胡家河煤矿402102工作面过断层破碎带围岩控制实践

2020-06-02王帅，赵武，杨俊

陕西煤炭 2020年3期

王帅，赵武，杨俊

(陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西咸阳 713600)

0 引言

陕西彬长胡家河矿业有限公司402102工作面位于4号煤402采区，工作面设计长度1 943 m，可采长度1 793 m(平距)，倾向长180 m。工作面东侧为402103采空区，南侧为五条大巷保护煤柱，西侧为402101设计工作面，北侧为4号煤0点边界线。402102工作面掘进期间揭露F7断层，该发育在回风巷距停采线1 110 m附近的一条正断层，倾向152°，倾角45°，落差0～10 m，横穿整个工作面。断层破碎带宽约0.2 m，方解石脉填充，断层附近顶板压力较大，煤体较破碎，为保障工作面回采过程中安全通过该区域，需针对该断层破碎带制定合理的围岩控制技术。

1 断层破碎带难控机理分析

1.1 支架阻力增大

活化现象：在地质构造简单的开采区域，随着工作面的向前推进，基本顶的岩块破断形式会出现单关键块体和双关键块体不断循环交替的情况，此种情况下关键块体结构的失稳主要发生在工作面的后方区域，结构的失稳对工作面的整体扰动较小，在顶板来压时，其动载系数相对较小，一般为1.2～1.3[1-4]。但当开采区域存在断层破碎带时，此时若工作面推进至断层区域时，由于断层结构面的抗剪强度较低，会致使断层出现超前工作面的活化现象，具体断层破碎带区域基本的运动状态如图1所示。

图1 断层破碎带区域顶板运动形态示意图

支架阻力增大的原因：由图1可知，在断层区域基本顶岩块在断层活化的影响下，断层会沿着断层面产生较大范围的滑移，进而致使工作面顶板出现急剧下沉的现象，若选型支架的初撑力不足会造成基本顶与直接顶之间出现离层现象。基本顶及荷载层在滑移后会对直接顶岩层形成冲击，进而造成断层附近工作面的支架受到的冲击载荷较为明显，从而会出现工作面推进通过该区域时，支架出现阻力异常增大的现象[5-8]。

1.2 煤壁片帮

煤壁片帮的形式：根据402102工作面的地质资料显示，工作面沿倾向煤岩体的岩性变化较大，煤壁片帮的现象在工作面面长方向上以多点、局部的特征发生变化，具体煤壁片帮的形式如图2所示。

图2 工作面煤壁片帮力学模型

煤壁片帮分析：由图2分析，可将工作面前方的煤体视为半无限体，对于煤壁的自由表面仅有支架的掩护板的力作用在上面，煤层的上表面受到条形荷载的作用。当矿井的地应力较小时，岩体的破坏形式主要以脆性破坏为主，在工作面超前支撑压力的影响下，煤壁的破坏深度较小，但在工作面推进通过断层破碎带时，由于断层的影响使得该区域的煤体比较破碎，加之工作面超前支撑压力和煤层上部条形荷载的作用下，便易致使工作面在推进通过断层破碎带区域的煤体时出现大范围的片帮现象。煤壁破坏的形式主要为剪切破坏和拉伸破坏，基于图2的力学模型，根据理论推导能够得出在剪切破坏下煤壁片帮最小的顶板载荷q及拉伸破坏形式下防止煤壁片帮支架护板作用力N的最小值的表达式[8-14]分别为

(1)

式中：q—剪切破坏煤壁片帮时最小的顶板载荷；C—煤体的内聚力；γ—上覆岩层的容重；h—煤壁的片帮高度；φ—煤体的内摩擦角。

2 围岩控制技术及效果

2.1 4号煤层顶底板岩层特性

402102工作面主采4号煤层，煤层厚11～28 m，均厚20 m，上分层平均可采厚度14.1 m，煤层结构简单，一般含两层夹矸，位于煤层的中上部和中下部，夹矸厚度一般小于0.35 m，顶板岩性以灰-深灰色砂质泥岩、粉砂岩为主，底板则以黑灰色泥岩、铝土质泥岩为主，煤层顶底板岩层特征见表1。

2.2 围岩控制技术

围岩控制的必要性：根据402102工作面及F7断层的具体情况，基于上述工作面推进通过断层破碎带区域围岩难控机理的分析可知，断层破碎带区域易出现支架压力异常增大的现象，容易致使出现压架的情况，同时易出现煤壁片帮的现象。

降低采高，增大护帮高度：在工作面推进值F7断层附近时，液压支架的工作阻力出现不断增大的现象，在工作面104#支架的位置处，支架出现液压阀开启的现象。为防止顶板岩块沿断层出现大范围的滑落导致压架现象的出现，在工作面推进通过断层破碎带期间，降低工作面的采高至3.5 m，具体如图3所示。同时采用连锁棚、支柱穿鞋和打设带帽的戗柱，以此对工作面过断层区域的顶板进行控制；减小支架的水平支护力，设置支架最大的水平支护力不大于500 kN。

工作面煤壁注浆：在工作面推进通过F7断层区域时，为保障断层破碎带的松软破碎煤岩体能够有效的胶结成一个整体，进而形成一定的承载结构，充分发挥煤体的自稳能力，采用超前注浆加固的方式。注浆孔在工作面面长180 m的长度上均匀布置，注浆孔长为10 m，注浆孔间距为3 m，钻孔的仰角为15°，布置在距离工作面顶板2.5 m的位置处，具体注浆孔的布置方式如图3所示。

图3 工作面过断层区域降低采高及注浆孔布置示意图

注浆材料及工艺：本次工作面超前注浆加固使用的材料为水泥—水玻璃，水泥采用425#普通硅酸盐水泥，设置水泥浆的水灰比为0.6，水玻璃浓度为48～55Be′，模数为2.8～3.2。在进行工作面煤岩体超前注浆加固作业时，具体注浆工艺流程如图4所示。

图4 注浆工艺流程图

注浆时各项参数控制：①注浆孔封孔长度。根据断层区域的具体特点设置注浆封孔深度0.8 m；②注浆终压。注浆压力过高将导致原有围岩结构破坏，压力过低不能保证浆液的有效注入。通常注浆终压控制在6～8 MPa，若长时间不升压，采用间歇注浆方式，间隔时间应与材料初凝时间相匹配；③单孔注浆量。为保证注入的浆液能够将围岩裂隙全部充填密实，在进行注浆施工时，原则上应注到钻孔不吃浆为止，设置单孔最小注浆量为3 t。

2.3 效果分析

支架工作阻力记录：为有效分析工作面过断层区域采用上述围岩控制技术的效果，在工作面过断层区域采用上述措施后，对支架通过该区域时的工作阻力进行分析。具体工作面推进通过断层区域时支架的工作阻力曲线如图5所示。

图5 工作面过断层区域支架工作阻力

数据分析：由图5可知，工作面在通过F7断层破碎带区域时，工作面两端头105～115#和10～15#位置处顶板破碎程度较为严重，顶板破断后载荷首先作用到该两处区域的支架上，进而致使该区域的支架工作阻力升高较大，支架的载荷最大达到35～40 MPa，支架的工作阻力达到13 744～15 707 kN。工作面端头两处区域支架的工作阻力达到额定工作阻力的91%～105%，相比于工作面两端头，工作面中部区域的支架阻力及载荷较小，支架的工作阻力为7 853～11 780 kN，达到额定工作阻力的52%～79%，支架的工作载荷仅为20～30 MPa。中部区域支架未出现支架安全阀开启的现象，工作面两端头局部支架出现安全阀开启的现象。根据工作面的现场观测可知，工作面在采用上述措施后，推进通过断层破碎带区域时，工作面两端头局部支架出现安全阀开启的现象，但总体支架工作阻力较为合理，基本无煤壁片帮的情况出现，保障了工作面顺利通过F7断层区域。