综采工作面过断层破碎区顶板注浆加固技术研究

崔瑞军

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司，山西 介休 032000）

引言

断层是煤矿采掘工作面最常见的地质构造，当断层结构复杂、落差较大、断层带煤岩破碎时会对采掘工作造成较大影响，尤其是对于综采工作面来说，由于采高大，揭露断层范围大，工作面超前支承压力对断层产生压裂等破坏作用，过断层期间往往容易因顶板破碎而产生大范围的冒顶、片帮，甚至造成工作面垮塌、人员伤亡等严重事故。关于工作面过断层期间的施工工艺及顶板支护措施，行业内已经做过大量研究，技术已经比较成熟，例如工作面过平行断层时，将工作面适当调斜，避免断层面一次揭露范围过大而造成剧烈破坏；工作面过断层时适当降低采高，减少矸石截割量；对断层区顶板采取挂网、注浆加固等支护措施等[1-4]。但对于具体的地质生产条件，尤其是当地应力较大、断层构造复杂、断层面围岩破碎程度较高时，还需要制定专项的过断层技术措施及顶板加固措施。本文即针对汾西矿业集团南关煤业公司3205工作面过断层期间的顶板支护难题展开研究，制定合理的过断层技术措施及顶板注浆加固方案，并在工程现场进行具体实施。

1 工程概况

3205 工作面位于南关煤业公司井下三采区，埋深400 m～500 m。工作面所采2#煤层为山西组下段煤层，该煤层区内稳定，结构中等至复杂，煤层厚度平均2.4 m，区内煤层倾角0°～12°，平均6°。煤层顶底板条件，如表1 所示。3205 工作面倾向长度140 m，走向长度600 m，采高2.4 m，工作面“三机配套”为掩护式液压支架90 台（ZZ4000-14/32 型）、滚筒式采煤机1 台（MG300/700-QWD 型）、刮板输送机1 部（SGZ-764/800 型）。采用走向长壁后退式采煤法，综采工艺，自然垮落法管理顶板。

表1 煤层顶底板岩性特征表

工作面正常生产期间，直接顶随采随冒，充填入采空区，老顶随工作面推进周期性破断，自然沉降到冒落的直接顶矸石上，并产生周期性来压，过断层期间采用特殊的推采工艺及顶板管理措施。地质说明书等资料显示，工作面推进至400 m左右时将揭露一条正断层，编号为F7，断层落差为2 m，接近工作面采高，断层走向与工作面倾向方向呈10°夹角，工作面机头处先揭露，并向机尾处延伸，为典型的斜角断层。根据邻近工作面及本工作面前期回采经验，本区域断层带围岩胶结性差，破碎度高，工作面揭露断层后往往出现一至数个漏矸口，破碎煤岩迅速涌入，造成工作面多处漏顶连带片帮，处理极为困难。因此，工作面过F7 断层引起矿方高度重视，预先分析相关难点并制定相关措施，保障工作面安全推过F7 断层。

2 工作面过F7 断层难点分析

断层对工作面推进影响的难易程度不一，断层落差、走向、与工作面夹角、煤层条件、支护方式等均有所影响，综合运用现场调研、理论分析及文献查阅等研究方法，对工作面过F7 断层的工程难点进行分析[5-7]。

1）断层带围岩破碎、胶结性差。现场调研发现，本工作面断层带围岩胶结性较差，围岩整体上呈松散破碎状态，割煤后顶板围岩临空，如果支护不及时，断层带的破碎矸石易冒落，表现为端面冒顶片帮，直至矸石形成拱式结构堵塞漏矸口。

2）采场压力显现强烈。现场矿压观测结果显示，本工作面来压期间矿压显现较为强烈，采场围岩承受的动压荷载较大，来压期间，端面煤岩体易受挤压并向回采空间运动，过断层期间围岩破碎，更易发生冒顶片帮。

3）断层落差较大，割煤层位控制难度大。断层落差接近工作面采高，断层线附近接近全岩回采，同时，落差大导致工作面层位调整难度大，过断层速度慢，端面煤岩暴露时间长，于支护不利。

综上所述，3205 工作面过断层期间面临诸多客观难点，必须制定专项的过断层技术措施及顶板加固措施，保障工作面安全推过F7 断层。

3 巷道过断层工艺及顶板支护方案设计

3.1 过断层期间推采工艺设计

如图1 所示，根据具体的地质生产条件，结合本矿工作面过断层经验及相关理论依据，设计3205 工作面过断层期间的推采工艺，由于F7 断层走向与工作面倾向方向呈10°夹角，工作面机头处先揭露，并向机尾处延伸，设计在机头距断层线5 m 时以机头为轴进行调斜，将工作面推进方向调至与断层平行，然后平行推过断层，再以7°俯角下山沿煤层推进，推采5 m 后再以机尾为轴进行调斜至工作面垂直推进，直至割煤层位到达煤层底板，具体为：

图1 工作面过断层调斜工艺示意图

1）根据区段平巷中揭露的断层产状，可预测断层在工作面中的走向，在到达断层之前，将开始承受断层区的集中应力影响，此时应开始着重加强顶板管理，适当减小采煤机一次割煤进尺，并及时采取跟机移驾、带压移驾等措施。

2）在机头距断层5 m、机尾距断层25 m 时开始对工作面进行调斜，调斜以机头2#液压支架为轴，机头不推进，机尾逐循环加刀推进，预计需要9 个加刀割煤循环，直至将工作面推进方向调至与断层平行。

3）工作面持续推进，为伪倾斜开采，推进5 m 后将揭露F7 正断层，揭露断层后工作面即开始以7°俯角下山沿煤层推进，再推采5 m 后则进行第二次工作面调斜，第二次调斜以机尾为轴，机尾不推进，机头逐循环加刀推进，调至工作面垂直推进。

4）工作面推过断层后约15 m 处将进入断层上盘，可见上盘的煤层底板，此时开始调整采煤机的割煤角度，直至割煤层位到达煤层底板，然后开始沿煤层底板正常推进。

3.2 过断层期间顶板注浆加固方案设计

过断层期间采场围岩破碎，外部支护可采取液压支架前探梁、护帮板、打贴帮柱等措施，内部支护则可采用注浆加固及锚杆支护等措施。

注浆加固对破碎围岩适应性极强，能够迅速将破碎岩石进行胶结，形成具有承载性能的结构。本工作面采用马丽散注浆材料，注浆液在注浆泵的压力下可沿煤岩层裂缝延展直到将所有裂隙被充填；当浆液遇水后继续产生关联反应，发生膨胀，在膨胀压力的作用下产生二次渗压（膨胀倍数为20 倍～25 倍），高压推力与二次渗压将马丽散压入并充满所有缝隙，从而达到止漏目的。浆液A 与B 按照1∶1 的质量比进行配置，注浆时沿工作面煤壁顶部布置一排注浆钻孔，注浆孔均距顶板1 m，向上呈8°角打设，钻孔深3 m，间距为5 m，封孔1.5 m。

3.3 过断层期间顶板特殊管理措施

1）要做好工作面来压的预测预报及人工应对措施，避免来压造成安全事故，应有专人负责矿压观测并加强工作面的矿压观测和来压预测预报。

2）过断层期间执行超前移架及带压移架等措施，且液压支架必须拉移到位，前梁进抵煤壁，保证端面距不超过340 mm，液压支架护帮板及时伸出对煤壁形成有效支护。

3）当采煤机顶板破碎、冒落发生时，应采用超前方法将采煤机前方液压支架拉出。采煤机在此处采煤时，应沿顶梁下缘行走，以保护破碎顶板。

4）工作面过断层时须及时编制专门安全技术措施，加强顶板管理工作。在顶板破碎的地段，应采取及时拉超前架或支设点柱的方法维护顶板。

5）架前出现漏冒顶时必须严格按照接顶安全技术措施进行有效接顶，煤壁片帮深度过大，伸前探梁及拉移超前液压支架无法进行有效护帮护顶时，可根据现场在液压支架前方采用单体液压支柱进行贴帮加强支护，防止漏冒顶片帮事故扩大。

4 工程实践

按照所设计的方案对过断层期间的推采工艺进行调整，工作面一次性顺利推过断层，最大限度的减少了过断层的时间影响，节省了时间成本；同时，在过断层期间加强工作面及两巷矿压观测，液压支架及单体液压支柱压力稳定，顶板下沉量控制在正常范围；工作面局部片帮较严重，但由于超前实施了马丽散注浆加固，对断层线附近围岩进行充填胶结，基本未出现架前漏顶及严重冒顶事故，巷道顶板也未出现明显离层及顶板漏冒、坠网现象，整体处于稳定状态。

5 结语

关于工作面过断层的施工方案，业内已有一套相对成熟的原则和方案，但针对特定的工程背景，还需要针对其地质生产条件设计合理的推采工艺及支护方案，如果设计的方案与现场条件不匹配，就有可能造成过断层期间所做工作事倍功半，还有可能造成严重的冒顶事故。本文即针对3205 工作面过F7 断层的支护难题，设计了专项的过断层技术措施及顶板加固措施，并成功用于工程实践，保障了过断层期间的安全、顺利作业，实现了预期目的，保障了安全生产。