15101 工作面過斷層破碎帶的頂板控制方案

馬旭剛

（山西長治縣雄山煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

綜采工作面遇斷層帶時，受地應(yīng)力的影響以及回采過程中應(yīng)力的重新分布導(dǎo)致工作面出現(xiàn)頂板破碎、煤壁片幫、工作面超前區(qū)頂板斷裂、液壓支架支護(hù)效果差，地質(zhì)條件的惡化和工程措施的效果弱化嚴(yán)重威脅工作面安全回采[1]。針對這種情況，有關(guān)技術(shù)人員采用“化零為整”的思路，利用注漿、錨桿等技術(shù)手段提高煤體的完整性和力學(xué)性質(zhì)[2-3]。本文以長治縣煤炭有限公司15101 工作面為例，對工作面過F3 斷層時提出的聯(lián)合支護(hù)控制方案進(jìn)行介紹。

1 工程概況

受區(qū)域構(gòu)造影響，山西長治縣雄山煤業(yè)有限公司井田總體為一軸向北北西的背斜構(gòu)造，發(fā)育落差0～46 m 的逆斷層。15101 綜采工作面所采煤層為15號煤層，所處水平為+974 m 水平，屬15 號煤一采區(qū)，工作面標(biāo)高為+907～+936 m，回風(fēng)順槽長1250 m，運輸順槽長1176 m，切眼中至中長199.5 m。工作面位于15 號煤一采區(qū)南部，東部為15103 工作面（待布置），西部為井田邊界保安煤柱，南部為井田邊界保安煤柱，北部為15 號煤一采區(qū)采區(qū)巷道。

15101 工作面區(qū)域內(nèi)，煤層平均厚度3.8 m，可采性指數(shù)100%，含1 層夾矸，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層頂板為石灰?guī)r、粉砂巖，底板為泥巖、鋁質(zhì)泥巖。15101 綜采工作面采用單一走向長壁采煤法，綜合機械化采煤，一次采全高，全部垮落法管理頂板，采用ZT14400/25/50D型端頭液壓支架、ZZG8000/22/50D 型過渡支架、ZZ8000/22/50D 型中部液壓支架支護(hù)頂板，移架步距為800 mm，移架順序為間隔移架。

2 地質(zhì)構(gòu)造及回采現(xiàn)狀分析

15101 綜采工作面推進(jìn)至370 m 處時，沿工作面走向揭露F3 斷層，斷層的平均高度差為1.2 m，傾角為43°。由于受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，在斷層兩側(cè)的煤層存在破碎區(qū)，對工作面走向方向的影響長度為50 m。在工作面推進(jìn)至斷層破碎帶時，由于煤體完整性變差，構(gòu)造應(yīng)力增大，造成以下幾個較為明顯的工程問題，并對各個問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。

（1）頂板破碎、煤壁片幫嚴(yán)重。其原因是回采至斷層破碎帶時受構(gòu)造應(yīng)力、回采應(yīng)力以及周期來壓等影響，破碎帶內(nèi)煤體的完整性較差，頂板的力學(xué)承受能力差，從而產(chǎn)生了不同于其他區(qū)域的應(yīng)力重分布情況，導(dǎo)致出現(xiàn)大面積煤壁片幫，影響回采安全和回采進(jìn)度。

（2）支架支護(hù)效果差。由于破碎帶煤體的完整性較差，導(dǎo)致單個液壓支架的作用范圍大大減小，按照原先的支架布置方案會導(dǎo)致相鄰支架間的頂板煤塊垮落，而后頂板的煤體應(yīng)力情況由三向受壓變?yōu)榱穗p向或單向受壓，承壓能力下降，引起進(jìn)一步的破碎和垮落。

（3）超前區(qū)頂板斷裂。工作面在向前方推進(jìn)的工程中，地應(yīng)力重新分布，在工作面前方4～13 m的位置內(nèi)產(chǎn)生超前高應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域內(nèi)頂板在高應(yīng)力的作用下產(chǎn)生破壞。在斷層破碎帶范圍內(nèi)，這種情況更加明顯，使得工程條件進(jìn)一步惡化。

3 斷層破碎頂板聯(lián)合控制措施

針對上述的工程問題以及產(chǎn)生原因，提出在15101 工作面通過斷層破碎區(qū)的頂板控制方案為“斜角鉆孔卸壓+聚氨酯纖維網(wǎng)配套JW 型錨索梁+超前管棚支護(hù)”。此方案從減小構(gòu)造應(yīng)力、提高煤體完整性兩個方面入手，聯(lián)合控制頂板，下面為此方案的具體實施情況：

（1）斜角鉆孔卸壓施工

工作面推進(jìn)至360 m 時，開始實施鉆孔卸壓。鉆孔位置超前工作面9 m，鉆孔參數(shù)為：鉆孔直徑55 mm，深度為6 m，以水平向上偏斜30°、向前方偏斜70°為進(jìn)孔方向。鉆孔位置位于運輸順槽頂板處，相鄰兩個鉆孔間隔距離為5.5 m。

（2）鋪設(shè)聚酯纖維柔性網(wǎng)+錨索梁

聚酯纖維柔性網(wǎng)和錨索梁配合使用，其目的是將頂板中破碎松散煤體，尤其是關(guān)鍵塊通過柔性網(wǎng)限制其位移，并利用錨索的懸吊作用將柔性網(wǎng)懸吊在上層穩(wěn)定巖層，達(dá)到提高煤體完整性的作用。具體步驟為：

柔性網(wǎng)每卷的長度為60 m，寬度為20 m，相鄰兩張之間采用重疊搭接，重疊寬度為0.5 m。在柔性網(wǎng)的邊緣采用錨索進(jìn)行固定，錨索長度為4 m，布置間隔為3 m。在將柔性網(wǎng)固定好后，將一排“JW”型錨索梁施工在工作面上方頂板處，每一個錨索梁都是由一根JW 型鋼梁以及兩根長度為4 m 錨索組成。錨索梁的方向平行于工作面的走向方向，錨索梁的布置間隔為同一排中相鄰兩個錨索梁之間相距2 m，相鄰兩排之間的距離為2 m。完成上述步驟后，繼續(xù)推進(jìn)工作面的回采工作。在一個回采步距結(jié)束后進(jìn)行移架時，將纖維網(wǎng)鋪展開，并將其緊貼到煤壁，移架后支架頂梁與纖維網(wǎng)及錨索梁接觸嚴(yán)實。柔性網(wǎng)和錨索梁的示意圖如圖1。

圖1 15101 工作面過F3 斷層破碎區(qū)頂板聯(lián)合控制措施

（3）超前管棚支護(hù)

超前管棚支護(hù)可以改善回采過程中地應(yīng)力的重新分布，提高工作面超前頂板的力學(xué)性能，防止工作面頂板由于超前集中應(yīng)力而產(chǎn)生破壞，其施工地點位于液壓支架前方工作面之上的頂板處。

首先采用Y-28 型風(fēng)動鉆機在工作面頂板進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔深度為3.3 m，直徑為40 mm，鉆孔垂直工作面向前[4]，鉆孔間距為1.5 m。鉆孔施工完畢之后，進(jìn)行鋼管的安裝，利用圓鋼托架將鋼管外露端進(jìn)行固定。每兩根管棚支護(hù)采用一根圓鋼托架進(jìn)行固定以增加其整體性和穩(wěn)定性，圓鋼托架長度為3.5 m。

4 改進(jìn)方案工程效果

（1）15101 工作面施工斜角卸壓鉆孔后，對F3 斷層應(yīng)力和背斜構(gòu)造應(yīng)力起到很大的卸壓作用。采集回采過程中頂板變形的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對比分析了在經(jīng)過斷層破碎帶修改頂板控制方案前后的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)改變方案后運輸順槽頂板及工作面尾部頂板變形的現(xiàn)象得到很好的控制，運輸順槽兩幫頂板跨距由原來的0.32 m 降低為0.11 m。

（2）通過鋪設(shè)聚酯纖維柔性網(wǎng)+錨索梁的組合方案，大大地提高了破碎帶煤體的完整性和穩(wěn)定性，使得破碎區(qū)頂板不易發(fā)生垮落；改善了破碎區(qū)頂板的應(yīng)力情況，提高了單個液壓支架的支護(hù)范圍，使液壓支架的移架工作變得相對容易；煤壁片幫的現(xiàn)象減少，偶有發(fā)生的片幫面積減小。

（3）在工作面前方頂板中施工超前管棚支護(hù)，對工作面回采工程中應(yīng)力重分布造成的超前高應(yīng)力區(qū)的煤體進(jìn)行加固，改變了回采過程中的應(yīng)力重分布結(jié)果，降低了工作面前方頂板的應(yīng)力集中，降低了集中應(yīng)力對頂板超前破壞作用，提高了工作面頂板整體穩(wěn)定性和力學(xué)強度。在后期移架時支架頂梁與超前支護(hù)能夠充分接觸，保證了支架工作阻力，避免支架倒架、傾架事故發(fā)生。

圖2 工作面回采至不同位置處頂板中部最大沉降量

截至2020 年4 月21 日，15101 工作面回采至420 m，順利通過了F2 斷層的破碎帶區(qū)域。故對破碎區(qū)采用聯(lián)合支護(hù)方案的效果主要為：（1）對工作面尾部破碎頂板采取聯(lián)合控制措施后，工作面在后期回采中未出現(xiàn)端面頂板大面積破碎以及煤壁片幫現(xiàn)象，頂板中部的最大下沉量下降為0.17 m，如圖2 所示。（2）工作面回采移架時支架初撐力及工作阻力提高至95%以上，保證了工作面安全高效回采。（3）采用聯(lián)合頂板控制措施后，加快了工作面的推進(jìn)速度，在整個斷層破碎帶影響的50 m 范圍內(nèi)，共計使用了8 d，即平均回采速度為6.25 m/d，取得了顯著的工程效果。

5 結(jié)論

在回采工作面經(jīng)過斷層破碎帶時，針對15101工作面的情況，從改善應(yīng)力條件和提高煤體完整性兩個方面出發(fā)，提出了“斜角鉆孔卸壓+鋪設(shè)聚氨酯纖維網(wǎng)配套JW 型錨索梁+超前管棚支護(hù)”的聯(lián)合控制措施，取得了良好的工程效果。