大采高综采工作面过断层技术研究

王 冰

(山西焦煤西山煤电斜沟矿，山西 兴县 033600)

随着综采设备不断发展，大采高工作面凭借其产量高、成本低、生产集中以及采空区遗煤量少等优点，是现阶段厚煤层高效开采的主要技术方法之一[1-2]。随着工作面采高增大，煤壁稳定性变差、开采引起矿压显现更为凸显，特别是采面开采遇断层时围岩稳定性及强度较低，加之大采高综采设备灵活性较差，会给推进效率、生产安全等带来一定制约[3]。当采煤工作面遇落差较小或者影响范围不大的断层时，为提高生产效率一般采用平推硬过方法过断层，并通过改变采煤机截割进尺、超前移架等方式控制顶板，但是由于不能改变煤体及顶板强度及稳定性，无法从根本上杜绝冒顶或者片帮事故发生[4-5]。注浆是提高煤壁及顶板稳定性的主要技术方法，文中就以13205大采高综采工作面过断层为背景，对工作面过断层技术及围岩控制技术进行分析探讨，以期为类似情况下其他大采高工作面过断层围岩控制提供经验借鉴。

1 工程概况

1.1 地质概况

13205大采高综采工作面开采13号煤，厚度4.49 m，倾角7～13°(均值为10°)，煤层结构稳定、裂隙不发育。以往矿井开采13号煤采用综放开采方式，不同程度存在采空区遗煤量大、采出率低等问题，同时面临较大的防灭火及瓦斯治理压力。为此，矿井提出采用大采高综采方式回采13号煤，13205综采工作面为矿井首个大采高综采工作面，设计走向、倾向长分别为1 059 m、200 m。13号煤层顶底板岩性参数见表1。

表1 13号煤顶底板岩性

13205综采工作面切眼掘进过程中揭露有F12断层(H=6.5～8.0 m，212°∠33°)，该断层与采面推进方向有25°夹角，走向影响范围约为50 m，倾向影响范围主要集中在90～105号支架间(影响长度约32 m)，具体切眼内F12断层剖面如图1所示。

图1 F12断层在采面内分布剖面图

1.2 采面过断层安全风险

邻近矿井采用大采高综采工艺开采13号煤层时，超前支承压力影响范围为80 m，应力峰值一般位于采面前方8～15 m，应力集中系数2.5～3.5。13205综采工作面采高4.49 m，采用压力显现明显，同时，F12断层影响范围内煤岩体裂隙发育，采面过断层期间容易发生片帮或者垮落等事故。

13205工作面回采时F12断层影响范围内(90～105号支架间)出现不同程度漏顶情况，起初通过在液压支架上方布置半圆木或者枕木方式维持顶板稳定，但是应用效果不佳。已有工程应用实践表明，通过向顶板破碎岩体内注入马丽散、罗克休可提高顶板稳定性，为此，在13205综采工作面推进过F12断层影响区时，拟在90～105号支架间向顶板注入化学浆液，对顶板进行充填加固，从而为采面安全回采创造良好条件。

2 注浆加固应用

在13205综采工作面90～105号支架间向采面煤壁、破碎顶板施工钻孔，通过向钻孔内注入注浆浆液，提高煤岩体稳定性。注浆浆液起到的加固作用主要体现在以下方面[6-8]：①网络骨架，浆液裂隙中扩散、胶结后形成网络骨架，提高破碎煤岩体稳定性及整体性；②黏结补强，注浆浆液在裂隙中扩散，对裂隙面产生一定黏结力，提高裂隙附近煤岩体强度及刚度；③充填压实，注浆压力作用下浆液充填小缝隙，降低煤岩体孔隙率，从而提高注浆加固区域煤炭体强度。

2.1 加固技术方案

2.1.1 加固材料

对于顶板垮落或者漏顶区域采用注入罗克休材料。罗克休包括催化剂、树脂2种成分，胶结后体积可膨胀30倍以上，硬化后结构抗压强度约0.2 MPa，可起到临时阻止顶板垮落、下沉作用。

对于顶板垮落或者漏顶区域注入罗克休后，在90～105号支架间提前布置钻孔，向钻孔内注入马丽散，通过马丽散将松散、不稳定性煤岩体胶结为一个整体，提高加固区煤岩体稳定性。马丽散材料包括催化剂、树脂2种成分，混合后具有较高的粘结力及强度，同时可注效果较好，能在小缝隙中渗透并膨胀。

2.1.2 施工准备

检测压风管路，确保可提供0.4～0.7 MPa动力风源。提前准备压风管、高压注浆软管，压风管路长度满足注浆泵、风源点距离需要，注浆软管长度满足注浆泵与注浆点距离需要。现场注浆材料、设备等均应按照要求运送至注浆点附近并按照要求整齐码放。

在注浆点现场准备水、清洗剂(5%～10%烧碱溶液)，并配备木锲、棉纱等避免注浆浆液从缝隙中大量外溢。

2.1.3 注浆压力

钻孔注浆压力控制在3～5 MPa，注浆量依据现场情况确定。终止注浆条件为：在设计注浆压力下稳定10 min以上；注浆钻孔周边浆液外溢严重。

2.1.4 注浆施工工艺

1) 向顶板垮落区注入罗克休，具体注入工艺为：①按照设计要求连接注浆泵，高压软管等；②注浆开始时，将吸浆管分别放入到催化剂、罗克休树脂筒内，按照1∶4配比混合后经过高压软岩、注射枪注射到漏顶区域，浆液在漏顶区反应后充填整个漏顶区并对顶板施加一定支撑力；③注浆完成后清洗吸浆管、高压软管及注射枪，用清洗剂及清水分别冲洗注浆泵、附属管路，罗克休树脂侧采用清水清洗、催化剂侧采用清洗剂清洗。

2) 注入马丽散。具体钻孔布置如图2所示，施工工艺为：①钻孔施工，在90～105号支架间布置钻孔，钻孔布置在煤壁上距离顶板1.0 m、仰角33°、孔深6 000 mm、孔径45 mm，钻孔间距为3.0 m；②注浆，采用高压泵注浆，吸浆管分别放入催化剂以及树脂筒内，通过高压泵向钻孔内注入马丽散，注浆从90号液压支架位置向105号支架方向依次进行；③注浆完成后清洗注浆系统，清洗方式与注入罗克休方式一致。

图2 马丽散钻孔布置图(mm)

2.2 注浆效果分析

在13205综采工作面过F12断层初期，由于断层影响范围内煤岩体破碎、稳定性较差，97～104号支架间出现不同程度漏顶情况，液压支架工作阻力达不到设计要求、初撑力普遍偏低，导致支架与顶板接触不良甚至出现挤架情况，不仅影响支架移动而且给生产安全带来一定影响。采用罗克休、马丽散浆液对垮落区进行充填并提高断层影响区煤岩体强度，杜绝了后续回采过程中冒顶或片帮等情况，断层影响附近液压支架正常接顶，可维护顶板稳定。具体注浆前后断层影响区内液压支架工作压力统计结果如图3所示。在注浆加固前，97～104号液压支架与顶板接触不良，甚至部分支架出现倾倒征兆，此部分液压支架工作阻力普遍偏低；注浆加固后，液压支架与顶板均密切接触，支架稳定性增强及工作阻力增加，可实现采面顶板有效控制。

图3 注浆前后断层影响区内液压支架工作压力统计结果

3 结 语

1) 大采高综采工作面回采时矿压显现明显，当采面过断层等地质构造时，在采动压力、构造应力、围岩破碎以及采高较大等因素共同作用下，极易出现冒顶、片帮等情况，影响采面回采安全。

2) 13205综采工作面采高为4.49 m，采面内发育的F12断层走向、倾向影响范围分别为50 m、32 m，由于断层处于采面中部，为此采用平推硬过方法过该断层。在过断层期间，受多因素制约，98～104号支架间出现不同程度漏顶情况、支架初撑力偏低，同时伴随有片帮情况。依据现场情况，提出采用罗克休对冒顶区域进行充填，采用马丽散加固断层影响区煤岩体强度及稳定性，并对具体注浆加固方案进行设计。

3) 现场应用后，13205综采工作面在后续回采过断层期间，断层影响区内液压支架支撑力始终在稳定范围内且与顶板接触良好，顶板及煤壁始终保持稳定，为采面安全高效过断层创造良好条件。