综采工作面过断层群顶板破坏机理及控制技术研究

冯金钟

（汾西矿业集团水峪煤业， 山西 孝义 032300）

引言

断层作为常见的地质构造，对工作面顶板管理及安全生产影响较大。工作面过断层期间，往往出现顶板破碎、煤层变薄、岩石增多等状况，进而引起支架歪斜、设备损坏、顶板冒漏、生产停滞等事故，并可能造成人员伤亡。特殊地质条件下，工作面还有可能一次性或连续过多条断层，顶板控制难度更大，安全风险更高，需要重点研究过断层期间的顶板破坏机理，提前做好顶板控制预案，执行好各项顶板控制措施，从而保障工作面顺利通过断层影响区域[1-3]。

1 工程概况

4207 工作面主采2 号煤层，煤层平均埋深600 m，平均厚度3.5 m，煤层结构较复杂，平均含1～7 层夹矸。工作面沿煤层走向布置并回采，走向长度1 900 m，倾向长度210 m，工作面老顶为粉砂岩，厚度11.5 m，直接顶为泥岩，厚度4.5 m，底板为泥岩，厚度1.5 m。工作面总体地质条件较复杂，回采范围内需要过数十条断层，其中较为典型的是一处连续三条垂直工作面的正断层，断层落差分别为1.1 m、1.0 m、1.6 m，大致分布情况如图1 所示。根据工作面掘进期间的经验，过断层期间顶板裂隙迅速扩展，造成工作面出现冒顶及片帮，且碎裂岩石不断冒落，造成大范围空顶，接顶工作难度极大，风险极大。因此，在工作面回采期间，必须高度重视过断层时的顶板控制工作，否则因断层揭露范围及扰动范围远大于掘进工作面，会造成更为严重的冒顶事故，对安全生产造成重大威胁。

图1 工作面断层分布示意图

2 过断层群顶板破坏机理

综采工作面采场支架- 围岩关系控制至关重要，支架-围岩关系控制合理，端面煤岩体保持稳定，安全生产就有保障，反之，如果支架-围岩关系趋于恶化，就会导致端面冒顶片帮事故。具体到4207工作面，分析其顶底板条件及煤层赋存条件，一是采煤工作面由于受矿山压力影响，加之原生裂隙较多，回采后煤壁、顶板裂隙逐渐发育，并由弹性状态向塑性状态转变，无法保持原有的稳定状态，有向回采空间移动并垮落的趋势；二是人工开挖形成的应力扰动，会加剧顶板破坏，例如液压支架工操作不当，技术水平不扎实，或者液压支架出现故障，支撑力频繁衰减，就会导致支架工频繁操作液压支架或者频繁升降液压支架，对顶板造成额外的反复扰动，由此顶板会更加破碎，极易发生端面漏冒，形成冒落拱，必须加强现场操作管理及顶板支护；三是过断层期间，由于断层带岩石破碎，胶结度差，受工作面超前支承压力影响，断层带岩石原有的平衡状态被破坏，在割煤过后，断层带的碎岩石极易失稳冒落，并引起连锁的冒落反应，造成大范围的冒顶事故[4-6]。分析其顶板破坏机理可知，其顶板控制的重点在于超前对断层带进行加固，可采用超前注浆加固措施进行解决。

3 断层带注浆加固支护方案设计

3.1 注浆加固方案设计

根据现场具体的地质生产条件，结合某矿工作面过断层经验及矿压显现具体情况，设计4207 工作面在过该断层群期间采用分层注浆加固方案，支护方案如图2 所示。该方案的技术原理是：过断层期间，将工作面顶板围岩分为浅部岩石碎裂区及深部裂隙发育区，根据分区不同，使用不同长度的注浆锚杆，注入不同材质和性能的注浆浆液。浅部岩石碎裂区使用的注浆浆液刚度大，能够将碎裂的岩石有效胶结，使其不但能够维持自稳，还能具备一定的承载性能，形成具有一定强度的刚性加固区；而深部裂隙发育区则使用柔性的发泡注浆浆液，浆液颗粒及密度较小，能够充分注入断层及围岩的裂隙，抑制围岩裂隙的进一步扩展，对围岩实施深部加固，形成一个稳定性较好、承载性能较强的柔性加固区，使得围岩的稳定性得到大幅提升。注浆孔在工作面前方支架间隙内向上方打设，打孔向前斜倾角度控制在15°，按照该方案在工作面断层区连续实施长、短注浆锚杆注浆加固，可实现预期的注浆加固目的。

图2 工作面分层注浆加固方案示意图

3.2 注浆加固参数设计

根据断层参数及工作面围岩条件，首先对过断层期间的浅部、深部围岩进行划分，浅部岩石碎裂区包括工作面顶板以上2 m 内的围岩，而深部裂隙发育区包括工作面顶板以上2.5～5.5 m 的围岩。而在工作面超前支承压力及回采扰动的影响下，围岩受影响区域还会有一定程度的增大，故注浆参数设计应留有赋予系数。设计浅部短注浆孔深度为2.5 m，注浆锚杆规格为Φ25 mm×2 500 mm，间距1 500 mm，采用1 号浆液，水灰比0.7～0.8，注浆压力1～3 MPa，浆液初凝时间为3～7 s，0.5 h 抗压强度达到16 MPa，24h 抗压强度达到20MPa，扩散半径为1.5～2m；深部长注浆孔深度为6m，注浆锚杆规格为Φ25mm×6000mm，间距1 500 mm，采用2 号浆液，水灰比1∶1，注浆压力3～5 MPa，初凝时间3～5 s，发泡倍数30，扩散半径2～2.5 m。注浆采用挤压式注浆泵，按配合比配置注浆浆液，开动注浆泵注浆，直至浆液外溢或压力表示数达到注浆压力设计值时停止注浆。在注浆强度达到预定强度后，紧贴顶板上紧垫板和螺母，施加预紧力，对围岩起到更好的加固作用。

4 应用效果

4207 工作面过断层群期间按照设计的分层注浆加固方案进行顶板加固，并重点对工作面端面煤岩体变形破坏情况进行观测。整个工作面过断层期间，仅局部出现煤壁片帮及轻度的顶板岩石冒落，没有发生大范围的冒顶事故，冒落高度最大为0.3 m，整体上断层区域顶板注浆后胶结情况较好，能够观测到胶结后的顶板形态，加固效果较好，说明设计的分层注浆加固方案是合理、可行的。同时，通过加强现场管理，如优化注浆管理工艺、加强液压支架管理及操作水平、实施超前拉移液压支架等措施，能够对断层区破碎围岩进行有效控制，防止冒顶事故发生，保障工作面安全生产。