工作面超前預掘巷注漿加固過斷層組技術

王福海，楊永剛，楊張杰，陳 康，王慶牛

(安徽省煤炭科學研究院，安徽 合肥 230001)

工作面內(nèi)斷層構造的存在打斷了煤巖層連續(xù)性，影響工作面正?；夭?，在工作面采動應力影響下[1]，斷層易活化失穩(wěn)[2-4]，出現(xiàn)頂板破碎漏冒、煤壁片幫等異?，F(xiàn)象[5-7]。目前常采用工作面過斷層方法[8-14]有調(diào)整采高法、強推硬過法、注漿加固法、跳采法和預掘巷道過斷層法等，調(diào)整采高法及強推硬過法更多適用于落差較小的斷層；跳采法適用于落差較大的斷層；預掘巷道過斷層方法適用于工作面頂?shù)装遢^為堅硬條件；近年來注漿加固法隨著注漿材料[15-17]及設備的研發(fā)升級得到廣泛推廣應用，通過工作面內(nèi)頂板煤壁注漿加固或回采巷道內(nèi)施工長鉆孔超前注漿加固斷層[17-19]，增加破碎煤巖塊體間的粘結力和摩擦力，改善斷層影響帶內(nèi)煤巖力學性質(zhì)，提高煤巖體的完整性和承載能力。以張集礦1613A大采高工作面過F1613A78、F1613A78-1大落差斷層組為工程背景，基于工作面厚層中細砂巖直覆地質(zhì)條件，提出工作面內(nèi)沿F1613A78斷層預掘措施巷對斷層組內(nèi)煤巖體超前精準預注漿加固過斷層方案，確保了工作面安全順利通過斷層。

1 工作面開采條件及斷層情況

1.1 工作面開采條件

張集礦1613A工作面主采1煤層，埋深-548.6～-584.3m，工作面長 200m，煤層厚度5.0～8.0m，均厚6.8m，煤層傾角7°～12°，平均傾角10°，采高5.5m。直接頂巖性多為其老頂中細砂巖，厚度11.8～41.8m，平均24.2m；直接底為泥巖，0～1.0m，平均0.5m；老底為砂泥巖互層，0～5.0m，平均3m。

1.2 斷層情況

在1613A運輸巷道距切眼380m處揭露F1613A78及其次生F1613A78-1斷層，均為正斷層，揭露斷層組內(nèi)頂煤較為破碎，裂隙發(fā)育，斷層面無充填物，未風化；F1613A78斷層落差2.5～6.5m，頂板上翻，與工作面傾向夾角約13°，傾角90°；F1613A78-1次生斷層落差4m，傾角85°，伴隨F1613A78斷層發(fā)育，并逐漸向右偏移。該組斷層影響回采長度40m，傾向幾乎貫穿工作面，落差從運輸巷道揭露處6.5m到軌道巷道逐漸尖滅，距離軌道巷道56.4m落差縮小到1.5m以內(nèi)。

2 過斷層組方式

F1613A78斷層及其次生F1613A78-1斷層組傾角大，頂板為均厚24m中細砂巖直覆，頂板巖性較硬，底板為泥巖及砂泥巖互層巖性較軟，工作面回采確定采用托頂煤破底方法通過斷層，如圖1所示。

受斷層組影響，斷層影響帶內(nèi)煤巖體本就破碎、裂隙發(fā)育、應力復雜，加之工作面托頂煤過斷層組，在采動應力作用下，頂煤及煤壁更加破碎離散，極易造成頂煤漏冒、煤壁片幫，嚴重影響工作面回采。

針對上述問題，需對頂煤及煤壁采取措施預防頂煤漏冒及煤壁片幫，主要通過對斷層面破碎煤巖體注漿加固，提高裂隙的粘結力和內(nèi)摩擦角，將相互貫通的煤巖體裂隙充填形成固結體，改善圍巖力學性能，提高煤巖體的完整性及承載能力。常規(guī)過斷層注漿加固方法有：工作面面內(nèi)對頂煤、煤壁注漿加固治理及回采巷道內(nèi)施工長鉆孔對斷層內(nèi)煤巖體超前預注漿加固治理。

1)工作面面內(nèi)注漿治理。在工作面回采過斷層期間邊回采邊進行煤體注漿加固，面內(nèi)注漿作業(yè)影響工作面回采進度，且在工作面超前支承壓力作用下煤壁破碎程度加劇，工作面面內(nèi)注漿作業(yè)不一定能及時加固處理，注漿加固達不到預期效果，易存在安全隱患。

2)運輸巷道內(nèi)施工長鉆孔對斷層組煤巖體注漿加固治理。由于F1613A78斷層及其次生F1613A78-1斷層落差大，傾角90°，鉆孔定位及施工難度大，易塌孔、成孔率低，且注漿鉆孔布置數(shù)量較少，對斷層面煤體不能做到全覆蓋注漿加固，漿液擴散程度、注漿范圍及注漿效果難以掌控，對后期過斷層回采存在不確定影響因素。

由工作面地質(zhì)條件及斷層組剖面情況可知，F(xiàn)1613A78斷層及其次生F1613A78-1斷層間為0～9m寬、5～8m厚頂煤，頂煤頂板及斷層組兩側(cè)為24m厚層中細砂巖，斷層組間煤層掘巷環(huán)境條件較好，據(jù)此提出在工作面內(nèi)于F1613A78斷層組間沿F1613A78斷層面預掘措施巷對斷層組內(nèi)煤巖體超前預注漿加固斷層治理方案如圖2所示。

與常規(guī)過斷層注漿加固方法相比，預掘措施巷超前預注漿加固斷層治理方案提前揭露工作面斷層組，掌握斷層具體情況；預掘措施巷掏除部分頂煤，減少頂板漏冒風險；并在措施巷內(nèi)對斷層煤巖體采用綜合加固技術，對煤壁及頂煤及時精準注漿加固，提高煤巖體完整性及承載能力，預防掉頂片幫；預掘措施巷后，措施巷下方煤壁處于卸壓狀態(tài)，煤壁片幫狀況減少，有利于工作面回采；超前預掘措施巷斷層治理，把過斷層期間頂板管理的時間向前移，在工作面生產(chǎn)準備期間，即可同步實施斷層治理工作，減少工作面回采影響，提高工作面回采效率。

3 工作面內(nèi)預掘措施巷過斷層關鍵技術

工作面面內(nèi)超前預掘措施巷過斷層，要解決措施巷支護、斷層組內(nèi)煤體加固及工作面過斷層三個關鍵技術。

3.1 措施巷支護

措施巷要經(jīng)歷工作面超前采動劇烈影響，若措施巷冒落失穩(wěn)則失去預掘措施巷的意義，將嚴重影響工作面回采。

措施巷從1613A運輸巷道上幫撥門，沿F1613A78斷層面向工作面面內(nèi)掘進，跟斷層下盤頂板施工，掘進至迎頭斷層揭露落差小于2.5m時停止，巷道尺寸為寬×高×長=4.4m×3m×84m，采用錨梁網(wǎng)索支護，強化頂板錨索支護，將措施巷頂板煤頂通過錨索懸吊于上覆厚層中細砂巖老頂。措施巷布置如圖3所示，支護參數(shù)如圖4所示。

1)頂板、兩幫采用?22mm×2500mm錨桿配合M5鋼帶支護，錨桿間排距800mm×800mm，頂幫均鋪8#菱形金屬網(wǎng)。

2)頂板左側(cè)與斷層上盤頂板斷開，在頂板左側(cè)肩窩施工一排斜拉錨索，錨索規(guī)格?21.8mm×6300mm，外扎75°，錨索生根在斷層上盤穩(wěn)定巖層內(nèi)。

3)頂板中部施工1排槽鋼組合錨索，錨索規(guī)格?21.8mm×7300/8300mm，頂煤厚度小于4m時采用?21.8mm×7300mm錨索，頂煤厚度大于4m時采用?21.8mm×8300mm錨索，14#槽鋼梁頭對頭施工，確保每排一根走向錨索。

4)頂板施工錨索束，進一步強化頂板支護，每排鋼帶上打1組錨索束，每組錨索束4根錨索配合長500mm×寬500mm×厚18mm金屬墊板支護，錨索規(guī)格?21.8mm×8300/9300mm，頂煤厚度小于4m時采用?21.8mm×8300mm錨索，頂煤厚度大于4m時采用?21.8mm×9300mm錨索。

3.2 斷層組內(nèi)煤體加固

措施巷左幫為F1613A78斷層面，巖性為厚層中細砂巖，圍巖強度高，裂隙不發(fā)育，自身穩(wěn)定性高，不需要注漿加固。措施巷右?guī)团c次生F1613A78-1斷層間夾有不同厚度煤體，為工作面回采時的頂煤，為防止其在工作面回采時漏冒片幫，需提前采用錨索及注漿加固煤體，提高斷層面下盤煤頂完整性，使其成為穩(wěn)固的假頂，有效避免托頂煤回采頂?shù)羝瑤蛦栴}，斷層組內(nèi)煤體錨索及注漿加固方法如圖5所示。

1)右?guī)湾^索加固。右?guī)陀诘装迳戏?.2m和1.4m錯茬0.4m布置2排走向M5鋼帶組合加固錨索，錨索規(guī)格?21.8mm×6.3m，錨索施工角度根據(jù)實際揭露情況進行相應調(diào)整。且加固錨索鎖具處用鋼絲繩懸吊于頂板錨索與頂板產(chǎn)生力學聯(lián)系形成錨索外固定端，加固錨索終孔位于右?guī)兔簩禹敯逯屑毶皫r中形成錨索里固定端，利用兩端固定的錨索結合巷幫注漿固結煤體將頂煤托住，如圖6所示。

2)右?guī)妥{加固。每排距底板0.3m、0.8m、1.7m共布置3排注漿孔；底部注漿孔下扎15°；下部2排注漿孔孔深5m穿過次生F1613A78-1斷層面，注漿加固范圍為工作面過斷層回采時煤壁，防止片幫；最上部注漿孔孔深4m只需至次生F1613A78-1斷層面，注漿加固范圍為工作面過斷層回采時頂煤，預防頂煤漏冒。

注漿鉆孔直徑42mm，孔內(nèi)下4分注漿花管，采用膠囊封孔器封孔，封孔深度1.5m；注漿孔注化學漿，因注漿孔較淺，采用淺孔低壓注漿，注漿壓力3～5MPa；注漿時機為工作面回采超前支承壓力影響范圍，在工作面回采超前支承壓力影響下煤巖體裂隙進一步發(fā)育，漿液滲透性增強，裂隙注漿充填效果會更好，考慮注漿設備安裝運移、材料打運及人員作業(yè)交叉影響因素，提前施工好注漿鉆孔，于工作面超前支承壓力影響范圍內(nèi)50～80m進行連續(xù)注漿作業(yè)。

巷幫注化學漿充填斷層組破碎煤體裂隙、固結煤體、提高煤體整體強度及完整性，并實現(xiàn)巷幫錨桿錨索的全長錨固，進行一步提高煤體加固強度，避免煤體在工作面回采時漏冒片幫。

3.3 工作面過斷層技術

3.3.1 工作面分段過F1613A78斷層

過F1613A78斷層前，根據(jù)煤層走向情況調(diào)整回采層位，調(diào)整工作面采高，采高控制在3.8m左右。隨著工作面推進受斷層上盤影響，自軌道巷道距切眼385m位置工作面每40m進行逐段飄車、破頂，逐步揭露斷層。進入斷層下盤后，局部回采段需要托頂煤施工，直至跟上煤層頂板正常層位后平推。

3.3.2 工作面過措施巷段斷層方法

為避免工作面回采過措施巷時，出現(xiàn)支架上方大面積空頂，支架支護失穩(wěn)，需提前對措施巷采用木垛全巷充填，木垛置于工字鋼梁搭接底盤上形成連接整體并采用錨索懸吊于頂板上，如圖7所示。

工作面過措施巷段斷層面時按照14°飄車幅度回采，適當挑頂，挑頂量控制在1～1.5m，過斷層時先托措施巷底板上木垛回采，通過措施巷后托頂煤回采，逐步跟上直接頂回采，如圖8所示。過斷層期間，工作面挑頂段，砂巖矸石難以截割時采取打眼放炮松動矸石措施。

3.4 預掘措施巷注漿加固過斷層組技術流程

超前預掘巷注漿加固過斷層組流程如圖9所示。

4 應用效果

4.1 措施巷右?guī)兔后w注漿加固效果

預掘措施巷注漿加固治理斷層組，共注化學漿19.65t；注漿加固結束后，于工作面回采前，在措施巷右?guī)褪┕じQ視孔檢驗煤體注漿加固效果，如圖10所示；鉆孔內(nèi)未見明顯裂隙，完整性很好，1.5～4m范圍內(nèi)注漿材料漿液痕跡清晰可見，煤體注漿加固效果明顯。

4.2 工作面回采過斷層效果

同采區(qū)1611A工作面過落差4.5～5.4m、傾角65°～81°的F1611A76斷層時，采用工作面面內(nèi)煤壁注化學漿加固斷層，但仍存在頂板漏冒及煤壁片幫問題，耗時68d才通過斷層，嚴重影響礦井正常生產(chǎn)。而1613A工作面采用了超前預掘措施巷注漿加固治理F1613A78斷層組，提高了斷層組內(nèi)煤體整體性，工作面過斷層期間未出現(xiàn)片幫、掉頂情況，支架保持正常工作狀態(tài)，每天保持3刀以上的回采進度，僅用時14d順利通過斷層，顯著提高了工作面過斷層回采效率。

5 結 論

1)通過工作面內(nèi)沿斷層預掘措施巷，超前掌握斷層情況，采用錨索束強化頂板支護、右?guī)兔后w加固錨索托舉及煤體注漿加固綜合技術，提高斷層組內(nèi)煤體整體性，有效避免工作面托頂煤回采片幫掉頂問題。

2)采用措施巷內(nèi)木垛聯(lián)合工字鋼梁及錨索形成組合整體懸吊于頂板的接頂技術，解決工作面回采過措施巷時大面積空頂對支架支護不利問題。

3)實踐表明，1613A工作面采用面內(nèi)預掘措施巷超前治理F1613A78斷層組后，工作面過斷層期間，頂幫控制效果良好，順利快速通過斷層，對類似工作面條件過斷層組有借鑒意義。