煤礦綜采工作面過斷層時(shí)的頂板控制措施探析

韓叢波

（冀中能源股份有限公司葛泉礦，河北 邢臺(tái) 054001）

煤礦開采作業(yè)的復(fù)雜性與專業(yè)性是毋庸置疑的，為確保開采作業(yè)的安全與有效，必須按照要求做好安全防護(hù)工作。比如在進(jìn)行斷層開采煤炭作業(yè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)受到綜采工作面的影響，如果綜采工作面的施工效果不佳，則必然影響到煤炭開采通道的安全性。再比如煤礦綜采工作面在過斷層時(shí)，對(duì)頂板可能會(huì)造成不良影響，出現(xiàn)頂板破損裂開的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)頂板垮落的風(fēng)險(xiǎn)事件，對(duì)整個(gè)煤礦開采作業(yè)影響巨大[1]。所以，非常有必要分析探究煤礦綜采工作面過斷層時(shí)的頂板控制要點(diǎn)及措施，本文結(jié)合當(dāng)前的相關(guān)研究成果，對(duì)此進(jìn)行系統(tǒng)的分析探究，為從事煤礦開采作業(yè)的朋友們提供些許建議。

1 斷層采煤的潛在風(fēng)險(xiǎn)

近些年來，煤礦開采作業(yè)的難度越來越大，開采作業(yè)所處的地質(zhì)地形環(huán)境變得較為惡劣，尤其是經(jīng)常性出現(xiàn)斷層采煤的情況。一些大型煤田往往會(huì)橫跨多個(gè)省份和地質(zhì)結(jié)構(gòu)帶，所以煤礦的開采作業(yè)不可避免地受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，影響最大的便是斷裂帶。當(dāng)?shù)貧み\(yùn)動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，從而形成斷層，斷層這一種情況的出現(xiàn)，導(dǎo)致實(shí)際的煤礦開采作業(yè)面臨較多的安全隱患，甚至是威脅到現(xiàn)場(chǎng)工作人員的生命安全。目前來看，斷層采煤作業(yè)的潛在風(fēng)險(xiǎn)是很高的，危險(xiǎn)性集中體現(xiàn)在三個(gè)方面。第一，在煤礦開采作業(yè)中遇到斷層時(shí)，如果工作面的斷層越多，則頂板所承受的壓力越大，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)頂板坍塌事故[2]。第二，如果煤礦中已經(jīng)存在有害氣體、水資源，則在通過斷層時(shí)會(huì)有很大的風(fēng)險(xiǎn)。如果過斷層時(shí)不慎流露水資源、有害氣體，會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)工作人員造成嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)。第三，斷裂破損帶區(qū)域支架頂梁可以發(fā)揮出重要的作用，如果出現(xiàn)破損的頂板，則必須及時(shí)進(jìn)行支擋和加固的處理。在此過程中，頂梁所形成的作用力通常會(huì)加速頂板破損速度，當(dāng)支架的作用越大，則頂板破損會(huì)越強(qiáng)，如此一來，便會(huì)導(dǎo)致頂板整體破損的問題，支架支護(hù)效率不佳。

2 煤礦綜采工作面過斷層時(shí)的采煤方式

從當(dāng)前煤礦綜采工作面過斷層時(shí)的采煤作業(yè)來看，積累了一些較為成熟的采煤方式，能夠取得較好的運(yùn)用效果。需要特別注意一點(diǎn)，即為了最大限度避免影響到斷層采煤作業(yè)的安全性和有效性，需要在開采作業(yè)開始前全面勘察斷裂區(qū)域的具體情況，在此基礎(chǔ)上制定出科學(xué)有效的采煤方案。在煤礦綜采工作面過斷層時(shí)，采煤方式主要有三種，即直接割煤過斷層、割頂或者割底、斷層上下底相結(jié)合。

在運(yùn)用直接割煤過斷層這一方式時(shí)，可以有效避免綜采工作面和斷層有所接觸。作為一種常用方式，直接割煤過斷層有適用場(chǎng)景，當(dāng)斷裂區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)較厚，且礦井煤層較厚時(shí)，便可以考慮運(yùn)用直接割煤過斷層這一方式[3]。

割頂或者割底采煤這一方式的運(yùn)用相對(duì)廣泛，主要是適用于斷層巖塊不硬這一條件。在煤礦綜采工作面過斷層時(shí)，為了有效打掃通道中的石頭、巖塊，通常都是采取爆破的形式，但同時(shí)容易誘發(fā)通道坍塌這一風(fēng)險(xiǎn)事件。針對(duì)于此，通過采用割頂或者割底采煤，既可以有效地處理無用的巖塊、石頭，也可以有效增加通道內(nèi)的使用面積，爆破作業(yè)所造成的危害可以得到最大限度的防止。

斷層上下底相結(jié)合這一方式的適用條件相對(duì)嚴(yán)格，當(dāng)前并未得到廣泛的運(yùn)用。如果煤盆地面積較大，且出現(xiàn)較大的斷裂區(qū)域，則可以考慮運(yùn)用斷層上下底相結(jié)合這一方式。通過技術(shù)處理，斷層區(qū)域可以保持一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)，如此一來，能夠大大提高斷層區(qū)域煤礦開采作業(yè)的安全性，對(duì)提高煤礦開采作業(yè)的效率也有十分大的裨益。

3 煤礦綜采工作面過斷層時(shí)的頂板控制措施

3.1 設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)管理控制要求

（1）從源頭制定工作面有關(guān)管理制度，包括工作面地質(zhì)分析和頂管管理制度，三級(jí)審核工作面地質(zhì)分析報(bào)告和頂板設(shè)計(jì)、施工管理計(jì)劃，采取有效措施，杜絕工作面冒頂。（2）科學(xué)編制采區(qū)巷道布置、開采程序、工作面支護(hù)形式和工作面頂板管理方案。認(rèn)真編寫采煤工作面作業(yè)規(guī)程、工作面初采初放和收尾平安技術(shù)措施、初次來壓和周期來壓的特殊支護(hù)措施，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)煤層及頂板的變化情況對(duì)作業(yè)規(guī)程進(jìn)行修改和補(bǔ)充。（3）施工過程中，嚴(yán)格按照制定的支護(hù)作業(yè)規(guī)程進(jìn)行施工作業(yè)，從施工材料，施工質(zhì)量控制進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工管理，按照有關(guān)施工、監(jiān)管有關(guān)制度加強(qiáng)監(jiān)督審查，杜絕空頂作業(yè)。在保證施工質(zhì)量的同時(shí)，優(yōu)化布置，及時(shí)支護(hù)到位。對(duì)工作面過老空區(qū)、舊巷和斷層等區(qū)域時(shí)，要制定專項(xiàng)的平安技術(shù)措施并嚴(yán)格遵照?qǐng)?zhí)行。（4）必須嚴(yán)格按照“先支后回”的原則只設(shè)支柱，禁止違規(guī)提前摘撤支柱，尤其是風(fēng)、機(jī)兩巷超前及上、下端頭頂板支柱，對(duì)工作面造成危險(xiǎn)，損壞的支柱要必須及時(shí)更換，定期開展支柱檢查。（5）按照制度要求，回風(fēng)巷、機(jī)巷至少準(zhǔn)備使用量10%以上的單體支柱、枕木和背板等備用支護(hù)材料，材料必須符合工作面使用規(guī)程要求，質(zhì)量安全可靠，并存放規(guī)整，使用方便。（6）靠近煤壁的局部冒頂，應(yīng)采取正確的支護(hù)方法，看采用正懸臂交接頂梁還是倒懸臂交接頂梁支撐時(shí)看看底板的巖性，如果較軟時(shí)應(yīng)對(duì)支柱進(jìn)行穿鞋，要保持支柱垂直底板，使其到達(dá)足夠的初撐力；對(duì)易偏幫的應(yīng)進(jìn)行掏窩掛梁的方法。（7）進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，按照科學(xué)要求裝配藥量，保護(hù)附近的支架和機(jī)器，杜絕安全隱患。（8）對(duì)工作面上下兩端出口采取木垛支護(hù)，加大支架的側(cè)應(yīng)力，防止壓力增大，支架變形傾倒，巷道偏幫。另外，在設(shè)計(jì)巷道支護(hù)時(shí)，避開斷層，防止斷層，保持掘進(jìn)在完整巖石層中。

3.2 做好注漿加固施工

當(dāng)煤礦綜采工作面過斷層或斷裂帶時(shí)，均容易出現(xiàn)頂板破損、頂板開裂、端面距增加的問題，對(duì)開采作業(yè)的安全性有很大的影響。為了有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)，可以采取注漿加固施工方法，可以使用化學(xué)功能高分子材料，有效進(jìn)行頂板、煤層四周的加固處理。如果是想達(dá)到更佳的加固處理效果，則可以考慮使用“JGPU煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料”對(duì)工作面進(jìn)行加固，目前已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證，由A 組分、B 組分組成，A 組分是深褐色均一液體，為有機(jī)高分子混合物，該材料主要成分為聚醚多元醇。煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料B組分是一種淺色半透明均一液體，為純有機(jī)高分子混合物，該材料主要成分為聚合MDI。A 組分、B 組分按體積比1:1 混合固化后生成的固結(jié)體具有力學(xué)性能高的特點(diǎn)，可有效將原來松散、破碎、不連續(xù)的煤巖體膠結(jié)成連續(xù)、完整的固結(jié)體，并能夠充填煤巖體裂隙空間，改變煤巖體應(yīng)力分布情況，提高煤巖體承重能力。迅速解決各種具有安全隱患的地層問題。預(yù)防頂板破碎和冒頂?shù)仁鹿剩Ｕ仙a(chǎn)安全。不僅如此，煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料的成本不高，可以有效控制成本。除此之外，如果是要對(duì)煤層墻壁進(jìn)行加固處理，則考慮使用垂直煤壁鉆孔技術(shù)，并且可以使用仰斜鉆孔法，能夠促使頂板處理更加的結(jié)實(shí)。待有效完成鉆孔處理任務(wù)后，現(xiàn)場(chǎng)工作人員要按照要求進(jìn)行高氣壓灌漿處理，主要對(duì)象是頂板鉆孔、煤層四周。

3.3 做好頂板控制的針對(duì)性操作

地質(zhì)構(gòu)造帶的形成較為復(fù)雜，主要是由褶皺、斷層、巖漿巖、喀斯特陷落柱所構(gòu)成。其中，斷層是非常常見的，經(jīng)常出現(xiàn)在煤礦綜采工作面中。當(dāng)煤礦綜采工作面經(jīng)過斷層時(shí)，容易出現(xiàn)四種情況：一是支架的支護(hù)不能起到良好作用；二是頂板破損程度可能會(huì)加大；三是上部礦巖層易出現(xiàn)塌落事件；四是支架出現(xiàn)歪斜情況。如果斷裂區(qū)域有較好的構(gòu)造，表現(xiàn)為四周的巖石較為堅(jiān)硬，可以使用采煤機(jī)進(jìn)行切割處理，則此時(shí)斷層不會(huì)造成嚴(yán)重的不良影響。但如果斷裂區(qū)域沒有良好的構(gòu)造，表現(xiàn)為四周的巖石相對(duì)松軟，甚至是容易掉落，則此時(shí)煤礦綜采工作面會(huì)形成較大的破損區(qū)域，后續(xù)的開采作業(yè)難以有效進(jìn)行。

需要特別考慮一種情況，即遇到斷層之后礦壓是否出現(xiàn)不正常的情況，評(píng)估支架經(jīng)過時(shí)所出現(xiàn)的各種表現(xiàn)。通常情況下，在支架經(jīng)過斷層時(shí)會(huì)有三種顯著特點(diǎn)。第一，頂板有明顯的下落速度，且會(huì)加快。第二，支架的加固作用受到明顯的影響，煤礦綜采工作面在經(jīng)過斷裂破損區(qū)域兩邊時(shí)，容易出現(xiàn)壓力增強(qiáng)這種情況。第三，支架施工情況變得較為復(fù)雜，此時(shí)在進(jìn)行煤礦綜采工作面作業(yè)時(shí)，要綜合考慮多方面的條件，主要是考慮四周巖石的軟硬程度、斷層落差的高度、煤層厚度[4]。當(dāng)發(fā)現(xiàn)煤層的厚度和支架最小支撐高度之差是大于斷層落差，則可以采取調(diào)整割煤高度這一方式，能夠確保煤礦綜采工作面順利通過斷層。工作面的前方遇到斷層時(shí)，可以采用仰采方法。還應(yīng)該考慮一點(diǎn)，即如果斷裂區(qū)域的頂板有破損或嚴(yán)重破損，則應(yīng)該考慮將金屬網(wǎng)纏繞在頂梁上。當(dāng)斷層的落差較大，應(yīng)該考慮采用采煤機(jī)，進(jìn)行切割處理[5]。發(fā)現(xiàn)四周的巖石質(zhì)地較為堅(jiān)硬，則可以使用爆破方式或震動(dòng)炮。除此之外，還有一種情況，即煤層厚度和斷裂區(qū)域的落差是一致的，這種情況下不能采取煤礦綜采工作面強(qiáng)硬通過的方式，原因是會(huì)使用較多的坑木，導(dǎo)致成本增加。在解決這一問題時(shí)，通常都是需要重新挖掘切眼。

3.4 運(yùn)用煤層深孔爆破預(yù)裂措施

運(yùn)用煤層深孔爆破預(yù)裂這一措施時(shí)，有兩點(diǎn)需要重點(diǎn)把握。第一，分析煤層和礦層上的巖層，并在兩者的中間位置實(shí)施深孔加工處理，按照要求進(jìn)行專業(yè)性的爆破處理，必須確保不對(duì)礦層上的巖石形成破壞作用。與此同時(shí)，需要煤層和礦層上的巖層出現(xiàn)縫隙，所出現(xiàn)的縫隙必須與綜合工作面有互相平行的關(guān)系，如此一來，開采作業(yè)中施加合適的力，便可以讓煤層和礦層上的巖石有效掉落。第二，待按照要求完成預(yù)裂爆破任務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員要將1 根聚能管放置在相同組光面孔中，并且需要在聚能管的兩邊熔接圓孔。在爆炸聚能管時(shí)，應(yīng)該放置毫秒延期電雷管，并使用煤礦許用乳化炸藥，目前來看，一組光面孔每一次只能爆破1 個(gè)孔，應(yīng)該按照從孔里向外的順序開展爆破作業(yè)，整個(gè)過程中必須確保安全。

3.5 配合運(yùn)用插板支護(hù)法

插板支護(hù)法發(fā)揮著重要性的作用，可以幫助綜采工作面順利經(jīng)過斷層，值得推廣運(yùn)用。長(zhǎng)時(shí)間的研究中發(fā)現(xiàn)，在巖石中注入具備固化作用的漿液，同時(shí)按照要求制作金屬網(wǎng)，雖然可以較為有效地支護(hù)頂板，但是存在固有的缺陷，即不能長(zhǎng)時(shí)間有效的支護(hù)頂板，并且作用力容易導(dǎo)致頂板出現(xiàn)破壞問題。針對(duì)這一問題，現(xiàn)場(chǎng)工作人員可以在制作完所需要的金屬網(wǎng)之后，盡快對(duì)頂板進(jìn)行插板支護(hù)處理，發(fā)揮出插板支護(hù)法的最佳效能。當(dāng)前所運(yùn)用的插板支護(hù)法，有多方面的顯著優(yōu)勢(shì)，可以幫助綜采工作面順利通過松軟破碎巖層。在實(shí)際運(yùn)用插板支護(hù)法時(shí)，位置可以選在煤層墻壁和頂板的連接之處，并且要與煤層墻壁呈現(xiàn)出一種相互垂直的關(guān)系，在處理綜采工作面時(shí)，要使用鋼針進(jìn)行有效的支護(hù)處理[6]。待完成一排的插板支護(hù)作業(yè)任務(wù)后，現(xiàn)場(chǎng)工作人員要將支護(hù)、液壓支架放在一起，采用帶壓擦頂移架的方法處理，最終順利確保綜采工作面通過斷裂帶。

4 結(jié)語

基于斷層所造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，在煤礦開采作業(yè)中要十分注意，采取科學(xué)有效的方式幫助綜采工作面通過斷層。當(dāng)前在綜采工作面通過斷層的研究中取得了較多的成果，也積累了一些成熟的經(jīng)驗(yàn)，均是值得推廣運(yùn)用的，注漿加固施工方法有助于提高支護(hù)效果，而采用超前鋼針支護(hù)處理，可以大大提高超前應(yīng)力區(qū)頂板的穩(wěn)定性，對(duì)于后續(xù)的煤礦開采作業(yè)十分有利，后續(xù)應(yīng)該重點(diǎn)推廣。考慮到綜采工作面通過斷層的風(fēng)險(xiǎn)較大，如何確保安全是應(yīng)該一直探究的，所以后續(xù)要繼續(xù)加大研究力度，掌握綜采工作面通過斷層的更多處理方式，確保頂板處于安全、可靠的狀態(tài)。