采煤工作面过断层煤岩协同控制技术研究

张钟文

（汾西矿业灵北煤矿，山西 灵石 031300）

引言

断层是煤炭资源回采时常见构造类型，当采煤工作面回采过断层时在断层破碎带内容易出现顶板冒落、支架倾倒以及片帮等问题，从而给煤炭安全回采带来威胁[1-2]。为此，众多的研究学者提出超前支护、注浆加固等方式提升断层破碎带煤岩体强度，在一定程度上提升了采煤工作面安全生产保障能力[3-5]。文中以山西某矿11305 采煤工作面过F103 断层为工程实例，提出采用煤岩体协同控制技术提高断层破碎带内煤岩体强度，实现了采面安全回采。

1 工程概况

1.1 地质概况

山西某矿11305 采煤工作面回采的11#煤层厚度平均3.6 m、倾角7°，埋深520 m，顶底板以砂质泥岩、泥岩以及粉砂岩为主，根据回采巷道揭露以及相关钻探、物探资料显示，11305 采煤工作面回采至690m 位置时会揭露F103 断层（H=1.8 m～4.5 m，122°∠49°），具体采面与断层位置关系，如图1 所示。

图1 采面与断层位置示意图

由于断层影响范围内煤岩体裂隙发育，采面回采过断层期间容易出现煤壁片帮、冒顶以及支架倾倒等问题，给采面回采带来较大安全威胁。

1.2 断层破碎带煤岩体致灾因素分析

11305 采煤工作面顶底板岩性以砂质泥岩、泥岩以及粉砂岩为主，裂隙相对较为发育，特别是顶板泥岩、砂质泥岩遇水容易崩解，从而岩层稳定性较差。11305 采煤工作面回采过程中在断层影响下会降低煤层、顶底板岩层稳定性，使得煤岩体中产生新的裂隙。

随着采面不断推进，在采动压力作用下断层破碎带附近煤岩体内应力集中，采面回采过程煤壁、顶板岩层在采动应力作用下出现失稳概率显著提升。当采面推进至断层破碎带时，原本相对稳定的煤岩体在采动影响下逐渐向松散结构转换，在局部构造应力、采动应力等综合作用下，容易出现顶板冒落、片帮问题，具体某采面顶板冒落情况，如图2 所示。

图2 采面顶板冒落示意图

2 断层破碎带煤岩体协调控制技术

断层破碎带内煤岩体协同控制技术是综合锚杆（索）、注浆方式提升破碎带内煤炭体承载能力以及强度，并使得原本破碎的煤炭体成为一个共同作用的承载单元。在锚杆索作用下可降低顶板岩层下沉量、避免顶板冒落、煤壁片帮发生；注浆可将原本破碎的煤岩体胶结为一个整体，并提高煤岩体黏聚力及稳定性。

2.1 注浆技术

通过注浆可显著提高断层破碎带煤岩体强度及承载能力，从而提高采面过断层安全性。在F103 断层影响范围内沿着采面倾斜方向布置上下2 排注浆钻孔，上排注浆钻孔与采面底板间距为2.5 m、钻孔倾角45°、孔深6.0 m；下排钻孔与底板间距1.5 m、倾角15°、孔深6.0 m。钻孔施工完成后，通过注浆设备以及专用封孔器向钻孔内注入水泥浆，注浆压力1 MPa～2 MPa，单孔注浆时间控制在20 min 以内。

2.2 锚杆（索）支护

锚杆（索）主要作用是给断层破碎带表层煤岩体一定的作用力，从而将浅部、深部岩层作用形成一个结构相对完整的整体。在11305 采煤工作面过F103断层期间，采用金属锚杆对顶板进行支护，并通过桁架锚索对顶板岩层进行补强；采用玻璃钢锚杆对煤壁进行支护。具体采面锚杆（索）布置，如图3 所示。

图3 锚杆（索）布置图

顶板螺纹钢锚杆规格为20 mm×2 500 mm，按间排距1 600 mm×1 600 mm 布置，桁架锚索为Φ15.6 mm×7 300 mm，按间排1 600 mm×1 600 mm布置，顶板锚杆、锚索预紧力距均为150 N·m；在采面上部容易片帮位置布置20 mm×2 500 mm 玻璃钢锚杆，具体间排距依据现场情况确定。

2.3 其他控制措施

采面在回采过断层期间可辅助采用强化液压支架管理、调整采高等方式应对断层破碎带煤岩体。

2.3.1 强化液压支架管理

已有研究成果表明，采面顶板冒落有60%出现在支架顶梁前端、有40%出现在移架过程中，因此，强化液压支架管理可在一定程度上降低顶板冒落威胁。当采面顶板破碎、煤壁片帮问题突出时，可采用提前支架方式及时支撑顶板，并采用带压移架；当采面出现纵深较大片帮时采用铰接顶梁、架设圆木等方式对顶板进行支撑。同时可适当加宽采面液压支架护板，具体可通过在顶板侧边布置护侧装置实现，并使用千斤顶辅助护帮。采煤机割煤后及即伸出护帮板，对给煤壁一定的水平支撑力。

在过F103 断层期间，适当增加液压支架支撑力，实现对煤壁以及顶板控制。对液压供液系统进行检查，确保提供的乳化液压力在30 MPa 以上。

2.3.2 调整采面采高

煤壁片帮发生率会随着采高增加而增大。在11305 采煤工作面过F103 断层期间可将采高先保持在3.6 m，若回采期间片帮严重则可适当将采高降至3.2 m，通过适当降低采高来达到降低片帮发生率目的。

3 结语

1）11305 采煤工作面过F103 断层期间存在的主要问题是断层破碎带煤岩体稳定性较差。因此，提出使用破碎煤岩体协同控制技术来提升破碎煤炭体稳定，并依据现场实际情况对注浆加固、锚杆及锚索布置参数进行设计。

2）现场应用后，断层破碎煤岩体被注浆浆液胶结为一个完整的整体，结构较为稳定；采面回采过断层期间未有顶板冒落问题，同时采面基本不片帮，仅局部位置出现深度0.3 m 以内、高度0.5 m 以内的小片帮。总体来说，通过对断层破碎带煤岩体采用协同控制技术，为采面回采过断层安全创造了良好条件，可实现采面安全高效回采。