煤以維護頂板。③ 在工作面距斷層約5 m 時，工作面需調整到可調斜的合適角度，并穩定工作面割煤速度，做到割煤后追機移架，及時打開護幫板，保證對工作面煤壁的支護阻力，同時保證支架對頂板的初撐力滿足要求。對于綜放工作面在斷層影響區域停止放頂煤以維護頂板。此外，該階段還需對破碎煤巖體進行注漿加固，以維護工作面煤壁及頂板安全。④ 在工作面通過斷層影響區后，工作面可逐步調正。對于綜放工作面可開始放頂煤。

（2）斷層與工作面近似平行。此時調斜工作面意義不大，在距斷層30 m 時需加強工作面管理，在距斷層15 m 時需重點進行破碎煤巖加固。

4.3 重點階段注漿加固

（1）超前注漿。在工作面順槽進行超前深孔注漿加固，以提高破碎煤巖體結構面的力學性能，從而提高在超前支承壓力作用下的承載能力。對于大采高工作面，注漿主要加固工作面上部煤體；對于綜放工作面，需對機采范圍上部煤體和支架上部的煤體進行加固。

（2）面內分區加固。① 工作面自斷層上盤逐步進入下盤，此時，在工作面斷層影響區均勻布置復合材料注漿加固鉆孔；② 工作面自斷層下盤逐步進入斷層上盤，此時，斷層下盤極易活化，工作面往往易出現大范圍的片幫現象，對工作面安全開采影響極大。此時，對于斷層影響區需加密復合材料注漿加固鉆孔，特別是對于工作面下盤影響區域，必須加密鉆孔并保證單孔注漿量和注漿質量。

5 工業試驗

5.1 防治方案

按照工作面過斷層整體對策，結合4306 工作面實際情況，在4306 工作面過斷層期間，采取以下工作面片幫冒頂防治方案：

（1）工作面回采距斷層約30 m 時，對液壓支架進行全面檢修，保證其全部支架處于正常工作狀態；此時開始割煤后及時移架，并保證支架初撐力和護幫板對煤壁的支護。

（2）在工作面順槽巷道布置超前深孔注漿加固鉆孔。注漿分兩次施工，均為上下排布置，首先施工一次注漿鉆孔，采用“三花”形式布置鉆孔，施工完成后即進行注漿加固。其次，在一次鉆孔對應的上下排位置布置二次注漿鉆孔，兩次鉆孔形成矩形布置，待距工作面25～45 m 時進行注漿。注漿鉆孔布置參數需結合斷層具體位置和煤層起伏變化情況來確定，SF144、SF129、SF92、SF91 等斷層處注漿加固鉆孔布置參數如圖2。

圖2 鉆孔布置圖（m）

（3）根據探測顯示斷層對工作面影響相對較小，在工作面即將過斷層時，準備復合材料注漿設備及材料，如出現超過3 個架的片幫時及時進行面內加固。

5.2 效果分析

采用以上技術后，4306 工作面在前期回采過程中，未出現連續3 架和深度超過0.5 m 的煤壁片幫現象，工作面煤壁和頂板良好。在工作面連續過斷層期間，工作面推進速度穩定高效，日推進速度最高達到11.5 m，產煤2 萬t，實現連續20 d 的穩產、高產，實現了大采高工作面安全高效過斷層。

6 結論

（1）分析了采動應力對斷層活化危險性的影響。工作面由上盤進入下盤，主應力向上盤偏轉增加斷層面的有效摩擦，降低斷層滑移危險；反之主應力向斷層下盤方向偏轉，產生平行于斷層面的剪切應力，增加斷層滑移危險。

（2）根據工作面揭露斷層情況，對工作面進行分區。工作面由斷層下盤向上盤開采時，斷層對工作面煤壁影響大，極易出現片幫，特別是斷層下盤區域。

（3）根據斷層的活化危險性以及工作面分區，結合大采高和綜放工作面的不同特點，詳細敘述了工作面距斷層不同距離、工作面位于上或下盤不同位置時的片幫防治方案，并在不同煤井不同工作面進行了試驗，效果顯著。