饒海斌

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)）

綜采工作面過斷層時受回采應(yīng)力以及構(gòu)造應(yīng)力等多重集中應(yīng)力影響，在斷層帶處產(chǎn)生卸壓空間，導(dǎo)致斷層附近煤巖體產(chǎn)生裂隙擴(kuò)張破壞作用［1］，在煤巖體內(nèi)部形成圍巖松動圈，破壞了煤巖層整體力學(xué)結(jié)構(gòu)以及降低了煤巖層穩(wěn)定性［2］；工作面在過斷層期間受回采工藝、移架方式以及圍巖控制技術(shù)水平等影響，不僅降低了工作面回采效率，增加了煤柱損失量，而且工作面圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在頂板破碎冒落、煤壁片幫等，嚴(yán)重制約著工作面安全高效回采［3］；本項目以雁崖煤業(yè)公司塔山煤礦8305工作面為研究對象，對工作面過斷層期間圍巖破碎機(jī)理進(jìn)行分析，并結(jié)合實際生產(chǎn)情況選擇合理有效的回采方案以及圍巖控制技術(shù)。

1 工程概況

大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)有限公司塔山煤礦8305工作面位于井田南盤區(qū)，東部為南延盤區(qū)大巷二段，南部為礦井南部礦界及中煤金海洋五家溝煤礦8302工作面采空區(qū)（礦界煤柱46～73 m），西部為礦井西部礦界及山煤集團(tuán)韓家洼煤礦，北部為設(shè)計南盤區(qū)西南部未開采區(qū)域。

8305工作面設(shè)計走向長度為2 500 m，傾向長度為230 m，工作面布置于石炭系太原組中下部2#煤層中，2#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度較穩(wěn)定，根據(jù)工作面鉆孔Z906得知，工作面煤層平均厚度為9.5 m，含7層夾矸。煤層大致走向東西，傾向北。傾角較小，平均傾角為2°，呈一單斜構(gòu)造，煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。8305工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤回采工藝，機(jī)采高度為3.5 m，放煤厚度為6.0 m，采放比為1∶1.7，截至2020年6月12日，工作面已回采515 m。

?

根據(jù)地面三維地震勘探、礦井生產(chǎn)地質(zhì)報告、相鄰礦井實際揭露情況綜合分析推斷，工作面在回采過程中地質(zhì)條件中等，小型斷層較發(fā)育，工作面回采過程中預(yù)計揭露14條正斷層，斷層平均落差為1.6 m，平均傾角為42°，其中工作面回采至495 m處揭露的F158斷層落差相對較大，落差為1.5 m，傾角為67°，該斷層從68#支架揭露向尾部延伸，通過地質(zhì)鉆探發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)158斷層影響工作面回采走向長度達(dá)75 m。

2 工作面回采現(xiàn)狀及問題分析

2.1 前期回采工藝

8305工作面回采至495 m處揭露斷層時主要采用強(qiáng)行過斷層的回采工藝，即工作面頭部斜切進(jìn)刀后，從1#～68#支架沿煤層底板進(jìn)行回采，回采高度為3.5 m，工作面回采至斷層上盤后沿煤層底板巖層回采，回采巖層厚度為1.5 m，回采煤層厚度為2.0 m，工作面上行割煤下行空刀清煤后，從頭部向尾部逐一移架。

8305工作面回采至490 m處時（距F158斷層5.0 m），受回采應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力集中破壞作用，工作面51#～84#支架頂板出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，當(dāng)工作面揭露斷層后且回采至508 m處時，位于67#～71#支架頂板出現(xiàn)第一次冒漏，冒漏高度為1.2 m，冒漏區(qū)成半圓球狀，當(dāng)工作面回采至515 m處時，巷道頂板大面積破碎且伴隨著煤壁片幫現(xiàn)象，頂板破碎區(qū)域空頂距達(dá)1.2 m，煤壁片幫最大深度達(dá)1.7 m，片幫長度達(dá)44 m。

2.2 影響因素分析

（1）煤體結(jié)構(gòu)影響。8305工作面回采2#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層內(nèi)含7層夾矸，夾矸總厚度達(dá)2.3 m，夾矸多為炭質(zhì)泥巖，煤層受夾矸滲入影響，破壞了煤體膠結(jié)穩(wěn)定性，煤體力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，煤體單軸抗壓強(qiáng)度不足20 MPa，同時在應(yīng)力作用下，煤體內(nèi)部形成圍巖“松動圈”，通過對頂煤進(jìn)行探孔窺視發(fā)現(xiàn)，在0～2.7 m范圍內(nèi)鉆孔壁破碎嚴(yán)重，無法形成穩(wěn)定的煤巖承載結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致工作回采期間端面處頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，并向工作面前方煤體延伸。

（2）地質(zhì)構(gòu)造影響。8305工作面地質(zhì)構(gòu)造相對單一，主要以中小型斷層為主，工作面在回采過程中共計揭露14條斷層，其中在工作面427～500 m段共計揭露8條斷層，形成斷層群帶，造成該區(qū)段頂板及煤壁應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象嚴(yán)重，形成應(yīng)力卸壓區(qū)；當(dāng)工作面回采至495 m處揭露F158斷層時，集中應(yīng)力在斷層帶處進(jìn)行卸壓，并對斷層帶附近煤巖體產(chǎn)生裂隙擴(kuò)張破壞作用［4］，導(dǎo)致頂板破碎、煤壁片幫現(xiàn)象。

（3）回采工藝影響。8305工作面采用放頂煤回采工藝，工作面采煤高度為3.5 m，放煤高度為6.0 m，受放煤工藝影響，頂板出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，同時在移架過程中支架頂梁對頂煤產(chǎn)生切頂破壞作用，加劇了端面頂板煤體破碎力度；當(dāng)端面破碎帶延伸至前方煤體時，頂板承載梁結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致頂板承載能力降低，頂板應(yīng)力向煤壁傳遞，致使煤壁出現(xiàn)剝離破壞作用［5］，產(chǎn)生煤壁片幫現(xiàn)象。

3 回采工藝優(yōu)化及圍巖控制技術(shù)

為了保證8305工作面安全快速過F158斷層帶，提高過斷層期間煤柱回采率，減少工作面破巖量，決定對工作面前期過F158斷層回采工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用仰斜回采工藝。

（1）8305工作面回采至515 m處時對工作面回采期間產(chǎn)生的偽斜及時進(jìn)行調(diào)整，將工作面內(nèi)浮煤清理干凈，保證工作面50#～70#支架具有足夠的工作阻力，并將支架移至工作面，斷層處端面距控制在0.3 m以下，將采煤機(jī)移至機(jī)頭處。

（2）仰斜回采時工作面采用下行割煤、上行清煤的回采方式，采煤機(jī)從機(jī)頭割煤時割煤深度控制在0.5 m范圍內(nèi)，工作面回采至60#支架時（距斷層9.0 m）開始以7°仰角進(jìn)行仰斜回采，仰斜回采期間斷層上盤留底煤、破頂煤進(jìn)行回采，如圖1所示。

（3）當(dāng)工作面仰斜回采至68#支架時，揭露斷層面并開始進(jìn)入斷層下盤，繼續(xù)仰斜回采，回采時留底巖、破頂煤；當(dāng)工作面仰斜回采至73#支架且完全過斷層下盤底巖時，及時調(diào)整工作面回采角度進(jìn)行水平回采。

（4）工作面仰斜回采期間對仰斜回采段采用超前帶壓擦頂移架方式，移架過程中保證支架初撐力、工作阻力不得低于90%，為了防止仰斜段移架時出現(xiàn)倒架現(xiàn)象，在50#支架機(jī)道處安裝1部雙速絞車，對50#～70#支架進(jìn)行預(yù)拉。

4 仰斜回采圍巖控制技術(shù)

為了保證8305工作面仰斜回采施工安全，降低仰斜回采期間頂板破碎、煤壁片幫等現(xiàn)象，仰斜回采期間決定對工作面煤壁及頂板采取“注漿加固+邁步式JW型錨索吊棚+超前錨桿”聯(lián)合控制技術(shù)。

4.1 注漿加固技術(shù)

4.1.1 注漿加固機(jī)理

通過注漿泵對破碎煤巖體內(nèi)高壓注入化學(xué)粘接材料，粘接材料在煤巖體裂隙內(nèi)進(jìn)行滲透，在一定時間內(nèi)進(jìn)行凝固，并將破碎區(qū)內(nèi)的煤矸石進(jìn)行有效粘接在一起，同時注漿材料在煤巖體裂隙內(nèi)進(jìn)行滲透膨脹時產(chǎn)生二次壓力，從而提高裂隙帶巖體整體膠結(jié)穩(wěn)定性，使破碎帶煤巖體二次重組形成一個整體［6］，由于注漿材料凝固后具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度以及韌性，所以注漿材料加固后的煤巖體相比注漿前的具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性及承載能力，其力學(xué)性能甚至優(yōu)于原圍巖體，可減少支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的壓力。

4.1.2 注漿施工

（1）注漿材料。通過對煤基膏體材料、鋁基高水系材料、馬麗散3種注漿材料進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，馬麗散屬于化學(xué)注漿材料，與催化劑混合后反應(yīng)速度快，且馬麗散具有凝固時間短、滲透能力強(qiáng)［7］、凝固后形成的膠體粘接能力強(qiáng)且固化物強(qiáng)度高等優(yōu)點，所以注漿材料選用馬麗散，馬麗散與催化劑配比為1∶1。

（2）注漿鉆孔布置。8305工作面注漿鉆孔采用仰斜布置方式，在仰斜回采前3.0 m處煤壁開始布置注漿鉆孔，鉆孔布置間距為3.0 m，鉆孔距頂板間距為1.5 m，鉆孔直徑為42 mm，深度為5.0 m，鉆孔仰角為45°。

（3）注漿管安裝。由于鉆孔仰角較大，為了保證注漿效果，需對注漿鉆孔進(jìn)行封孔處理，首先在孔口處進(jìn)行擴(kuò)孔處理，擴(kuò)孔深度為0.5 m，擴(kuò)孔段鉆孔直徑為70 mm，擴(kuò)孔后對鉆孔內(nèi)依次安裝注漿管、封孔器以及注漿花管，在注漿管外露端安裝1個混合槍，如圖2所示，其中注漿花管長度為2.0 m，封孔器長度為0.25 m，注射管安裝深度為0.6 m。

（4）注漿工藝。注漿鉆孔施工完后將注漿管與3ZBQ-5/18型氣動高壓注漿泵進(jìn)行連接，并進(jìn)行注漿施工，注漿時注漿壓力為1.5 MPa，單孔注漿量為40 kg，單孔注漿時間為15 min，注漿期間發(fā)現(xiàn)鉆孔附近煤巖體出現(xiàn)漿液滲透時立即停止注漿［8］。

4.2 JW型錨索棚施工

為了控制端面頂板破碎現(xiàn)象，提高端面頂板整體穩(wěn)定性，保證工作面仰斜回采期間液壓支架具有足夠初撐力及工作阻力，仰斜回采期間決定在端面頂板施工邁步式JW型錨索吊棚。

（1）8305工作面端面處施工的JW型錨索棚主要由1根JW型鋼梁以及恒阻錨索組成，JW型鋼梁長度為3.2 m，寬度為0.35 m，厚度為6 mm，鋼梁采用專用磨具一次性澆筑成型，抗彎截面模量為4 497 cm3，抗壓強(qiáng)度為1 240 MPa。

（2）JW型鋼梁上焊制2個錨索支護(hù)孔，孔間距為1.75 m（支架寬度），孔直徑為30 mm，每根JW型鋼梁采用2根長度為4.5 m，直徑為21.8 mm恒阻錨索進(jìn)行固定，為了防止在移架過程中支架頂梁對恒阻錨索產(chǎn)生破壞作用，同一架鋼梁的2根錨索施工在相鄰2支架中間，如圖2所示。

（3）JW型錨索吊棚施工在55#～80#支架前方端面頂板處，支架間距為0.5 m，支架排距為2.0 m，為了提高相鄰2排錨索對頂板煤巖體實現(xiàn)聯(lián)鎖控制作用以及錨索吊棚支護(hù)效果，決定對相鄰2排錨索吊棚采用邁步式布置。

4.3 超前管棚支護(hù)

為了控制多重應(yīng)力對工作面煤體產(chǎn)生超前破壞作用，降低端面頂板破碎及煤壁片幫現(xiàn)象，決定對工作面施工1排超前管棚支護(hù)。

4.3.1 支護(hù)原理

超前管棚支護(hù)主要在工作面設(shè)計頂板位置施工1排超前支護(hù)鉆孔，并在鉆孔內(nèi)安裝鋼管、錨桿或木柱等從而形成超前支護(hù)體，管棚支護(hù)可對圍巖進(jìn)行超前支護(hù)作用，進(jìn)入巖體內(nèi)的超前支護(hù)段形成支護(hù)掌子面［9］，外露段形成支護(hù)支撐，在掌子面與支撐的作用下使管棚支護(hù)形成梁式支護(hù)結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生梁效應(yīng)支護(hù)作用，從而控制圍巖破碎區(qū)在最小范圍內(nèi)，防止圍巖松弛和垮落。

4.3.2 支護(hù)工序

（1）首先采用手持式鉆機(jī)在F158斷層帶前后施工一排超前管棚支護(hù)鉆孔，鉆孔施工在設(shè)計頂板上并與煤壁垂直布置，支護(hù)孔深度為3.0 m，直徑為30 mm，孔間距為1.0 m，共計布置19個鉆孔。

（2）超前支護(hù)鉆孔施工完后，對鉆孔內(nèi)錨注1根長度為3.5 m，直徑為28 mm的玻璃鋼加長錨桿，采用端頭錨固方式，每根玻璃鋼錨桿采用2支錨固劑錨固，錨固長度為0.7 m，錨固力為200 kN。

（3）超前管棚支護(hù)施工完成后，工作面在移架時使支架頂梁與管棚支護(hù)體接觸嚴(yán)實，進(jìn)行帶壓擦頂移架，當(dāng)?shù)?排超前管棚施工完且工作面推進(jìn)2.5 m后，施工第2排超前管棚支護(hù)，相鄰2排支護(hù)交錯疊加布置［10］，疊加距離為1.0 m。

5 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)強(qiáng)行破巖法過斷層相比，仰斜回采工藝減少了過斷層期間破巖量，提高了煤柱回收量，避免了傳統(tǒng)過斷層回采工藝導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)遺煤量大，采煤區(qū)煤層自燃現(xiàn)象嚴(yán)重等技術(shù)難題，通過實踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，8305工作面采用仰斜法過F158斷層時，工作面破巖量減少了2 176 m3，提高煤柱回收量達(dá)1.4萬t，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)850萬元，同時采用該回采工藝后，工作面機(jī)電設(shè)備故障率降低至4%以下，大大降低了設(shè)備維修費用。

（2）對8305工作面仰斜回采期間頂板采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，有效控制了因構(gòu)造應(yīng)力破壞作用而導(dǎo)致頂板破碎、煤壁片幫現(xiàn)象，提高了圍巖穩(wěn)定性，保證了工作面安全快速回采。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，斷層帶處端面距控制在0.4 m以下，片幫深度控制在0.5 m以下，液壓支架在仰斜段工作阻力提高至92%以上。