复杂地质条件下急倾斜综合机械化工作面过断层开采技术研究与应用

周川 易磊磊 董明

【摘  要】针对复杂地质条件下急倾斜综合机械化开采过程中过断层的难题，结合太平煤矿32241综采工作面，通过对煤体先硬化后开帮主动支护的方式实现了安全开采，对我国急倾斜煤层回采过断层提供了一定的借鉴。

【关键词】复杂地质;急倾斜;综采;过断层

太平煤矿近些年综合机械化开采水平大幅度提高，由于矿井地质条件复杂，急倾斜、断层多、地质构造多变，为解决复合型煤层过断层开采难题，我矿通过对煤体固化，煤帮超前支护、主动支护等方式成功解决了急倾斜煤层综合机械化开采过断层的难题。

1 工作面概况

1.1 工作面地质条件

（1）32241工作面走向长度约1236m，工作面斜长为68～108m，平均斜长82m，煤层倾角：27°～53°。该煤层结构复杂，分上下两层（断层变化带内为三层），煤层总厚度为1.31m—4.22m，平均厚度为2.95m，煤层能利用平均厚度为1.36m，上煤分层平均厚度为0.08m;下煤层厚度为0.50—2.10m，平均厚度为1.36m，煤层能利用厚度为1.19m;两煤层夹矸厚度变化较大，厚度为0.15—2.75m，平均厚度为1.51m，其岩性为粉砂质泥岩、粉砂质泥岩夹煤线、泥质粉砂岩。煤层直接顶为粉砂岩，厚度：1.0m，灰黑色，薄层状。其中煤层普氏硬度为1

（2）工作面开采区域内有S12向斜、B11背斜构造和F24-1断层、二层顶四处;回风巷在E31#点后6.5m及运输巷E36#点后17m各揭露一变薄带，煤厚小于1.5m。其中断层和两处褶皱构造附近压力较集中，顶板裂隙较发育。从回采地质说明书来看，二层顶及变薄带将沿煤层倾斜方向贯穿于整个回采工作面，以上地质构造变化对工作面回采均有较大影响。

（3）工作面存在F24-1断层：该断层为一逆断层，产状为：126°∠52°，断距5.5m。该断层自运输巷延伸至回风巷，与工作面布置呈斜交趋势。断层影响范围内煤层厚度变化较大且架头煤壁压力显现，时有片帮情况，对工作面回采有较大影响。

1.2 工作面三机配套情况

（1）顶板支护

该工作面机采段采用ZY3400/18/42Q型两柱掩护式液压支架支护顶板，支架支撑高度1.8m～4.2m，配有架间挡矸板、调底缸和防滑缸。

（2）落煤方式

选用MG300/720-AWD型双滚筒采煤机截割落煤，滚筒截深0.6m，采煤机机身安有可伸缩液压挡煤板，最大截割高度3.9m，最小行机高度2.2m。

（3）装煤方式

装有SGZ730/200型可弯曲刮板运输机铲煤板联合采煤机装煤。

2 回采过断层需解决的技术难题：

2.1 采高控制

根据该工作面回采地质说明书及现场勘查实际，该断层影响范围内煤层厚度为1.8m～9.5m，平均7.8m，而工作面三机配套情况决定了工作面机采段可控采高范围为2.2m～3.8m，同时断层影响范围内的煤层厚度随工作面走向推进变化较快，导致刮板运输机起伏、支架失稳、煤壁片帮和架间窜矸，极不利于作业人员安全和三机状态管理。

2.2 片帮漏顶

结合断层产状及工作面布置方式，随着工作面的走向推进，断层内的煤层呈现先变厚后变薄的趋势，且煤质较软、局部压力集中，加上受该断层的影响，工作面回采进度严重受阻，以上各种因素致使工作面煤壁严重片帮，进而极易导致架前冒顶。

2.3 防飞挡矸

虽然工作面安设了专用防飞挡矸设施（倾向架前挡矸板、挡矸网、挡矸胶皮，走向架间挡矸板、挡矸胶皮），但由于断层影响范围内煤层厚度及坡度变化较大（35°～49°），煤壁片帮、架间窜块给工作面防飞挡矸提措施出了不小的考验。

3 过断层针对性技术研究与应用

根据断层影响范围内煤层变厚、煤质变软、断层不断上延和工作面实际开采情况，前期采取逐步提架、提溜的方式进行过渡，对于工作面支架采高超高段采取沿煤层底板回采，同时对支架上覆煤炭及机道煤帮进行注浆（MP364）预加固，而后超前开帮、打设锚网、锚索护顶、护帮的的方式进行回采。

3.1 调架提溜

回采过断层前期，针对该工作面煤层厚度变化频繁的实际，采取提前调架提溜的方式缓解了工作面过断层的难度。

3.2 煤体加固

根据工作面断层变化情况以及工作面现场实际情况，综合考虑选用煤矿安全技术产品：巴斯夫公司“美固MP364”对断层内采高超高段进行注胶超前加固，得到了显著效果。

（1）美固MP364加固机理其相对于传统护帮工艺有如下特点：

①工艺简单，操作方便。注浆材料运送方便，注浆设备体积小、重量轻，只需要两人即可操作。原材料1∶1体积比混合，操作简单易行，准备工作量小。

②安全性高。注浆使用压风为动力源，避免电气设备易产生失爆所带来的危害。

③作用时间快。注浆材料在很短时间即可反应，发挥加固、支撑、密封作用。

④渗透性好。在高压条件下注浆，低粘度的化学浆液可渗入0.14mm以上微小裂隙，有效地防止气和水的流动和渗透，封堵效果好。

（2）煤体加固方案

根据MP364的相关特性、结合煤层赋存情况和发育程度，采取在断层变化带内架前煤帮靠近支架顶梁下方0.5m处沿煤层倾斜方向自上而下每隔6.0m布置一个注浆钻孔（孔深4.0m，仰角5～10°）对架前煤壁和支架上覆煤岩进行加固。

3.3超前护顶

待煤体内浆液凝固且达到最佳抗压强度后，对注浆段内煤帮采取自上而下爆破开帮并用打设锚网（锚索）的联合支护的方式进行超前支护。

（1）开帮参数确定

煤体及上覆煤层进行预加固后根据煤体内浆液扩散情况及煤层抗压状况确定开帮规格，结合该煤层实际注浆情况，确定注浆段开帮宽度为4.0m，循环进度为0.8m，高度自支架前探梁而下不高于2.5m，这样既支护了架头煤壁和上方煤岩，又减少了开帮工程量，同时避免后期走架时架间出现较大落差導致支架失稳、架间窜矸伤人的风险。

（2）支护方式

结合工作面现场煤体加固情况及断层变化带内煤层的变化实际情况，采用锚网索（杆）交叉打设对开帮内的上覆煤岩进行支护，锚索规格为7.25m和5.25m（确保锚索锚入稳定岩层不小于1.5m），锚杆为2.4m强力锚杆，支护规格为间距×排距：1.0m×0.8m，这样在确保支护质量的前提下既节约了支护成本又降低了人工强度。

4 结论

断层变化带地质构造对综合机械化开采带来了较大的困难，尤其是复杂地质条件下急倾斜综合机械化开采过程中，过断层对于综采工作面三机管控及作业要求都较高，以上方法结合新型注浆、护帮工艺既解决了采高变化大易导致支架失稳的难题，也化解了断层压力集中易造成架头片冒的危险。为类似的回采方法及工艺提供了参考经验。

（作者单位：攀煤（集团）公司太平煤矿）