石洞沟煤矿31111急倾斜智能化综采面过构造带加固技术研究与应用

刘华君 杨启军 王伟平 冯伟

摘 要： 石洞沟煤矿31111急倾斜智能化综采工作面在开采前就对该工作面地质条件进行了分析和研究。在采掘工作中，发现31111回风巷、运输巷存在四个逆断层。针对工作面倾角和采高频繁变化的特点，提出了穿越构造带提前打孔注浆加固技术的研究与实验。为急倾斜大采高智能化综采工作面设备配套选型提供了技术支撑和方向定位。

关键词： 急倾斜工作面 注浆加固 穿越构造带 煤矿智能化

中图分类号： TU753文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）03-0017-03

Research and Application of Reinforcement Technology for the 31111 Steep Intelligent Fully-Mechanized Mining Face Crossing Structural Belts in the Shidonggou Coal Mine

LIU Huajun YANG Qijun WANG Weiping FENG Wei

Sichuan Coal Shidonggou Coal Industry Co.， Ltd.， Guangyuan， Sichuan Province， 628000 China

Abstract： The geological conditions of the 31111 steep intelligent fully-mechanized mining face in the Shidong‐gou coal mine were analyzed and studied before mining. During mining， it is found that there are four reverse faults in the 31111 return airway and transportation roadway， which will cause different degrees of support and mining difficulties to the safety production of the coal mine and the advancement of the fully-mechanized coal mining face. For the characteristics of frequent changes in the inclination and mining height of the face， the Shidonggou coal mine has optimized the supporting functions and structures of brackets， and proposed the study and experiment of advanced drilling and grouting reinforcement technology for crossing structural zones， which provides technical support and directional positioning for the supporting selection of equipment for the steep intelligent fullymechanized mining face with large mining height.

Key Words： Steep face； Grouting reinforcement； Crossing the tectonic zone； Intelligent coal mining

1 概况和目前的问题

1.1 石洞沟煤矿31111工作面概况

石洞沟煤矿31111急倾斜智能化综采工作面最大倾斜长度90 m，最小倾斜长度78 m，平均倾斜长度为84 m；煤层倾向约163°～265°，倾角45°～65°，工作面东部煤层倾角较陡。10号煤层结构简单，11号煤层结构复杂。煤层全高2.75～4.74 m，平均全高约3.75 m，平均纯煤厚度约2.13 m，工作面内部煤层厚度变化较小，煤层之间夹有一层粉砂质泥岩厚0.10 m。

在推进过程中，发现31111回风巷、运输巷存在四个逆断层，其中运输巷F5逆断层影响最大，该F5断层产状为132°∠107°，最大断距为2.2 m，根据推断，该断层沿北东方向延展，从西向东沿31111运输巷走向方向影响长度为25 m（65～90 m）。煤层未断失，上盘顶板较坚硬变化较小，下盘顶板向煤层搓动，煤层底板面降低，断层叠加区域（运输巷70～75 m）煤层增厚至4.8 m。伪底为碳质页岩，厚0.2～0.5 m，断层影响带煤岩层较破碎。

1.2 煤岩的可注性分析

煤层f系数大，致密，正常煤层内可注性较差[1]；煤层顶板、底板的岩性硬度大、致密，正常煤层顶、底板岩石内可注性较差；逆断层内的煤岩层破碎带宽度较小，所用注浆量不是很大；巷道所揭露的断层处浅层，有少量裂隙、相对松动；大钻孔注浆封孔较浅时，会沿断层裂隙漏浆、亦从原支护锚杆和锚索孔（端锚支护）中漏浆，浅层抵挡不住高压注浆而漏浆[2]；漏浆就停，4型料凝固快，停后无法注进，该钻孔就不能再利用；由于断层落差小，大钻孔不易掌握角度，不易精准定位，钻孔易偏离断层面，进入煤层顶板坚硬岩层，注浆量小或注不进去；必须进行优化设计。

2 注浆原理分析

2.1 注浆加固机理

利用化学浆液来充填和固结围岩的裂隙面，提高围岩整体性，充分发挥围岩整体承载能力，保持围岩稳定[3]。对顶板破碎区密集加固，保证化学浆扩散到顶板松散破碎区域，阻止顶板岩层脱落，固定顶板及煤帮。浆液注入岩层渗透分布轨迹是以钻孔为主干的树枝网状分布形式，浆液充填岩层中的大小裂隙，增强了其稳定性[4]。注浆固化后，顶板的抗弯能力增加，下沉量减小。岩体的内聚力C增大、块体接触面积S增大，岩体的稳定性系数提高。

2.2 顶板滑落破坏特征

式（2）中：r为扩散半径，单位为cm；k为地层的渗透系数，6×10-3 cm/s，t为注浆时间，取3 600 s；r0为注装管半径（38 m的高压管），2.2 cm；h为以cm水柱表示的注浆压力，1 000 cm（P=0.1 MPa）；η为岩石孔隙率，取5%；μ为浆液的相对黏度，取2.7。当注浆压力为4 MPa时，水泥砂浆扩散半径为3.0 m；当注浆压力为6 MPa时，水泥砂浆扩散半径为3.4 m；当注浆压力为8 MPa时，水泥砂浆扩散半径为3.7 m。

3 注浆方案

3.1 注浆加固优化设计方案

3.1.1 总体步骤

第一步，浅层注浆封闭堵漏；第二步，深孔注浆固化断层带和煤体。（1）打钻和注浆设备。浅孔注浆均采用钻机打钻，钻头规格为Φ50 mm；采用4分管（直径Φ12.7 mm）进行注浆。采用电动注浆机注浆。浅孔注浆的目的为封堵锚杆锚索孔漏浆和断层裂隙漏浆。（2）运输巷封闭断层处浅层，浅层注浆堵漏分三步走的方式进行。

3.1.2 注浆堵漏

先浅孔注浆，以封闭加固巷道内揭露断层的围岩（煤）。浅层形成封堵加固层，以利高压注浆。运输巷浅孔钻孔布置：分上下两排布置；上排孔：距煤层顶板向下1.4 m，排距6 m，孔深6 m；采用钻机、钻头规格Φ50 mm打眼；钻孔仰角55°，为顺层孔，方位垂直运输巷走向。采用4分管（直径Φ12.7 mm）注浆；注浆管采用4分镀锌铁管加工，每节长2 m，每孔2节注浆管，外端为实管，里端为花管，注浆管两端有丝，丝距与连接套配合；使用止浆塞封孔器（规格38×350 mm）封孔，止浆塞封孔位置在孔深2 m处，注浆管安装外露长100 mm。每孔使用1个2 m注浆实管+1个封孔器+1个连接套+2个注浆花管。下排孔：位置在回采帮顶角处，距上排孔约1.8 m；钻孔仰角40°；排距6 m，孔深6 m；使用注浆管注浆，规格尺寸与上排孔一致。上下排孔均采用4型料注浆堵漏。

3.1.3 加强注浆固化浅层

在第一步注浆堵漏的基础上，进一步加强注浆；方法是在第一步钻孔中间布置加强注浆孔，钻孔布置、规格与上排孔一致；并进行注浆。与前后钻孔间距为3 m。

3.1.4 注浆效果检查

在第一步注浆堵漏和第二步加强注浆固化浅层的基础上，进行注浆效果检验。即在认为最薄弱的地点打一个注浆孔进行注浆检验，若注不进去时，注浆效果已达到要求。

3.2 运输巷深孔注浆固化断层

煤体及断层的空间有6个方向，顶底板两个方向为岩层，浅孔注浆已堵住一个方向；深孔注浆固化时，浆液只能向钻孔的两边和前方扩散；浆液遇断层时首先进入断层面和裂隙而进行固化。

3.2.1 方法

分两步施工。第一步：距顶板上角向下1.6 m布置钻孔。深度35～40 m，方位垂直运输巷回采帮，仰角为顺层孔，即仰角55°，钻孔间距6 m，并注浆。第二步：在第一步注浆的基础上，在钻孔之间打一个再进行注浆，若注不进去时，注浆效果已达到要求。

3.2.2 使用设备和工具

使用钻机、直径Φ75 mm的钻头打眼，直径Φ32 mm的PVC管输浆，两堵一注的囊带封孔，封孔深度3～6 m，以现场实际和实用为准。封孔时注浆有效的细节操作。钻孔位置较高时，需设置脚手架，安全可靠。

4 穿越构造带方法及措施

（1）根据工作面煤层赋层条件和穿越构造带加固治理中注浆效果进行开采技术的配套。本次工作面过f5断层中进行回采，首先采取上盘控制下盘、下盘挑顶留底煤、平滑过渡进入煤层叠加区域后再沿上盘顶板留底煤提架开采。期间工作面及下出口受采高及顶底板等因素影响时，及时采取相应拉架技术措施，确保过断层顺利开采。（2）过断层期间当工作面回采至运输巷90 m处，开始留底煤、切割伪顶、直接顶提架开采，留底煤提架起始阶段割煤时留底一循，平割2～3循，一次留底高度不超过100 mm开采，将支架顺利过渡到提架斜面后，按其正规循环操作推进至采过断层面。（3）留底提架参数：从运输巷90 m处开始留底提架，回采到机巷65 m位置时随工作面继续推进，工作面沿断层线方向的煤层依次要进行割顶，直至断层结束。该断层走向留底提架长度为25～30 m，总提底高度约1.7 m，平均每推进一循环提底高度50 mm，整体提底坡度为4°。（4）过断层期间要求：①严格控制断层回采区域割煤质量，加强推溜移架管理；②在正常采高范围内，在移架、调架过程中，严格按照作业规程、操作规程要求重点对支架重要参数进行调节控制，规范支架伪斜角、仰俯角、支架错差等参数，过断层区域能够接顶的支架工作阻力要求达到支架不下滑范围；③工作面严格控制直线度；④工作面留底割煤后，尽快通过推溜将所留底煤压稳，留底段移架时要精准操作；⑤留底区域上、下行割煤时要避免将已留底煤误割；⑥管控好割煤质量，严格控制顶底板平整度，杜绝出现严重起伏造成支架偏斜，中部槽哑铃销脱落、损坏等问题。工作面调整断层段液压支架及中部槽直线时，控制使用成组推溜，严禁强行推溜。

5 穿越构造带施工安全技术工艺

（1）割煤过程严禁空顶、空帮。（2）过断层区域工作面下段煤层底板面偏低，工作面割煤时控制好速度。处理下出口安全时工作面严禁其他工序作业。（3）作业人员要服从现场管理人员的统一指挥。（4）回采期间，移架工操作时，液压支架下方严禁其他人员作业，工作面的语音信号必须保证完整、可靠。

6 效益

6.1 经济效益

（1）按照当前31111综采工作面4处逆断层走向长度130 m，工作面斜长90 m，采高3.7 m，容重1.5，煤炭价格500元/t计算，则31111综采工作面过构造带开采创造经济效益为130×90×3.7××500≈216.45万元；（2）减少了综采工作面搬家倒面次数，至少减少4个月的生产影响，按照综采工作面月产量40 000 t，煤炭价格500元/t计算，可减少直接产量影响产值：40000×4×500=8000万元；通过实施穿越构造带破碎顶板加固治理，31111综采工作面累计可创造经济效益8 216.5万元。

6.2 社会效益

石洞沟煤矿31111急倾斜智能化综采工作面穿越构造带破碎顶板加固技术研发与应用，取得的社会效益如下：（1）减少了煤炭资源损失量，提高了回采率；（2）工作面构造带破碎顶板的成功加固，减少了煤矿冒顶事故，保障了煤矿安全生产；（3）工作面构造带破碎顶板的成功加固，减少了工作面搬家倒面的次数，保障了急倾斜煤层智能化开采的正常生产。

7 结论

（1）该项目的推广，顺应煤炭行业历经人力、炮采、机采，并向自动化、智能化方向的发展趋势，遵循采煤产业促进生产效益、提高市场效益的发展必然规律。（2）响应了国家能源政策“十三五资源领域科技创新专项规划”，推进煤炭资源向安全、绿色、智能、高效开发转变。（3）贯彻了落实国家“机械化换人、自动化减人、科技强安”政策，助推煤炭行业 “四化”（机械化、自动化、信息化、智能化）。

参考文献

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