綜采工作面過斷層破碎帶精細(xì)化片幫防治技術(shù)

崔豪桐

（晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部，山西 晉城 048000）

在采動應(yīng)力作用下，大采高工作面極易出現(xiàn)煤壁片幫、冒頂現(xiàn)象，特別是在工作面過斷層區(qū)域。姜耀東、王豐旺等針對斷層活化機理、煤壁片幫防治技術(shù)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(jù)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(yīng)力對斷層的穩(wěn)定性影響分析

開采過程中，隨著煤炭資源的采出，其圍巖結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)等均遭到破壞，原巖應(yīng)力重新分布，會在周圍巖體中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。從工作面推進方向來看，采煤工作面前、后方的采動應(yīng)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(qū)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(qū)兩側(cè)的轉(zhuǎn)移，所以在工作面自上盤鄰近斷層弱面時，其主應(yīng)力向斷層上盤方向偏轉(zhuǎn)；反之當(dāng)工作面位于斷層下盤時，斷層面上主應(yīng)力向斷層下盤方向偏轉(zhuǎn)。因此，采煤工作面和斷層之間的位置、空間關(guān)系，使得采煤工作面過斷層影響區(qū)時，頂板巖塊形成不同的幾何形態(tài)，同時采動應(yīng)力在斷層面上呈現(xiàn)不同的應(yīng)力作用，斷層產(chǎn)生活化的危險性不同，采煤工作面出現(xiàn)片幫、塌方、冒頂?shù)奈ｋU性也不同。

3 工作面開采遇斷層活化狀態(tài)分區(qū)

沿采煤工作面推進方向做剖面，在通過斷層構(gòu)造時，呈現(xiàn)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(yīng)力的偏轉(zhuǎn)，能夠增加斷層面的有效摩擦，在一定程度上降低斷層出現(xiàn)滑移的危險。因此，在這種情況下，工作面煤壁斷層上盤區(qū)域和斷層下盤區(qū)域其煤壁穩(wěn)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(yīng)力均會出現(xiàn)升高，應(yīng)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(yīng)力向斷層下盤方向偏轉(zhuǎn)，在斷層帶上會產(chǎn)生平行于斷層面的剪切應(yīng)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(cè)必然處于不同的活化狀態(tài)。采煤工作面上盤側(cè)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(qū)域煤壁及頂板則相對較好。采煤工作面斷層下盤側(cè)，在高應(yīng)力的作用下極易出現(xiàn)采煤工作面煤壁片幫和冒頂現(xiàn)象，且出現(xiàn)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(qū)精細(xì)化防治技術(shù)

根據(jù)斷層和采煤工作面之間的位置和空間關(guān)系，確定采煤工作面過斷層分區(qū)精細(xì)化片幫防治總體思路，如圖1。

圖1 分區(qū)精細(xì)化防治技術(shù)方案簡圖

4.1 斷層精細(xì)化探測

采用槽波等物理探測手段，對工作面內(nèi)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(shù)、影響范圍進行精細(xì)化探測，并確定斷層在工作面推進方向上兩側(cè)及斷面層兩側(cè)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(zhǔn)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(guī)程措施要求。同時調(diào)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(wěn)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(xiàn)漏頂現(xiàn)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(diào)整到可調(diào)斜的合適角度，并穩(wěn)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(qū)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(qū)后，工作面可逐步調(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)面的力學(xué)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(nèi)分區(qū)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(qū)均勻布置復(fù)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(xiàn)大范圍的片幫現(xiàn)象，對工作面安全開采影響極大。此時，對于斷層影響區(qū)需加密復(fù)合材料注漿加固鉆孔，特別是對于工作面下盤影響區(qū)域，必須加密鉆孔并保證單孔注漿量和注漿質(zhì)量。

5 工業(yè)試驗

5.1 防治方案

按照工作面過斷層整體對策，結(jié)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(tài)；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(yīng)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(shù)需結(jié)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(shù)如圖2。

圖2 鉆孔布置圖（m）

（3）根據(jù)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(zhǔn)備復(fù)合材料注漿設(shè)備及材料，如出現(xiàn)超過3 個架的片幫時及時進行面內(nèi)加固。

5.2 效果分析

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

6 結(jié)論

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

（2）根據(jù)工作面揭露斷層情況，對工作面進行分區(qū)。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(xiàn)片幫，特別是斷層下盤區(qū)域。

（3）根據(jù)斷層的活化危險性以及工作面分區(qū)，結(jié)合大采高和綜放工作面的不同特點，詳細(xì)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。