胡家河煤矿402102工作面过断层破碎带围岩控制实践.pdf

收稿日期 ２ ０ １ ９ － ０ ９ － １ ６ 作者简介 王 帅（ １ ９ ９ ２ ） ， 男， 山西霍州人， ２ ０ １ ８年毕业于西安科 技大学矿业工程专业， 硕士， 助理工程师， 现从事煤矿安全生产管理 工作。 胡家河煤矿 ４ ０ ２ １ ０ ２工作面过断层 破碎带围岩控制实践 王 帅， 赵 武， 杨 俊 （ 陕西彬长胡家河矿业有限公司， 陕西 咸阳 ７ １ ３ ６ ０ ０ ） 摘 要 为有效保障胡家河煤矿 ４ ０ ２ １ ０ ２工作面顺利推进通过 Ｆ ７断层破碎带区域， 根据 Ｆ ７断层破 碎的具体地质条件， 结合断层破碎带难控机理的具体分析， 确定了断层破碎带区域主要的围岩控制 技术为“ 降低采高 ＋ 超前注浆加固” 的方式。分析断层破碎带的难控机理及工作面的具体地质条 件， 对断层破碎带区域的围岩控制技术的各项参数进行具体设计， 并通过矿压监测验证分析围岩控 制技术的效果。结果表明 断层破碎带区域围岩控制技术实施后， 大部分工作面液压支架的受力较 为正常， 工作面两端头的支架受力大于工作面中部支架的受力， 支架的工作阻力基本在 ７８ ５ ３ ～ １ １７ ８ ０ｋ Ｎ 的范围内， 工作阻力达到额定工作阻力的 ５ ２ ％～ ７ ９ ％， 基本无煤壁片帮现象出 现， 保证了工作面顺利通过断层区域。 关键词 综采工作面； 过断层； 围岩控制； 液压支架； 注浆加固 中图分类号 Ｔ Ｄ ３ ５ ３ ； Ｐ ６ ２ ４ ． ６ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １ ６ ７ １ － ７ ４ ９ Ｘ （ ２ ０ ２ ０ ） ０ ３ － ０ １ ５ ８ － ０ ４ Ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ｅｏ ｆ ｓ ｕ ｒ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇｒ ｏ ｃ ｋｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇＮ ｏ ． ４ ０ ２ １ ０ ２ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｆ ａ ｃ ｅｐ ａ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈｆ ａ ｕ ｌ ｔ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｚ ｏ ｎ ｅｉ ｎＨ ｕ ｊ ｉ ａ ｈ ｅｍｉ ｎ ｅ ＷＡ Ｎ ＧＳ ｈ ｕ ａ ｉ ， Ｚ Ｈ Ａ ＯＷｕ ， Ｙ Ａ Ｎ ＧＪ ｕ ｎ （ Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｂ ｉ ｎ ｃ ｈ ａ ｎ ｇＨ ｕ ｊ ｉ ａ ｈ ｅ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇＣ ｏ ．， Ｌ ｔ ｄ ．， Ｘ ｉ ａ ｎ 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ｎ  ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ０ 引言 陕西彬长胡家河矿业有限公司 ４ ０ ２ １ ０ ２工作面 位于 ４号煤 ４ ０ ２采区， 工作面设计长度 １９ ４ ３ｍ ， 可 采长度１７ ９ ３ｍ （ 平距） ， 倾向长１ ８ ０ｍ 。工作面东侧 ８５１王 帅 赵 武 杨 俊 胡家河煤矿 ４ ０ ２ １ ０ ２工作面过断层破碎带围岩控制实践 ２ ０ ２ ０年 为 ４ ０ ２ １ ０ ３采空区， 南侧为五条大巷保护煤柱， 西侧 为 ４ ０ ２ １ ０ １设计工作面， 北侧为 ４号煤 ０点边界线。 ４ ０ ２ １ ０ ２工作面掘进期间揭露 Ｆ ７断层， 该发育在回 风巷距停采线 １１ １ ０ｍ附近的一条正断层， 倾向 １ ５ ２ ， 倾角 ４ ５ ， 落差 ０～ １ ０ｍ ， 横穿整个工作面。断 层破碎带宽约 ０ ． ２ｍ ， 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 ４ ０ ２ １ ０ ２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 － １ ４ ］分别为 ｑ ＝ Ｃ ｃ ｏ ｓ φ ｓ ｉ ｎ （ π ４－ π ２ ） ｃ ｏ ｓ （ π ４＋ π ２ ） －１ ２ γ ｈ Ｎ＝ １ ２γ ｈ ＋ ｑｈ ｔ ａ ｎ ２ （π ４ －φ ２）－ Ｃ ｈ ｃ ｏ ｓ φ ｓ ｅ ｃ ２ （π ４ －φ ２        ） （ 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 ９５１第 ３期王 帅 赵 武 杨 俊 胡家河煤矿 ４ ０ ２ １ ０ ２工作面过断层破碎带围岩控制实践 ２ ． １ ４号煤层顶底板岩层特性 ４ ０ ２ １ ０ ２工作面主采 ４号煤层， 煤层厚 １ １～ ２ ８ｍ ， 均厚２ ０ｍ ， 上分层平均可采厚度１ ４ ． １ｍ ， 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 ． ３ ５ｍ ， 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 。 表 １ ４号煤层顶底板岩层特征表 岩层位置 岩石名称均厚／ ｍ岩层特征 基本顶粗砂岩１ ５ ． １ 灰白色中粗粒长石石英砂岩， 中 厚层状， 致密坚硬 直接顶砂质泥岩５ ． １ 灰黑色、 松软、 易冒落， 局部变相 为粉砂岩 伪底炭质泥岩０ ． ６ 岩性、 厚度变化较大， 局部相变细 砂岩 基本底铝质泥岩４ 浅灰色， 光滑细腻， 遇水极易软 化， 属于不坚硬不稳定型 ２ ． ２ 围岩控制技术 围岩控制的必要性 根据 ４ ０ ２ １ ０ ２工作面及 Ｆ ７ 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 Ｆ ７ 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 １ ０ ４ ＃ 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 ． ５ｍ ， 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 ５ ０ ０ｋ Ｎ 。 工作面煤壁注浆 在工作面推进通过 Ｆ ７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 １ ８ ０ｍ的长度上均匀布置， 注 浆孔长为 １ ０ｍ ， 注浆孔间距为 ３ｍ ， 钻孔的仰角为 １ ５ ， 布置在距离工作面顶板 ２ ． ５ｍ的位置处， 具体 注浆孔的布置方式如图 ３所示。 注浆材料及工艺 本次工作面超前注浆加固使 图 ３ 工作面过断层区域降低采高及注浆孔布置示意图 用的材料为水泥水玻璃， 水泥采用 ４ ２ ５ ＃ 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 ４ ８～ ５ ５ Ｂ ｅ ′ ， 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。 ０６１陕 西 煤 炭 ２ ０ ２ ０年 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 ． ８ｍ ； 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～ ８Ｍ Ｐ ａ ， 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 ３ｔ 。 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 Ｆ ７断层 破碎带区域时， 工作面两端头 １ ０ ５ ～ １ １ ５ ＃ 和 １ ０ ～ １ ５ ＃ 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 ３ ５ ～ ４ ０Ｍ Ｐ ａ ， 支架的工作阻力达到 １ ３７ ４ ４ ～ １ ５７ ０ ７ｋ Ｎ 。 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 ９ １ ％～ １ ０ ５ ％， 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 ７８ ５ ３ ～ １ １７ ８ ０ｋ Ｎ ， 达到额定工作阻力的 ５ ２ ％～ ７ ９ ％， 支架的工作载荷仅为 ２ ０ ～ ３ ０Ｍ Ｐ ａ 。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 Ｆ ７ 断层区域。 ３ 结论 （ １ ） 确定过断层区域的主要控制技术为降低采 高 ＋ 超前注浆加固， 并结合断层破碎带的具体情况 对该围岩控制方案进行具体设计。 （ ２ ） 根据矿压监测结果显示， 在断层破碎带采 用该控制技术后， 工作面两端头局部出现了支架压 力阀开启的现象， 总体支架的工作荷载为 ７８ ５ ３～ １ １７ ８ ０ｋ Ｎ ， 占到额定工作阻力的 ５ ２ ％～ ７ ９ ％。 （ ３ ） 回采过程中基本无煤壁片帮的情况出现， 两端头局部煤壁片帮的最大深度仅为 ０ ． ４ｍ ， 片帮 的长度较小， 保障了工作面顺利推进通过 Ｆ ７断层破 碎带区域。 参考文献 ［ １ ］ 杨科， 王志根， 华心祝， 等． 超长大采高综采工作 面过大落差断层技术及应用［ Ｊ ］ ． 煤炭科学技术， ２ ０ １ ６ ， ４ ４ （ ６ ） ８ ９ － ９ ３ ， １ １ ６ ． ［ ２ ］ 蔡胜海． Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ断层模拟中接触面法与弱化法的 研究及应用［ Ｄ ］ ． 徐州 中国矿业大学， ２ ０ １ ６ ． ［ ３ ］ 朱斯陶， 姜福兴， Ｋ Ｏ Ｕ Ａ Ｍ ＥＫＪ Ａ ， 等． 深井特厚煤 层综放工作面断层活化规律研究［ Ｊ ］ ． 岩石力学 与工程学报， ２ ０ １ ６ ， ３ ５ （ １ ） ５ ０ － ５ ８ ． ［ ４ ］ 王庆雄． ５ｍ大采高工作面过断层矿压显现规律 研究［ Ｊ ］ ． 煤炭科学技术， ２ ０ １ ５ ， ４ ３ （ ５ ） ２ ２ － ２ ５ ． ［ ５ ］ 陈胜明， 卓军． 薄煤层综采工作面过复杂构造带 回采技术［ Ｊ ］ ． 煤炭技术， ２ ０ １ ９ ， ３ ８ （ ８ ） １ ４ － １ ６ ． ［ ６ ］ 卢志国， 鞠文君， 赵毅鑫， 等． 采动诱发应力主轴 偏转对断层稳定性影响分析［ Ｊ ］ ． 岩土力学， ２ ０ １ ９ ， ４ ０ （ １ １ ） １ － ９ ． ［ ７ ］ 焦振华， 姜耀东， 赵毅鑫， 等． 工作面过断层动态 力学响应特征研究［ Ｊ ］ ． 中国矿业大学学报， ２ ０ １ ９ ， ４ ８ （ １ ） ５ ４ － ６ ３ ． ［ ８ ］ 逯富荣， 时建成． 孤岛工作面过断层矿压规律与 措施研究［ Ｊ ］ ． 煤炭工程， ２ ０ １ ８ ， ５ ０ （ Ｓ １ ） １ ３ ６ － １ ３ ８ ． ［ ９ ］ 尚奇， 伊康， 李飞扬． 大采高工作面过断层采动应 力演化与顶板稳定性研究［ Ｊ ］ ． 煤矿安全， ２ ０ １ ８ ， ４ ９ （ ４ ） ２ ２ ５ － ２ ２ ８ ． ［ １ ０ ］ 吕兆海． 断层区开采扰动下煤岩失稳机制与稳定 性控制研究［ Ｄ ］ ． 西安 西安科技大学， ２ ０ １ ７ ． ［ １ １ ］ 杨磷， 黄正平． 大倾角综采工作面过斜交断层技 术［ Ｊ ］ ． 煤炭工程， ２ ０ 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