四台矿8735 综采工作面过断层技术措施研究

2020-10-12王启南

山东煤炭科技 2020年9期

王启南

（大同煤矿集团四台矿，山西大同 037000）

四台矿8735 工作面属12-1#与12-2#合并煤层，煤层整体呈南北高中间低的向斜构造。煤层厚度为2.1～2.3 m，平均2.2 m，煤层倾角平均2°，与上覆11#层层间距为6.6～13.65 m，平均层间距9.5 m。8735 工作面设计走向长度352 m，可采走向长度280 m，倾斜长度162.3 m，采高2.4 m。在工作面中间位置切巷揭露一条落差为1.5 m 的正断层，预计影响工作面走向范围35 m 左右。

1 工作面过断层方案

由于落差1.5 m 相对较小，所以采用保留底部煤层，保持采高不变，切割上顶板的方法[1]。利用这一办法，可以使工作面顶板一直为岩层，能够保证岩层的稳定性。该断层为正断层，贯穿整个工作面，断层走向为15°，倾向为75°，倾角为79°。具体实施方法如图1 所示。

根据液压支架最大起坡角（一般为7°）、断层倾角（79°）、断距（1.5 m）以及工作面采高（2.4 m）等参数可以算出起坡点位置L1 及L2 的长度分别为24.55 m 和22.60 m，也就是大约在距离断层25 m 左右处，即在工作面推进110 m 时，开始进行起坡施工。

图1 工作面过断层方法示意图

2 断层破碎带控制

2.1 破碎带注浆加固

注浆加固技术是目前针对破碎围岩控制效果比较好的一种措施[2-3]，目前在各大煤矿中应用较为广泛。注浆加固技术主要原理为，通过对工作面煤岩层注浆，能够将破碎带的煤岩体进行重新固结，这样会使其重新恢复承载能力。注浆材料一般为玛丽散[4]，玛丽散是一种低粘度的高分子树脂材料，在遇水和催化剂时会产生膨化产物。这种产物具有较大的粘结密实性，通过高压泵将这种膨化产物泵送到煤岩破碎区中，使其可以与煤岩体进行粘结，将破碎煤岩体重新粘结在一起形成新的整体，很大程度上提高了巷道围岩的强度以及煤层顶底板的稳定性。

根据以前工作面相似断层的压力显现情况，在上盘推进到距离断层30 m 左右时，液压支架支撑压力开始逐渐增加，表明工作面开始受到断层影响；在到达断层附近15 m 左右范围内时，发现顶板高出由断层延伸过来的裂缝，此时支架支撑压力快速增加；在工作面通过断层到达下盘后，支架压力开始降低，并逐渐到达一个稳定可控的水平。所以在断层上盘推进时，压力异常在距离断层30 m 时开始出现，而实际断层的破碎带范围在断层15 m 范围内，结合实际情况综合考虑在断层前20 m 与过断层15 m 范围内进行注浆加固。

2.2 注浆参数确定

根据8735 综采工作面实际情况，确定工作面的注浆孔布置形式如图2 所示。

图2 注浆孔布置图

（1）布孔设计

8735 综采工作面注浆孔布置方式如图2 所示。根据现场实际顶底板破碎以及工作面煤壁裂隙发育情况，确定注浆孔深度6 m，注浆孔直径42 mm 以上，封孔器在距离孔口1.5～2 m左右的位置进行封孔。在工作面上布设两排注浆孔，目的是为了保证注浆效果。第一排注浆孔距离顶板0.4 m，且与水平向上呈15°进行布置；第二排距底板0.8 m，与水平向上呈5°进行布置。

（2）布孔间距

根据现场在正式施工前的试注测试以及在实验室测试的材料渗透性，得出注浆材料在此煤岩破碎环境下的渗透半径大致为2.5 m 左右。为确保注浆效果，确定工作面注浆孔间距为4 m。

（3）单孔注浆量

单孔注浆量是决定注浆加固效果好坏的重要参数。影响注浆量的因素有注浆时间、煤岩层破碎程度以及注浆压力。根据相关的理论计算以及现场进行试注获得的直接效果，确定工作面单孔注浆量为300 kg，且采用间歇式注浆方式。

（4）注浆压力

注浆效果的好坏和注浆压力直接相关。在注浆过程中，如果注浆压力过大，容易造成煤岩体进一步劈裂破碎，进而导致注浆液体流失，且压力过大容易导致工作面煤壁发生片帮；如果注浆压力过小，会导致注浆液体在破碎煤岩体内部扩散不充分，会使破碎煤岩体中注浆材料充填不密实，从而导致注浆材料与破碎煤岩之间凝结效果较差，进而注浆加固效果较差。为了保证合理的注浆压力，依据矿井以往的注浆施工资料以及现场试注试验，确定此煤岩破碎条件下的注浆压力范围为10～12 MPa。

2.3 注浆施工工艺

如图3 为注浆设备装配示意图，图中各标号分别为：1-注浆管；2-封孔器；3-铁管；4-注射枪；5-高压胶管；6-注射泵；7-催化剂；8-玛丽散。具体施工步骤有如下四步。

图3 注浆设备装配图

（1）组装设备。首先将高压注射泵与图中相关部件进行组装，然后将注射枪与注射铁管进行连接，在设计要求的位置组装封孔器。设备组装完成后，进行现场注射试验，检查设备的安全可靠性。

（2）开始注浆。通过两个吸管将催化剂与玛丽散抽送到注射泵中进行充分混合，随后进入注射枪内，混合浆液再通过注射枪与注浆管最后进入注射孔内，注射浆液在高压作用下渗入破碎煤岩体中，从而完成凝结加固。

（3）停止注浆。当单孔注浆量达到设计要求或注射浆体已充分扩散到目标位置，达到了单孔注浆要求时停止注浆，并冲洗注浆设备。

（4）重复上述操作，直至所有孔注浆结束。

3 过断层技术方法

（1）在过断层前，提前对工作面两条巷道进行加固及接顶支护。以回风顺槽为例，在确定好接顶线及位置后（本文为距离断层25 m 处），架设工字钢棚，并利用锚索将工字钢棚锁牢。

（2）在工作面起坡后，在工作面两端头20 架范围内沿着坡度进行逮顶刹底，且将刹底幅度控制在10°左右。随后工作面每回采1 刀，液压支架逮顶刹底的范围由两端向中间各增加10 架，并根据现场实际情况，随着距离断层越来越近，逐步加大刹底幅度。

（3）在过断层期间，为了避免矸石过大而导致煤机发生塞堵，由原来的双向截煤方式变为单向下行截煤方式。同时为了保证运输系统的顺畅，在带式输送机机尾以及转载机处设专人对出现的扁平及大块矸石进行破除，防止破碎机无法破碎而导致系统塞堵，影响工作面正常生产。

（4）加快工作面推进速度。加快工作面的推进速度可以避免由于支架长期处于高压作用下而使支架压死的情况发生。可适当减小割煤进刀量，提高割煤机走车速度，以此来加快工作面的快速推进。

（5）做好严格的设备检修以及围岩压力动态监测工作。在过断层期间，一定要动态检查设备的安全可靠性，对存在问题的设备及时进行维护修理，保证工作面安全快速的推进。同时要求相关技术人员做好围岩压力动态监测，针对出现的压力异常情况，及时进行汇报并处理。

4 巷道围岩变形量监测

为进一步说明注浆加固技术以及相应过断层技术方法对巷道围岩控制的效果，对过断层期间巷道围岩变形量进行了监测。图4（a）为11#8735 面过断层时监测的巷道围岩变形量，由于断距较小，所以并没有采取任何加强措施。图4（b）为12#8735面过断层巷道变形量的监测结果。两次监测的测点都布置在断层下盘距离断层15 m处。由图可以看出，采取相关加强措施的巷道围岩变形量整体较未采取措施的巷道明显减小，且12#8735 面的断层断距大，煤岩破碎范围广，更加说明了注浆加固及相关回采工艺改进对过断层整体稳定性控制的效果显著。两图中都可以看出巷道围岩变形量随工作面的推进表现为先增高后降低再升高的变化形式，其中降低点是在距离测点15 m左右处，也就是刚过断层的位置，这与支架压力变化情况相符合。证明在过断层后，断层所形成的构造应力得到释放，顶板压力减小，围岩变形有所收缩。随着回采工作面的继续推进，顶板压力以及围岩变形量再次增加，进入了正常的压力及围岩变形随工作面距离变化的规律情形。