冲击地压矿井综放工作面过断层技术

李晶昆，白 杨

(陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳 713602)

0 引言

断层、褶曲等地质构造是诱发综放工作面冲击地压的重要影响因素之一[1]。陕西彬长孟村矿井东西长约10.6 km，南北宽约8.3 km，面积63.59 km2。矿井主采煤层4号煤厚0～26.30 m，矿井4号煤层属于Ⅲ类，为具有强冲击倾向性的煤层；顶板岩层属于Ⅱ类，为具有弱冲击倾向性的顶板岩层，陕西彬长孟村矿业有限公司定性为严重冲击地压矿井[2]。冲击地压具有突发性、瞬时性、破坏性、反复性、致灾性的特点，孟村矿区冲击地压灾害形势较为严峻。综放工作面过断层极易诱发冲击地压以及顶板灾害，为解决此类复杂问题，孟村矿井401101工作面在过断层期间采用顺槽注浆锚索补强加固、顺槽深孔爆破等措施，以期保障工作面的顺利推进。

1 工作面概况

401101工作面是孟村矿井首采工作面。采煤方法为综放放顶煤，工作面平均可采厚度为13 m，顺槽长2 469 m。在回采过程中需先后经过谢家咀背斜、DF29断层以及塬口子向斜。其中DF29断层与工作面回采方向25°～30°斜交，落差18 m，倾向NE150°～155°，走向NE60°～65°，倾角60°～65°，影响工作面退采长度将近350 m。DF29断层属目前黄陇矿区较大断层[3]。401101工作面运输巷跟回风巷顶部采用锚杆索联合支护，帮部采用锚杆支护，工作面内圈形成于2017年底，巷道围岩表面风化严重且网片锈蚀严重，在推采期间两顺槽维护量比较大，顶板帮部破损处较多，尤其是工作面推采临近断层，变化尤其大，给工作面安全生产带来极大隐患。

2 防治措施

2.1 顺槽中空注浆锚索加固

施工方法：401101工作面两顺槽断面为4 500 mm×3 550 mm，工作面过断层期间对运顺断层破碎带60 m范围、回顺断层破碎带30 m范围内采用1860级7 100 mm中空注浆锚索进行补强加固。间排距为1 500 mm×1 400 mm。注浆液采用不低于325的普通硅酸盐水泥，锚索注浆液水灰比1∶1.5，浆液中掺少量水泥注浆添加剂，采用棉纱与止浆塞封堵，注浆前预紧力达100 kN，注浆压力达5 MPa。

施工原理：施工过程采用高强中空注浆锚索、高强抗缩性注浆材料、高注浆压力对大范围围岩进行锚注加固，即所谓“三高一大”锚注体系[4]。同时，还具有以下特点：①改善围岩性质，提高围岩的承载能力。注浆后的浆液可以将松散围岩胶结成整体，从而提高围岩内聚力、弹性模量及内摩擦角，进而有效提高岩体强度，可实现利用围岩本身作为支护结构的一部分，加强主动支护的强度；②全长锚固。中空注浆锚索注浆后，部分浆液由于高压随裂隙渗流到普通锚杆、锚索周边，使原锚杆、索变成全长锚固，同时，自身也达到全长锚固，使锚索与围岩形成整体，充分发挥锚索的锚固作用；③高预应力锚索。中空注浆锚索索体采用高强度螺旋肋预应力与钢丝编绞而成。预应力达到1 860 MPa，具有预应力锚索的特点，施工通过锚索孔全长范围内的高压注浆，从而保证锚索在全长范围内具有较高的预应力，真正实现锚索对破碎岩层的主动支护，岩体压力荷载便通过锚索被传递到深部稳定的岩体，深部稳定的岩体层自稳潜能得到充分发挥，从而可优先控制巷道变形；④强化组合拱。利用中空注浆锚索注浆充填围岩裂隙，配合锚网索喷联合支护，可形成一个多层有效组合拱，及喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱，从而扩大支护结构的优先承载范围，提高支护结构的整体性和承载能力[5]；⑤采用注浆锚索注浆，浆液可有效地充填煤岩体间的裂隙以及顶板离层，同时隔绝空气，防止围岩内部风化，且能防止围岩被水浸湿而降低围岩的本身强度。

2.2 工作面注浆加固

施工方法：采用矿用复合加固材料进行注浆加固。在工作面推进邻近断层破碎带10 m时对机头、机尾20 m范围进行超前预注浆加固，如图1所示。孔距3 m，孔深6 m，钻孔开孔在前探梁下方500 mm处，倾角15°，单孔注浆量为1.0 t，工作面超前注浆，每3个循环(4.8 m)注浆一次，直至通过断层破碎带为止。同时对于裂隙沟通比较好的煤岩体采用间隔跳孔注浆方式，来减少串浆，提高注浆效果[6]；对于大面积范围采用先外围、后内部的注浆顺序；对于破碎煤柱整体加固采用深浅孔配合注浆方式；对于裂隙比较发育，跑冒浆液比较严重的注浆载体，采用先浅部注浆，浆液扩散后在浅部快速形成类似“止浆墙”的具有止浆效果的整体煤体，再深部注浆，保证深部浆液扩散范围和注浆压力[7]。

图1 工作面断层附近采用注浆加固控制松散围岩

施工原理：围岩注浆加固技术是改善围岩力学特性，提高围岩稳定性的有效途径。围岩注浆加固主要指通过在破碎围岩(如顶板、煤壁、底板等)中布置钻孔，利用钻孔将浆液(如水泥砂浆、高分子膏体材料等)注入煤岩体的节理裂隙等孔隙中，增加破碎岩块间的粘聚力和摩擦力，以此增加煤岩体的整体性和提高煤岩体强度的技术[8]。围岩注浆加固技术的机理主要表现为以下3个方面。①网络骨架作用。浆液在注浆压力的作用下，渗透到围岩体的孔隙、裂隙等缺陷中，形成类似于网络骨架的结构；②充填密实作用。浆液在填充围岩体孔隙的同时，与围岩体黏结在一起形成统一的整体，从而提高了整体的密实度；③粘结加强作用。由于围岩体的破碎度较高、强度低，通过浆液的粘结作用，将破碎的块体粘结起来，从而大大提高其承载外界荷载的能力，增加其整体强度[9]。

2.3 顺槽顶板预裂爆破

施工参数：①施工位置。401101运回顺超前支护外至停采线，共计施工约1 300 m；②钻孔直径。根据理论分析及矿井爆破经验，采用炮孔直经为75 mm，炸药直径为60 mm，不耦合系数为1.25；③钻孔深度。根据理论分析和现场施工条件确定超前深孔爆破卸压钻孔施工角度为65°(偏向切眼方向)，终孔位于中粒砂岩层上部边缘，计算得到爆破断顶钻孔深度为50 m；④炮孔间距。根据爆破理论，考虑现场实际施工条件，爆破钻孔排距定为10 m；⑤装药量。依据深孔爆破理论确定装药量为35 kg；⑥起爆与爆破方式。根据现场实际情况确定采用毫秒雷管分组爆破，单孔起爆。

解危原理：通过采取顶板深孔预裂爆破，促进采空区上方顶板冒落，削弱采空区与回采区之间的顶板连续性，降低四周采空区悬顶导致的工作面应力集中，同时减弱顶板垮断产生的冲击动载，降低工作面来压强度[10-12]。建立集中动载荷型冲击地压发生模型，如图2所示。

图2 集中动载荷型冲击地压发生工程结构模型

冲击地压由工作面煤壁侧发生，冲击启动受煤帮应力集中和采场上覆坚硬顶板垮断同时影响。工作面煤壁极限平衡区因上覆顶板悬顶造成该区应力高度集中，储存弹性能量最大，最容易满足失稳破坏条件，也是对来此外界动载荷响应最灵敏的区域，但是外界动载荷必须以该区域静载荷集中度为基础，对其进行扰动或加载才能完成冲击启动。冲击地压启动的能量条件为极限平衡区集聚的弹性应变能加上顶板断裂传递来的动载荷能量大于该区煤岩破坏所需要的最小能量。因此通过采取顺槽顶板深孔预裂爆破，促进采空区上方顶板冒落，削弱采空区与回采区之间的顶板连续性，降低四周采空区悬顶导致的工作面应力集中，同时减弱顶板垮断产生的冲击动载，降低工作面来压强度。并且通过将顶板强度弱化，降低四周采空区悬顶导致的工作面范围内的集中静载荷强度。

3 结语

401101工作面历时123 d通过DF29断层，工作面累计发生微震事件14 480次。通过采面注浆，顺槽注浆锚索补强加固以及顺槽顶板预裂爆破3个方案的共同实施，在回采期间巷道未发生顶板事故。这3个方案有效指导了该矿综放工作面顺利推采，从而实现工作面安全、平稳通过断层。此次顺利通过断层，不仅为彬长矿区灾害治理研究工作提供了有力的技术支撑，同时也为同类型矿井提供借鉴。