李建功

(潞安集團(tuán) 潞寧煤業(yè)公司，山西 忻州 036000)

工作面開采過程中經(jīng)常遇到各種地質(zhì)構(gòu)造，給工作面的正常開采帶來了極大困難[1]。尤其是工作面過斷層時(shí)，斷層造成的工作面頂板破碎，圍巖難以控制等，極易引發(fā)冒頂和壓死支架的現(xiàn)象[2]，導(dǎo)致工作面無法正常開采，嚴(yán)重影響工作面的高效推進(jìn)，因此解決工作面過斷層時(shí)頂板圍巖控制問題顯得尤為重要[3]。本文針對潞寧煤業(yè)22103工作面過斷層時(shí)圍巖難以控制的難題，提出采用切割上盤頂板巖層，保留底板煤層過斷層的方法[4]，以及對煤壁和頂板破碎嚴(yán)重的地方注入馬麗散，有效解決了工作面頂板破碎問題。

1 工作面概況

潞寧煤業(yè)22103工作面所采2號煤層位于侏羅系大同組，煤層穩(wěn)定可采，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩層夾矸。煤層平均厚度為4.95 m，煤層傾角5～10°，老頂為中細(xì)砂巖，平均厚度7.2 m，直接頂以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，厚度為3 m；老底為厚度6.5 m的中砂巖，直接底為厚度4.5 m的泥巖。

22103工作面煤層整體為單斜構(gòu)造，東北高西南低，整體坡度較小，回采范圍內(nèi)構(gòu)造較簡單，巷道掘進(jìn)期間揭露3條落差較大的斷層，如表1所示。其中F2斷層位于回采區(qū)域內(nèi)的長度為100 m，斷層走向?yàn)?180°，基本與工作面平行，工作面只能采取正過，所以F2斷層對工作面的影響最大。本文以F2斷層為例，研究工作面過斷層的技術(shù)與工藝。

表1 斷層分布狀況

2 注漿加固技術(shù)

2.1 注漿加固技術(shù)機(jī)理

當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層區(qū)域時(shí)，斷層附近的原巖應(yīng)力狀態(tài)被打破，該區(qū)域的應(yīng)力重新分布，圍巖變得極不穩(wěn)定，斷層的存在加劇了圍巖的破碎狀態(tài)，使得工作面頂板變得異常破碎，極易受環(huán)境和開采擾動(dòng)的影響。通過對破碎的煤巖體注漿，使?jié){液沿圍巖間的裂隙擴(kuò)散，待漿液凝固后便可將破碎的煤體和巖體膠結(jié)在一起，使得煤巖體的支撐強(qiáng)度大大加強(qiáng)。注漿改變了注漿區(qū)域煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，將其重新膠結(jié)成一個(gè)整體，增加破碎帶結(jié)構(gòu)間的黏聚力。對于工作面，注漿黏結(jié)了斷層帶附近的大小裂隙，形成網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，大大加強(qiáng)了圍巖頂板的整體穩(wěn)定性，保證了工作面過斷層期間的正常開采。

2.2 注漿材料的選擇

本次注漿選用具有強(qiáng)機(jī)械性能、良好抗?jié)B透性和很好膠結(jié)性能的馬麗散作為注漿材料。馬麗散由樹脂和催化劑1∶1混合而成，待兩者混合后，漿液粘度大大降低，能夠快速沿巖體裂縫擴(kuò)散并膠結(jié)，實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)加固煤體，增強(qiáng)其支撐強(qiáng)度的目的。

3 過斷層方法

3.1 工作面過斷層方案

如圖1所示，斷層最大落差為3.5 m，落差不大，現(xiàn)場過斷層采用切割上盤頂板巖層，保留底板煤層通過斷層的方法，用該方法可以使工作面頂板一直為巖層，對頂板的控制比較有利。對工作面回采影響較大的斷層為F2，該斷層為貫穿工作面的正斷層，走向?yàn)?80°，傾角為70°，斷距為3.5 m，起坡角為7°。

圖1 過斷層示意

支架起坡點(diǎn)位置按下式計(jì)算：

式中:H為斷層斷距，m；M為工作面采高，m；β為起坡角度，(°)；α為斷層傾角，(°)。

將上述數(shù)據(jù)代入公式求得L1=26.3 m，L2=24.1 m。因此工作面支架起坡點(diǎn)位于工作面區(qū)域頂板位置距離斷層面約27 m 處，即回采工作面推進(jìn)180 m 后開始起坡。

3.2 注漿方案

3.2.1 注漿孔布置及參數(shù)

依據(jù)22103工作面煤壁和頂板情況，選擇在煤壁和頂板破碎嚴(yán)重的地方進(jìn)行注漿加固，注漿孔布置如圖2所示。為了保證工作面的安全高效推進(jìn)，在距斷層20 m時(shí)開始對前方煤巖體進(jìn)行注漿加固。由于22103工作面日推進(jìn)速度為3 m/d，作業(yè)制度采用三八制，因此注漿工作由檢修班來執(zhí)行。

圖2 注漿孔布置示意

1) 根據(jù)22103工作面煤壁和頂板的破碎情況，確定注漿孔深度為6 m，孔徑42 mm以上，封孔器的封孔位置距離孔口1.5～2 m。為了保證注漿效果，工作面采用雙排鉆孔設(shè)計(jì)，兩排鉆孔分別布置在距工作面頂板1 m處和距工作面底板2 m處的位置，第一排鉆孔和第二排鉆孔分別與水平位置成15°、5°的仰角。

2) 通過馬麗散的滲透性及其有效注漿半徑為2.5 m，在充分保證注漿效果的前提下，確定注漿孔間距為4 m，且兩排鉆孔呈倒三角式布置。

3) 合理的漿液注漿量是保證注漿效果的關(guān)鍵因素。根據(jù)現(xiàn)場試注效果的觀測以及理論計(jì)算確定單孔注漿量為410 kg，且采用間歇式注漿方式。

4) 注漿壓力的確定對注漿效果起著顯著作用。壓力過高會(huì)導(dǎo)致劈裂，造成漿液流失，且煤壁處易產(chǎn)生片幫現(xiàn)象；壓力過低會(huì)導(dǎo)致漿液擴(kuò)散半徑減小，裂隙中漿液充填不密實(shí)，達(dá)不到注漿效果。根據(jù)以往注漿資料以及現(xiàn)場工作面試注試驗(yàn)確定注漿壓力為12～14 MPa。

3.2.2 注漿效果

為檢驗(yàn)注漿后工作面頂板煤巖體的破碎情況，采用鉆孔窺視儀觀測工作面頂板注漿前后的情況，如圖3所示。通過注漿使得漿液擴(kuò)散至工作面頂板的裂隙中并發(fā)生固結(jié)，漿液固結(jié)性較好，很好地填充了破碎圍巖體的裂隙，起到了很好的加固作用，使破碎的頂板連接成一個(gè)整體，增加了其整體穩(wěn)定性；工作面頂板以砂巖、泥巖為主，強(qiáng)度低，極易受斷層的影響，加上開采擾動(dòng)使頂板極其破碎，經(jīng)常引發(fā)冒頂及壓死支架現(xiàn)象，通過注漿有效杜絕了這些現(xiàn)象，使工作面順利通過了斷層區(qū)域。

圖3 注漿效果觀測

4 結(jié) 語

1) 針對工作面過斷層區(qū)域頂板破碎嚴(yán)重，易引發(fā)冒頂及壓死支架現(xiàn)象，提出了現(xiàn)場采用切割上盤頂板巖層，保留底板煤層過斷層的方法；

2) 根據(jù)潞寧煤業(yè)22103工作面的實(shí)際情況，在分析注漿加固機(jī)理的基礎(chǔ)上，選擇馬麗散為注漿材料，并設(shè)計(jì)了合理的注漿參數(shù)，對煤壁和頂板破碎嚴(yán)重的地方進(jìn)行了注漿加固；

3) 通過對比注漿前后工作面頂板的注漿效果可知，注漿使得工作面頂板穩(wěn)定性大大加強(qiáng)，注漿改善了斷層區(qū)域圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)和圍巖的承載能力，為工作面過斷層期間提供了安全保障。