綜采工作面過斷層群頂板破壞機理及控制技術研究

馮金鐘

（汾西礦業集團水峪煤業， 山西 孝義 032300）

引言

斷層作為常見的地質構造，對工作面頂板管理及安全生產影響較大。工作面過斷層期間，往往出現頂板破碎、煤層變薄、巖石增多等狀況，進而引起支架歪斜、設備損壞、頂板冒漏、生產停滯等事故，并可能造成人員傷亡。特殊地質條件下，工作面還有可能一次性或連續過多條斷層，頂板控制難度更大，安全風險更高，需要重點研究過斷層期間的頂板破壞機理，提前做好頂板控制預案，執行好各項頂板控制措施，從而保障工作面順利通過斷層影響區域[1-3]。

1 工程概況

4207 工作面主采2 號煤層，煤層平均埋深600 m，平均厚度3.5 m，煤層結構較復雜，平均含1～7 層夾矸。工作面沿煤層走向布置并回采，走向長度1 900 m，傾向長度210 m，工作面老頂為粉砂巖，厚度11.5 m，直接頂為泥巖，厚度4.5 m，底板為泥巖，厚度1.5 m。工作面總體地質條件較復雜，回采范圍內需要過數十條斷層，其中較為典型的是一處連續三條垂直工作面的正斷層，斷層落差分別為1.1 m、1.0 m、1.6 m，大致分布情況如圖1 所示。根據工作面掘進期間的經驗，過斷層期間頂板裂隙迅速擴展，造成工作面出現冒頂及片幫，且碎裂巖石不斷冒落，造成大范圍空頂，接頂工作難度極大，風險極大。因此，在工作面回采期間，必須高度重視過斷層時的頂板控制工作，否則因斷層揭露范圍及擾動范圍遠大于掘進工作面，會造成更為嚴重的冒頂事故，對安全生產造成重大威脅。

圖1 工作面斷層分布示意圖

2 過斷層群頂板破壞機理

綜采工作面采場支架- 圍巖關系控制至關重要，支架-圍巖關系控制合理，端面煤巖體保持穩定，安全生產就有保障，反之，如果支架-圍巖關系趨于惡化，就會導致端面冒頂片幫事故。具體到4207工作面，分析其頂底板條件及煤層賦存條件，一是采煤工作面由于受礦山壓力影響，加之原生裂隙較多，回采后煤壁、頂板裂隙逐漸發育，并由彈性狀態向塑性狀態轉變，無法保持原有的穩定狀態，有向回采空間移動并垮落的趨勢；二是人工開挖形成的應力擾動，會加劇頂板破壞，例如液壓支架工操作不當，技術水平不扎實，或者液壓支架出現故障，支撐力頻繁衰減，就會導致支架工頻繁操作液壓支架或者頻繁升降液壓支架，對頂板造成額外的反復擾動，由此頂板會更加破碎，極易發生端面漏冒，形成冒落拱，必須加強現場操作管理及頂板支護；三是過斷層期間，由于斷層帶巖石破碎，膠結度差，受工作面超前支承壓力影響，斷層帶巖石原有的平衡狀態被破壞，在割煤過后，斷層帶的碎巖石極易失穩冒落，并引起連鎖的冒落反應，造成大范圍的冒頂事故[4-6]。分析其頂板破壞機理可知，其頂板控制的重點在于超前對斷層帶進行加固，可采用超前注漿加固措施進行解決。

3 斷層帶注漿加固支護方案設計

3.1 注漿加固方案設計

根據現場具體的地質生產條件，結合某礦工作面過斷層經驗及礦壓顯現具體情況，設計4207 工作面在過該斷層群期間采用分層注漿加固方案，支護方案如圖2 所示。該方案的技術原理是：過斷層期間，將工作面頂板圍巖分為淺部巖石碎裂區及深部裂隙發育區，根據分區不同，使用不同長度的注漿錨桿，注入不同材質和性能的注漿漿液。淺部巖石碎裂區使用的注漿漿液剛度大，能夠將碎裂的巖石有效膠結，使其不但能夠維持自穩，還能具備一定的承載性能，形成具有一定強度的剛性加固區；而深部裂隙發育區則使用柔性的發泡注漿漿液，漿液顆粒及密度較小，能夠充分注入斷層及圍巖的裂隙，抑制圍巖裂隙的進一步擴展，對圍巖實施深部加固，形成一個穩定性較好、承載性能較強的柔性加固區，使得圍巖的穩定性得到大幅提升。注漿孔在工作面前方支架間隙內向上方打設，打孔向前斜傾角度控制在15°，按照該方案在工作面斷層區連續實施長、短注漿錨桿注漿加固，可實現預期的注漿加固目的。

圖2 工作面分層注漿加固方案示意圖

3.2 注漿加固參數設計

根據斷層參數及工作面圍巖條件，首先對過斷層期間的淺部、深部圍巖進行劃分，淺部巖石碎裂區包括工作面頂板以上2 m 內的圍巖，而深部裂隙發育區包括工作面頂板以上2.5～5.5 m 的圍巖。而在工作面超前支承壓力及回采擾動的影響下，圍巖受影響區域還會有一定程度的增大，故注漿參數設計應留有賦予系數。設計淺部短注漿孔深度為2.5 m，注漿錨桿規格為Φ25 mm×2 500 mm，間距1 500 mm，采用1 號漿液，水灰比0.7～0.8，注漿壓力1～3 MPa，漿液初凝時間為3～7 s，0.5 h 抗壓強度達到16 MPa，24h 抗壓強度達到20MPa，擴散半徑為1.5～2m；深部長注漿孔深度為6m，注漿錨桿規格為Φ25mm×6000mm，間距1 500 mm，采用2 號漿液，水灰比1∶1，注漿壓力3～5 MPa，初凝時間3～5 s，發泡倍數30，擴散半徑2～2.5 m。注漿采用擠壓式注漿泵，按配合比配置注漿漿液，開動注漿泵注漿，直至漿液外溢或壓力表示數達到注漿壓力設計值時停止注漿。在注漿強度達到預定強度后，緊貼頂板上緊墊板和螺母，施加預緊力，對圍巖起到更好的加固作用。

4 應用效果

4207 工作面過斷層群期間按照設計的分層注漿加固方案進行頂板加固，并重點對工作面端面煤巖體變形破壞情況進行觀測。整個工作面過斷層期間，僅局部出現煤壁片幫及輕度的頂板巖石冒落，沒有發生大范圍的冒頂事故，冒落高度最大為0.3 m，整體上斷層區域頂板注漿后膠結情況較好，能夠觀測到膠結后的頂板形態，加固效果較好，說明設計的分層注漿加固方案是合理、可行的。同時，通過加強現場管理，如優化注漿管理工藝、加強液壓支架管理及操作水平、實施超前拉移液壓支架等措施，能夠對斷層區破碎圍巖進行有效控制，防止冒頂事故發生，保障工作面安全生產。