综采工作面过断层顶板控制技术研究与应用

裴艳龙

（汾西矿业集团安全监察中心，山西 介休 032000）

0 引言

断层是我国井工煤矿最为常见的地质构造，在综采工作面推采过断层过程中，由于断层带煤岩破碎，或者在煤岩交界区实施爆破作业，容易造成大块矸石冒落，或者煤壁破碎片落，端面煤岩体控制难度较大[1-2]。针对工作面过断层期间的顶板控制难题，煤炭行业学者及技术人员进行了大量的理论及实践研究，宋振骐院士对不同开采及地质参数对采场的影响规律进行了相关性研究，得出了端面煤岩体控制受煤层埋藏深度、采高、煤岩强度的影响程度[3]；谢广祥教授研究了典型开采地质条件下，对采场围岩控制、瓦斯治理、开采参数等进行优化研究，提出了有效控制措施[4]；王家臣教授基于大量研究，提出了煤岩条件的判别标准，对煤壁片帮控制技术进行了系统研究[5]；方新秋教授对软煤综放开采的冒顶片帮进行长期观测，对端面煤岩体的破坏过程进行详细阐述，从而指导端面煤岩体控制[6]。针对14207 综采工作面过断层期间的顶板支护难题，设计对工作面端面煤岩体进行注浆加固的技术方案，辅以多项顶板控制及管理措施，有效解决工作面断层区的冒顶和片帮难题。

1 14207 工作面概况

14207 工作面主采4 号煤层，煤层厚度2.8～4.5 m，平均厚度为3.5 m，煤层倾角0～5°，平均倾角3°，煤层硬度系数为2.5～3.5，煤层结构完整，裂隙不发育，属坚硬煤层。该工作面平均埋深约610 m，煤层在本工作面范围内分布均匀，属于稳定煤层，工作面设计走向长度为1970 m、倾向长度208 m，综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板，使用ZC13000/25/38型掩护式液压支架。煤层直接顶为平均厚度4.5 m 的泥岩，强度低，层理裂隙发育，基本随采随冒，老顶为平均厚度11.5 m 的粉砂岩、细砂岩，为坚硬稳定岩层，随着工作面回采周期性破断，直接底为平均厚度1.6 m 的高岭质泥岩，层理较发育，基本底为平均厚度2.1 m 的粗砂岩，结构完整，顶底板岩性特征如表1所示。

表1 煤层顶底板岩性

根据回采地质说明书及工作面地质图纸显示，工作面范围内大小断层共计15 条，尤其是连续3 条与工作面呈垂直方位的正断层较为典型，断层落差分别为2.1 m、2.7 m、3.6 m，如图1 所示。邻近工作面在过断层时采取拉超前架、带压移架等常规支护措施，但在局部区域采取爆破作业，对坚硬岩层进行破碎时，往往因支护不及时导致端面煤岩体漏冒事故，大块矸石涌入机道，处理费时费力，且在机道内作业，安全隐患较大。故采取常规措施过断层无法满足安全生产需要，应针对具体的过断层工况，采取更为合理有效的顶板支护方案。

图1 工作面部分断层分布情况示意图

2 工作面过断层支护难点分析

断层对工作面推进作业影响较大，且断层落差大小与工作面夹角、是否导通含水层等均会对顶板支护、推采效率、安全生产等产生影响，综合运用现场调研、理论分析及文献查阅等研究方法，结合矿井过断层所积累的相关经验，对14207 工作面过断层的工程难点进行分析[7-9]。

1）断层带煤岩较破碎、整体性差。根据地质说明书及掘进揭露断层产状，发现14207 工作面断层带煤岩整体上较为破碎，胶结性差，揭露的断层面处煤岩呈松散破碎状，当采煤机割煤后，断层带的破碎煤矸容易冒落，造成架前冒顶、片帮，直至冒落的矸石相互挤压，逐步堵塞漏矸口。

2）过断层期间常见强烈的矿压显现。邻近类似条件工作面的矿压观测结果显示，由于矿井整体埋深较大，地应力水平高，工作面来压期间矿压显现较为强烈，动压荷载较大，尤其在过断层期间，矿压造成的动压扰动，更容易造成端面煤岩体受挤压并向回采空间运动，冒顶片帮发生概率及严重程度均有升高。

3）断层使煤层层位起伏，割煤层位控制难度大。个别断层落差接近甚至超过工作面采高，尤其是在断层线附近，工作面接近全岩回采，割煤时需要漂刀、刹刀，层位调整难度大，且推进速度放缓，端面顶板暴露时间长，如遇断层导通含水带，在顶板水的影响下，支护更困难。

综上，14207 工作面过断层期间将遇到推进速度放缓、端面煤岩体破碎、矿压显现强烈、层位调整难度大等困难，容易发生端面煤岩体漏冒事故，甚至引发严重冒顶事故，威胁安全生产，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各条断层。

3 顶板注浆加固方案设计

3.1 注浆加固方案

在以往过断层期间，当顶板出现冒顶事故时，矿方的处置措施往往是采取架前木垛接顶、架前挂金属网、打贴帮液压支柱、注马丽散浆液等方式，均属于事故发生后的补救措施，工作较为被动。总结经验教训，并针对工程条件及注浆工艺特点，设计采用向断层破碎带实施浅部及深部耦合的超前注浆加固方案。即通过将顶板进行深部、浅部分区，基于长、短注浆锚杆，分别实施深部、浅部注浆，深部注入发泡浆液，浆液密度小，渗透性强，便于注入深部围岩裂隙，形成深部柔性加固区；浅部注入高黏度浆液，充分将碎裂岩块胶结，形成浅部刚性加固区。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。注浆孔在工作面前方支架间隙内向上方打设，分浅部注浆孔及深部注浆孔，钻孔向上倾角为30°，如图2 所示。

图2 工作面浅-深部注浆方案示意图

3.2 注浆参数设计

浅部注浆孔的注浆高度范围在2～2.5 m，深部注浆孔的注浆高度在3～4.5 m，钻孔孔径均设计为Ф25 mm。浅部注浆选用无机刚性材料，水灰质量比0.8，初凝时间5 s，0.5 h 的抗压强度即可达到15 MPa以上，12 h 的抗压强度可达到20 MPa 的上限强度，注浆压力设计为3 MPa，浆液扩散半径为1.5 m；深部注浆选用有机柔性材料，密度小，膨胀性强，发泡倍数达到30 倍，初凝时间5 s，抗压强度较小，终凝为1.5 MPa，注浆压力设计为5 MPa，扩散半径为2 m。注浆量根据断层范围和顶板破碎程度而定。

4 结语

按照所设计的方案对过断层期间的破碎顶板进行超前注浆加固，实施一系列特殊顶板管理措施，并在工作面过断层期间进行了矿压观测。在过连续断层期间，工作面矿压显现依然强烈，但由于实施了超前注浆加固，断层线附近破碎煤矸整体性得到改善，漏冒威胁降低，统计到工作面煤壁片帮最大深度0.48 m，漏顶深度最大0.22 m，没有出现严重冒顶片帮事故，且在推进层位调整后，可清晰观测到注浆后的胶结形态，破碎煤矸的胶结状况较好，表明工作面浅—深部顶板注浆加固方案效果明显，辅以带压移架、拉超前架等特殊顶板管理措施，工作面安全顺利推过断层集中带。