韩海军

（山西省泽州县能源局， 山西 晋城 048000）

随着矿井开采强度、采掘范围以及开采深度等增加，煤炭生产过程中受地质构造、瓦斯以及地下水等影响更趋明显，安全生产形势更趋严峻[1-2]。采煤工作面回采推进过地质构造时，煤壁及顶板破碎等，给煤炭生产带来较为显著制约，期间容易出现煤壁片帮、冒顶等事故；同时煤壁失稳、冒顶等给采煤工作面内煤炭开采设备、辅助设备等正常运行带来制约[3-5]。山西某矿3305 采煤工作面在回采遇到断层期间，煤壁及顶板破碎同时部分支架发出“吱吱”声响，采面在过断层期间面临较大的煤壁片帮、顶板冒落风险。文中就对采面过断层期间煤壁稳定性控制技术展开研究，并针对性提出控制技术，以期更好的促进煤炭开采工作。

1 工程概况

山西某矿设计产能1.2 Mt/年，现阶段主采3 号煤层，煤层均值5.8 m，倾角2°～8°，赋存稳定，是现阶段矿井主采煤层。3 号煤层直接顶为砂质泥岩、泥岩互层，厚度8.5～14.3 m；直接底为泥岩、粉砂岩互层，厚度9.2～11.7 m。3305 采煤工作面采用综放开采工艺，采煤高度2.8 m、放煤高度3.0 m，采面面长设计为190 m、推进距离1 585 m。在采面回采过程中会揭露有多条断层，其中对采面生产影响较为明显的断层包括F3（落差1.2 m）、F5（落差3.5 m）及F6 断层（落差0.7 m），断层走向基本与采面推进方向平行，具体断层在采面内分布位置示意图见图1 所示。

图1 断层在采面内分布位置示意图

3305 采煤工作面在回采推进至F3、F5 及F6 断层影响区内时，采面煤壁出现片帮、顶板出现漏顶情况，给煤炭正常生产带来制约。为此，需要针对现场实际情况制定针对性的采面过断层煤壁控制技术方案。

2 采面过断层期间煤壁稳定性分析

在3305 采煤工作面在回采推进至F3、F5 及F6断层影响区时，采面煤壁出现片帮情况，片帮深度在0.3～0.95 m，顶板出现小范围冒顶情况，同时伴随有顶板岩层破断声音，液压支架位移量较大。为掌握断层对采面围岩稳定性影响，提出采用数值模拟软件（COMSOL）及现场实测方法进行分析。

2.1 模拟分析

在3305 采煤工作面推进方向存在有断层，断层赋存导致采面煤岩体不连续、且部分位置煤岩体破碎。由于F5 断层对采面生产影响较为显著，为降低模拟难度文中就仅分析F5 断层对采面周边应力分布影响，具体3305 采煤工作面推进至F5 断层时围岩应力分布模拟结果见图2 所示。

图2 3305 采煤工作面断层影响区应力分布云图

通过模拟发现，在F5 断层影响范围内围岩应力出现一定程度集中，应力集中峰值为45 MPa；在靠近3305 运输巷一侧，断层引起的应力影响范围较长，长度约为40 m，影响范围内应力值介于35～45 MPa；在靠近3305 回风巷一侧断层引起的应力影响范围相对较短，影响长度为5 m，影响范围内应力值介于30～45 MPa。断层发育导致构造应力集中，加之受到采动动压影响，煤壁及顶板裂隙在应力作用下进一步破碎，从而增加煤壁片帮、冒顶风险。

2.2 现场实测分析

3305 采煤工作面现场共计布置126 架综放液压支架，单架顶梁宽度为1.5 m，其中40 号～80 号综放支架支撑范围为F3、F5 及F6 断层支护范围，58号～63 号支架支撑范围主要为F5 断层影响区。采用现场实测方法对采面矿压显现情进行分析，具体获取得到采面液压支架工作阻力分布情况见图3 所示。

图3 采面支架压力分布图

从图3 中看出，在F3、F5 及F6 断层影响范围内采面综放支架工作阻力明显增加，其中60 号支架工作阻力最大，达到45 MPa。随着采面与断层距离增加，液压支架压力呈现降低趋势；根据采面液压支架压力分布看出，在面向运输巷一侧且与断层相距30 m 范围内时，液压支架压力由28 MPa 陡增至45 MPa，支架压力增长梯度为2.3 MPa/m；在面向回风巷一侧且与断层相距30 m 范围内时，液压支架压力由45 MPa降低至31 MPa，支架压力降低梯度为1.3 MPa/m。在断层影响范围内，靠近运输巷一侧应力变化幅度为靠近回风巷一侧的1.77 倍。

采面内在断层影响范围内出现液压支架压力分布不均衡，主要是由于断层构造应力、煤岩体破碎以及采动压力等综合叠加影响；同时采面顶底板岩体较为破碎，导致各区域液压支架压力变化较为明显。

3 采面煤壁稳定性控制技术

通过数值模拟以及现场测试分析，发现在断层影响范围内围岩应力集中，在应力作用下煤壁及顶板容易出现片帮、冒顶等事故；同时构造作用下顶板、煤壁裂隙发育，承载能力不强等会进一步增加煤壁不稳定性[6-9]。为提高煤壁稳定性，需要对断层影响范围内进行针对性加固，若在采面对加固煤壁则会给采面正常生产带来制约；若在回采巷道内（超前采面20 m 范围内），则施工区域受采动影响明显，安全系数较差。目前千米钻机在煤矿井下应用逐渐普遍，从而为长距离加固工作开展提供了坚实基础。为确保采面正常生产，提出在远离采面生产位置的回采巷道内，通过千米定向钻机向断层影响区域内进行加固，实现断层影响范围内煤体加固、采面生产同步开展。

现场施工采用的钻机型号为ZYL-17000D，钻孔布置点超前采面220 m，钻孔孔深控制在240～260 m间，钻孔钻进时采用随钻测量系统（型号YSX15）掌握钻孔轨迹，提高钻孔钻进精度以及注浆加固效果。加固材料选择使用水泥单液浆，水灰质量比按照1.00∶1.28～1.00∶2.00 确定，并在注浆浆液中添加一定量的速凝剂。具体采面内加固钻孔布置见图4 所示。在采面运输巷施工钻场，并在钻场内施工4 个注浆钻孔，对断层影响区进行全覆盖；注浆钻孔施工完毕进行注浆，具体钻孔施工参数以及单孔浆液注入量统计结果见表1 所示。

图4 超前注浆加固钻孔布置示意图

表1 钻孔施工参数以及单孔浆液注入量统计结果

注浆钻孔采用GL 90—125 型双液注浆泵注浆，该注浆设备注浆压力在0～15 MPa 可调，额定注浆流量为7 m3/h，注浆泵出浆口、吸浆口直径分别为32 mm、38 mm。注浆钻孔采用胶囊封孔；注浆段长度为80 m，主要加固区集中在断层影响区。

4 加固效果分析

通过在运输巷内向断层影响区进行加固，提高影响范围内煤岩体强度及稳定性，整个注浆加固工作耗时5 d 完成。在采面推进至加固区域后，采面煤壁片帮、冒顶情况得以有效解决，煤壁稳定性得以显著提升；为进一步考察注浆加固效果，对采面液压支架压力进行测定，具体结果见下页图5 所示。

图5 注浆后支架压力分布图

从采面液压支架压力分布情况看出，采面内液压支架压力分布较为均衡，压力介于20～30 MPa；在断层影响范围内液压支架压力也未出现明显的增加或者降低。表明通过对断层影响区进行加固，提高了液压支架围岩支护效果。

5 结论

1）在断层影响内受到采动压力、构造应力以及围岩破碎等多因素影响，3305 采煤工作面在F3、F5 及F6 断层影响区内回采时出现不同程度片帮、冒顶等情况，给采面正常生产带来制约。提出采用数值模拟技术方法、现场测试方法对断层影响区内应力分布情况进行分析，发现在断层影响范围内应力出现一定程度增加，在高应力作用下会进一步降低断层影响范围内破碎煤岩体稳定性，导致煤壁及顶板失稳。

2）采用注浆方式对断层影响范围内进行加固，为降低注浆工作对煤炭开采影响，在运输巷超前采面200 m 范围内布置钻场，向断层影响区进行注浆。并依据现场实际情况，对注浆方案进行设计。现场应用后，断层影响范围内煤岩体强度及稳定性得以明显改善，采面在断层影响区内推进时基本不出现片帮、冒顶等情况，同时采面内液压支架压力分布平稳。表明，现场采用的煤壁控制技术措施切实可行。