综采工作面过断层破碎带精细化片帮防治技术

2023-03-07崔豪桐

山东煤炭科技 2023年1期

崔豪桐

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部，山西晋城 048000）

在采动应力作用下，大采高工作面极易出现煤壁片帮、冒顶现象，特别是在工作面过断层区域。姜耀东、王丰旺等针对断层活化机理、煤壁片帮防治技术等进行了广泛且深入的研究[1-4]。

1 概况

长平矿III4306 工作面北部为胶轮车大巷（已掘），东部为4304 工作面（正在布置），西部尚未布置工作面，南部为矿界。工作面顺槽长1420 m，倾斜宽220 m。4306 工作面开采3#煤层，煤层平均厚度为5.67 m，煤层倾角2°～6°，平均3°，埋深平均为450 m。工作面推进到810～1110 m 段为仰采，机头高机尾低，最大落差约30 m。根据工作面顺槽巷道揭露和槽波探测分析，工作面受到多个断层影响，主要有SF152、SF180、SF144、SF129、SF92、SF91、SF120、SF75、SF116 和SF72 等。

2 采动应力对断层的稳定性影响分析

开采过程中，随着煤炭资源的采出，其围岩结构、应力状态等均遭到破坏，原岩应力重新分布，会在周围岩体中产生应力集中现象。从工作面推进方向来看，采煤工作面前、后方的采动应力形成一个压力拱，两个拱脚分别作用于工作面前方煤壁和采空区后方矸石。由于工作面前方超前支承压力是上覆岩层由于自重的作用向采空区两侧的转移，所以在工作面自上盘邻近断层弱面时，其主应力向断层上盘方向偏转；反之当工作面位于断层下盘时，断层面上主应力向断层下盘方向偏转。因此，采煤工作面和断层之间的位置、空间关系，使得采煤工作面过断层影响区时，顶板岩块形成不同的几何形态，同时采动应力在断层面上呈现不同的应力作用，断层产生活化的危险性不同，采煤工作面出现片帮、塌方、冒顶的危险性也不同。

3 工作面开采遇断层活化状态分区

沿采煤工作面推进方向做剖面，在通过断层构造时，呈现出由断层上盘进入断层下盘和由断层下盘进入断层上盘两种情况。

（1）采煤工作面自断层上盘进入下盘。采煤工作面位于断层上盘推进至断层面时，由于主应力的偏转，能够增加断层面的有效摩擦，在一定程度上降低断层出现滑移的危险。因此，在这种情况下，工作面煤壁断层上盘区域和断层下盘区域其煤壁稳定性基本无差异。在工作面推进进入断层下盘一定长度后，其支架压力和前方煤壁应力均会出现升高，应加强液压支架的管理。

（2）采煤工作面自断层下盘进入上盘。采煤工作面位于断层下盘推进至断层面时，断层面上主应力向断层下盘方向偏转，在断层带上会产生平行于断层面的剪切应力，极易引起断层的活化。在这种情况下，采煤工作面断层两侧必然处于不同的活化状态。采煤工作面上盘侧已通过断层面，在断层面附近由于断层形成过程中周边煤岩体遭到破坏，需进行治理，其余区域煤壁及顶板则相对较好。采煤工作面断层下盘侧，在高应力的作用下极易出现采煤工作面煤壁片帮和冒顶现象，且出现片帮的范围、深度更大，顶板空顶距也更大，更易引起顶板冒顶，需要对其进行重点防治。

4 煤壁片帮分区精细化防治技术

根据断层和采煤工作面之间的位置和空间关系，确定采煤工作面过断层分区精细化片帮防治总体思路，如图1。

图1 分区精细化防治技术方案简图

4.1 断层精细化探测

采用槽波等物理探测手段，对工作面内可能存在的断层进行探测，圈定其影响范围；采用钻探方法，对断层的参数、影响范围进行精细化探测，并确定断层在工作面推进方向上两侧及断面层两侧的影响范围。

4.2 工作面分阶段管理

（1）断层与工作面斜交。① 在工作面距断层约30 m 时，开始做过断层的准备工作。需全面检修工作面液压支架，并加强对工作面液压支架的管理，保证移架后的初撑力能够满足规程措施要求。同时调斜工作面，使工作面同时揭露断层范围相对减小。② 在工作面距断层约15 m 时，需稳定工作面割煤速度，做到割煤后追机移架，及时打开护帮板，保证对工作面煤壁的支护阻力，同时保证支架对顶板的初撑力满足要求。遇到顶板破碎时，采用带压擦顶拉架，尽量避免出现漏顶现象。对于综放工作面则停止放顶煤以维护顶板。③ 在工作面距断层约5 m 时，工作面需调整到可调斜的合适角度，并稳定工作面割煤速度，做到割煤后追机移架，及时打开护帮板，保证对工作面煤壁的支护阻力，同时保证支架对顶板的初撑力满足要求。对于综放工作面在断层影响区域停止放顶煤以维护顶板。此外，该阶段还需对破碎煤岩体进行注浆加固，以维护工作面煤壁及顶板安全。④ 在工作面通过断层影响区后，工作面可逐步调正。对于综放工作面可开始放顶煤。

（2）断层与工作面近似平行。此时调斜工作面意义不大，在距断层30 m 时需加强工作面管理，在距断层15 m 时需重点进行破碎煤岩加固。

4.3 重点阶段注浆加固

（1）超前注浆。在工作面顺槽进行超前深孔注浆加固，以提高破碎煤岩体结构面的力学性能，从而提高在超前支承压力作用下的承载能力。对于大采高工作面，注浆主要加固工作面上部煤体；对于综放工作面，需对机采范围上部煤体和支架上部的煤体进行加固。

（2）面内分区加固。① 工作面自断层上盘逐步进入下盘，此时，在工作面断层影响区均匀布置复合材料注浆加固钻孔；② 工作面自断层下盘逐步进入断层上盘，此时，断层下盘极易活化，工作面往往易出现大范围的片帮现象，对工作面安全开采影响极大。此时，对于断层影响区需加密复合材料注浆加固钻孔，特别是对于工作面下盘影响区域，必须加密钻孔并保证单孔注浆量和注浆质量。

5 工业试验

5.1 防治方案

按照工作面过断层整体对策，结合4306 工作面实际情况，在4306 工作面过断层期间，采取以下工作面片帮冒顶防治方案：

（1）工作面回采距断层约30 m 时，对液压支架进行全面检修，保证其全部支架处于正常工作状态；此时开始割煤后及时移架，并保证支架初撑力和护帮板对煤壁的支护。

（2）在工作面顺槽巷道布置超前深孔注浆加固钻孔。注浆分两次施工，均为上下排布置，首先施工一次注浆钻孔，采用“三花”形式布置钻孔，施工完成后即进行注浆加固。其次，在一次钻孔对应的上下排位置布置二次注浆钻孔，两次钻孔形成矩形布置，待距工作面25～45 m 时进行注浆。注浆钻孔布置参数需结合断层具体位置和煤层起伏变化情况来确定，SF144、SF129、SF92、SF91 等断层处注浆加固钻孔布置参数如图2。