大采高綜采工作面過斷層技術研究

韓蕾蕾

（山西煤炭運銷集團首陽煤業有限公司，山西晉城 048400）

隨著煤礦生產規模的擴大，大采高工作面由于其產量高、成本低、生產集中、采空區剩余煤數量較小等特點，已成為當前我國厚煤層有效開發的重要技術手段。開采面開采遇到斷裂時，由于開采高度增加，導致的礦壓顯現更加突出，尤其是在開采過程中，一方面是圍巖的穩定性不滿足要求，同時大采高綜采設備不具有較好的彈性特征，導致推進效率較低，并給安全生產帶來隱患。在開采過程中，遇到低落差、影響不大的斷裂帶，為了提升開采效果，通常采取“平推硬過”的辦法，采取改變采煤機截割進尺、超前移架等措施來實現對頂板進行有效的管理，但不能改變煤體和頂板強度和穩定性[1]，不能從根本上避免冒頂和片幫事故發生。本文以15201大采高綜采工作面的過斷層技術為例，對工作面的過斷層技術和圍巖控制技術進行了分析和討論，為同類條件下其它大采高工作面的過斷裂圍巖治理提供了有益的參考。

1 工程概況

1.1 地質概況

15201 大采高綜采工作面開采15 號煤，厚4.38m，傾角0°～8°，煤層的穩定性較好，該面無明顯的裂隙發育情況。15 號煤層以前曾受小窯破壞，采空區殘留煤量大，采出率低，同時采區的防火治理和瓦斯治理的難度有了較大的提升。針對這一情況，該礦采用走向長壁大采高綜采一次采全高采煤法，其中15201綜采工作面設計走向、傾向長分別為1016m、200m。15煤層頂底板的巖石特性參數如表1所示。

表1 15號煤頂底板巖性

15201 綜采工作面在切孔開挖時，暴露出F24斷裂（H=6.5～8.0m)，其與采面前進的角度呈25°夾角，走向的作用半徑大約50m，傾向作用區主要在97～104 個支座之間（影響長32m)，其中F24斷裂斷面見圖1。

圖1 F24斷層在采面內分布剖面圖

1.2 采面過斷層安全風險

臨近煤礦采用大采高綜合采掘技術進行15號煤的采掘，其預支壓的作用半徑為80m，其最大應力分布在采面前端8～15m 處，其應力集中度為2.5～3.5。15201綜采工作面采高4.38m，在F24斷裂的作用下，煤巖裂縫分布較廣，在開采過程中，容易出現局部崩塌等問題[2]。

15201采區在F24斷裂的作用下（90～105個支座）發生了不同的滲漏，最初采用在油管頂上放置半圓木或墊塊來保持頂板的穩定性，但實際應用并不理想。根據實際工程的實際情況，將馬麗散和羅克休注入到頂板破裂體中，可以改善頂板的穩定，因此，在15201綜采工作面進行穿越F24斷裂的區域后，提出了在90～105號架段的頂板上注滿化學漿液，以保證開采面的安全[3]。

2 注漿加固應用

在15201 綜采工作面90～105 支座之間，對采面煤壁和破碎頂板進行了鉆孔，并對其進行了灌漿，以改善煤層的穩定性。灌漿漿液的加固效果表現為以下幾個方面：①在漿液裂縫中擴散，膠結后形成網狀結構，改善了煤體的穩定性和完整性；②通過膠結加固，使灌漿漿液在裂縫內的擴展，使裂縫面具有一定的粘結力，從而使裂縫附近的煤巖強度和剛性得到改善；③注漿壓實，在注漿壓力的作用下，漿液填充小縫，減少煤巖體的孔隙率，從而提高注漿加固區煤體的強度[4]。

2.1 加固技術方案

2.1.1 加固材料

在頂板塌陷和漏頂部位，可采用注塑羅克休材料的方法，羅克休由催化劑和樹脂兩種組份組成，經膠結后，其體積可擴大30 倍，經硬化后的結構壓縮強度為0.2MPa左右，可暫時防止頂板的崩落和下沉[5]。

在頂板塌陷或漏頂部位注入羅克休后，在90～105支座之間預先設置了鉆孔，將馬麗散注入到井中，并用馬麗散將松散、不穩定性煤巖粘合成一體，從而改善了加固區煤巖體的穩定性。馬麗散材料由催化劑和樹脂兩種組份組成，經攪拌后，粘合強度和強度都很高，而且能很好地在小裂縫中滲透和擴張。

2.1.2 施工準備

進行壓力管道的常態化檢測，保證能提供0.4～0.7MPa 的動力風源。預先備好壓風管和高壓灌漿管，壓風管的長度要符合注漿泵和風源點的間距，注漿管的長度要符合注漿泵和注漿點之間的間距。注漿材料、設備等應按規定運輸到注漿地點，并按規定堆放[6]。

在灌漿處準備好水、清潔劑（5%～10%的堿水），并配備木條、棉紗等以防止泥漿從裂縫中溢出。

2.1.3 注漿壓力

注漿壓力通常在為3～5MPa范圍，根據實際情況而定。結束灌漿的條件是：在設計的灌漿壓力下，保持10min以上；灌漿孔周圍的泥漿大量溢出。

2.1.4 注漿施工工藝

（1）將羅克休注入到塌陷處，其注漿方法如下：①根據設計需要，將灌漿機、高壓水管等與其相連通；②在灌漿初期，將吸漿管道分別注入催化劑和羅克休樹脂桶中，按1∶4的比例進行攪拌，然后經高壓軟巖和注射槍注入漏頂區，漏頂區的泥漿發生化學反應后，泥漿填充到漏頂區，給頂板提供一種支撐；③注漿完畢后清洗吸漿管、高壓軟管和噴管，并將注漿泵和輔助管路用清水清洗，并在羅克休樹脂側使用清水清洗，催化劑側使用清洗液清洗。

（2）注入馬麗散。具體的鉆孔布局見圖2，其施工方法如下：①鉆進，在97～104個支座之間設置鉆孔，孔設置上方頂板仰角33°、深6000m、孔徑45mm、鉆孔間隔3.5m。②注漿，采用高壓泵灌漿，將吸漿管分別置于催化劑和樹脂管中，然后用高壓泵將馬麗散注射到井中，從90號液壓支架的位置到105支架的方向，依次進行注漿；③注漿完畢后，對灌漿系統進行清潔，其清潔方法與注水羅克休法相同[7]。

圖2 馬麗散鉆孔布置圖(mm)

2.2 注漿效果分析

15201 綜采工作面穿越F24斷裂前期，因斷裂作用區煤巖體破碎、穩定性差，致使97～104 支座之間存在著不同的漏頂現象，支座的工作阻力未能達到設計要求、初撐力普遍偏低，導致支座與頂板間的接觸不佳，造成擠壓，不但會對支撐的運動造成不利的后果，還會對施工的安全性產生不利的影響。利用羅克休和馬麗散漿料對崩落區域進行了填充，改善了斷裂對區域的煤巖的力學性能，避免了在以后的開采中出現的突頂、片幫等問題，并對鄰近的油管支架進行了合理的接頂，從而保證了頂板的穩定性。在特殊灌注前后，在斷裂作用區域中，各油管的工作壓力的計算結果見圖3。灌漿加固之前，97～104油管支座與頂板的接觸面較差，有的支座有傾覆跡象，這一段油管的工作壓力總體較小；注漿法施工后，油井支座與頂板緊密地貼合，提高了支座的穩定性，提高了工作阻力，達到了對采場頂板的有效支撐[8]。

圖3 注漿前后斷層影響區內液壓支架工作壓力統計結果

3 結語

（1）大采高采工作面回采過程中，由于采面、斷層等地質構造的存在，會造成采動壓力、構造應力、圍巖破碎、采高大等多種因素的綜合作用，容易出現冒頂、片幫等問題，嚴重影響了采面回采的安全。

（2）15201 綜采工作面采高4.38m，沿F24斷層走向及傾向影響范圍分別為50m 和32m，因斷層位于采面中部，故采取了平推硬過的辦法。在穿越斷層過程中，由于多種因素的影響，90～105 支架間存在著不同程度的漏頂，支架初撐能力較弱，并伴有片幫。根據現場條件，建議在冒頂區采用羅克休法進行充填，在斷層受破壞區采用馬麗散加固煤巖的強度和穩定性，并設計了相應的注漿加固方案。

（3）經現場使用，15201 綜采工作面在后一段回采中，在斷層影響區域，液壓支架的支撐力一直處于穩定狀態，與頂板有較好的接觸，并能使頂板和煤壁始終處于穩定狀態，為安全、有效地開采提供了有利的條件。