回采面过断层应力区围岩控制措施研究

李 磊

（同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司，山西 朔州 036000）

1 工作面概述

同煤浙能麻家梁煤业有限责任公14106 工作面位于井田中东部，一采区东部，以方位角160°布置。北部毗邻665 南回风巷，西部紧邻14105 工作面，相隔煤柱间距为39.7m，南部尚未开采，东部相邻14107 工作面(目前正在掘进，未圈定)辅运巷，相隔煤柱间距为37.2m。

14106 工作面设计走向长度1360m，可采走向长度1280m，倾斜长度249.5m，工作面回采煤层为二叠纪下统山西组4#煤层，煤层平均厚度9.39m，工作面采用综合机械化放顶煤回采工艺，采高3.5m，放煤厚度为5.89m。

14106 工作面回采至740m 处揭露一条正断层F4，断层落差为1.8m，倾角为52°，F4 断层从回风顺槽侧斜交至工作面，对工作面影响长度为45m。受断层影响，预计工作面在过F4 断层前后10m 范围内顶板出现破碎现象。

2 过F4断层期间技术难题

（1）顶板破碎严重。由于14106 工作面采用放顶煤回采工艺，预留顶煤厚度为5.89m，回采煤层为二叠纪下统山西组4#煤层，煤层发育不稳定，呈破碎状，煤体单轴抗压强度为19MPa。工作面在过断层带时受回采压力、构造应力影响，工作面顶板出现应力集中现象，导致顶煤破碎严重，局部地段出现漏顶现象，采用液压支架维护难度大。

（2）煤体应力大，煤壁片帮严重。工作面回采过程中受外力作用，工作面煤壁主要受垂直向下的剪切应力和垂直煤壁的拉伸应力，导致煤壁出现剪切破坏和拉伸破坏；14106 回采煤层稳定性差，强度低，工作面煤壁破坏形式主要为垂直向下的剪切破坏，而该破坏程度主要取决于煤层物理力学性质及采高，采高越大破坏越严重，14106 回采高度为3.5m，煤壁在顶板往下1.5m 范围内破坏相对严重。

（3）支架支护质量差。由于14106 工作面在过断层破碎带期间顶板相对破碎，在移架后支架顶梁接触挤压时无法达到预期的初撑力及工作阻力，初撑力、工作阻力不足额定值得50%，而且在升架过程中支架顶梁对破碎顶板产生剪切应力作用，加剧顶板破碎程度，从而大大降低了支架支护效果，很容易出现支架倾架、倒架现象。

3 过断层破碎带围岩控制措施

麻家梁矿综采一队通过技术研究，为了提高围岩稳定性，保证支护效果，决定在过F4 断层破碎带期间采取“注浆+撞楔超前圆钢支护+台阶回采工艺”等联合方法进行顶板及煤壁维护。

3.1 破碎顶板注浆支护

（1）为了提高14106 工作面断层应力区破碎顶板稳定性及煤岩体强度，通过对破碎煤岩体高压注入聚氨酯粘合剂，粘合剂在压力作用下快速深入煤岩体裂隙内并进行凝固粘接，提高煤岩体整体稳定性及单轴抗压强度，防止顶板破碎范围进一步扩大。

（2）14106 工作面在揭露断层前10m 及过断层后10m 范围内，对破碎顶板施工注浆斜孔，注浆孔深度为5.0m,直径为45mm，钻孔间距为5.0m，排距为3.0m。

（3）注浆钻孔施工完后，对钻孔内埋入注浆管并在钻孔口处进行封孔处理，注浆管与高压注浆泵进行连接，注浆泵吸料管插入聚氨酯粘合剂料桶内；开启注浆泵进行钻孔注浆，注浆期间发现煤体有浆液渗出时立即停止注浆。如图1 所示。

图1 过F4 断层应力区围岩控制措施施工剖面图

3.2 撞楔超前钢管支护

（1）工作面在断层应力集中区回采期间，为了能够对煤壁前方应力集中区及时超前支护，可通过在工作面设计顶板位置处施工一排撞楔超前钢管支护，在移架时支架顶梁沿钢管面带压移架，从而减小煤壁前方集中应力对顶板、煤壁产生超前破坏作用，确保支架与顶板能够接触严实，保证支架具有足够的初撑力，提高支护效果。

（2）14106 工作面回采至F4 断层应力区时，在工作面设计顶板位置施工一排超前支护钻孔。钻孔深度为3.0m，直径为40mm，钻孔垂直工作面煤壁布置，垂直角度在垂直面和水平面误差不得超过3°，钻孔间距为0.5m，排距为2.0m，相邻两排支护钻孔交错叠加布置。

（3）超前支护钻孔施工完后，对钻孔内依次填装锚固剂及超前支护体，超前支护体选用直径为32mm、长度为3.3m 的中空圆钢。支护体锚固后保证外露端长度控制在0.2~0.4m 范围内。

3.3 台阶法回采工艺

（1）由于14106 工作面回采煤层强度低，且回采高度相对较大，从而导致煤壁片帮，所以可通过台阶法回采工艺降低工作面回采高度，达到控制煤壁片帮的目的。

（2）工作面进入断层应力集中区后，将采煤机上滚筒增设长轴，长度为1.0m，割煤时先采用上滚筒进行台阶割煤，形成上下台阶煤壁，如图1所示。台阶面宽度为1.2m，上台阶面高度为1.5m，下台阶面高度为2.0m，高度比为3:4。

（3）台阶煤壁形成后，上下滚筒同时进刀割煤，割煤深度为0.8m，保证工作面采煤机每刀割煤后预留台阶面。

4 效果

14106 工作面过F4 断层应力集中区时，采用“注浆+撞楔超前圆钢支护+台阶回采工艺”等联合措施进行围岩控制，取得了显著的应用效果：

（1）对破碎顶板采取注浆支护后，提高了顶板破碎煤体稳定性，使煤体单轴抗压强度提高至54MPa，增加了顶板承载能力，防止顶板冒顶事故发生。

（2）通过对破碎顶板施工撞楔超前圆管支护，可对工作面煤壁前方应力集中区进行超前维护，降低了集中应力对顶板及煤壁超前破坏作用；同时，在移架时支架顶梁可与圆钢接触严实，提高支架初撑力84%以上。

（3）与补打支护相比，采用台阶法回采工艺降低工作面回采高度，不仅降低了支护材料成本费用，减少工作面施工工序，而且可有效阻止工作面煤壁片帮现象，14106 工作面在后期回采期间未发生严重片帮现象，保证了工作面安全回采。