综采工作面过断层施工工艺研究应用

张嘉安

（大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037001）

综采工作面在回采过程中经常遇断层、陷落柱、煌斑岩等地质构造，若不采取合理有效回采工艺及安全技术措施，不仅减少了煤柱回采量，降低了工作面回采效率，还加大了设备损坏率，而且很容易发生顶板垮落等事故。本文以大同煤矿集团雁崖煤业公司三盘区8302工作面为例，对工作面过断层期间提出了合理有效的快速回采工艺及安全措施。

1 概 述

大同煤矿集团雁崖煤业有限公司8302工作面位于井田三盘区，工作面走向长度为1200m，倾向长度为220m，回采煤层为二叠纪下统山西组4#煤层，平均厚度为3.5m。煤层无伪顶，直接顶主要以粉砂岩为主，平均厚度为3.2m，基本顶主要以粗砂岩为主，平均厚度为9.2m。8302工作面采用综合机械化回采工艺，截至目前已回采470m。

地测科提供资料显示，8302工作面回采至462m处位于回风顺槽13#导线点处揭露一条F3逆断层，落差为1.7m，倾角为47°，断层与工作面夹角为18°。F3断层从回风顺槽向工作面内延伸，影响倾向长度为57m，走向长度为64m，断层岩体主要以粉砂岩及泥岩混合岩体为主，岩体普氏系数f=4.5，硬度大，且岩体粘结强度高，破碎难度大。

2 以往工作面过断层回采工艺及问题分析

2.1 以往回采工艺

以往综采工作面在揭露断层后，多采用松动爆破与采煤机割煤联合过断层施工工艺，具体回采方法如下：

（1）工作面完全揭露断层后在断层上盘岩体布置松动爆破孔，孔深为1.0m，直径为42mm，炮孔垂直工作面煤壁布置。共计布置两排炮孔，炮孔间距为1.0m，第一排炮孔距顶板间距为0.3m，钻孔间距为2.0m，如图1所示。

（2）爆破钻孔施工完后，依次向钻孔内填装矿用乳化炸药及毫秒延期电雷管，每个炮孔装药量为300g，炮孔采用水泡泥封孔处理，封孔长度不得低于0.5m，煤层允许爆破炮孔数量为3个。

（3）断层上盘岩体松动爆破完成后，采用采煤机进行割底煤机破顶岩，单刀割煤深度为0.5m，当工作面割两刀循环完成后继续在断层岩体施工炮孔并进行松动爆破施工，依次类推直至工作面完全过断层带。

图1 8302工作面强行过F3断层炮孔布置示意图

2.2 问题分析

（1）回采效率低。根据现场观察发现，每次爆破需施工40～50个炮孔，钻孔施工时间达3h，爆破时间为0.8h，按三八工作制每天工作面仅可进行三次爆破施工，工作面回采进度最多3.0m/d，回采速度慢，效率低。

（2）破岩量大，机械设备损坏率高。由于F3断层岩体主要以粉砂岩及泥岩混合岩体为主，岩体硬度大，虽然采用松动爆破对岩体进行预裂，采煤机破岩量仍然较大，岩体对采煤机滚筒损坏严重。8302工作面前期采用该方法过断层时，共计更换滚筒截齿72个，损坏滚筒一个，设备成本费用达87万元。

（3）减少了煤柱回采量。由于F3断层对工作面走向影响长度为64m，采用爆破与采煤机强行过断层回采工艺时预留底煤量达1.2万t，减少了工作面煤柱回采量，减少煤矿经济效益达300余万元。同时4#煤层属于高瓦斯且易自燃煤层，强行过断层时加大了采空区遗煤量，工作面回采期间很容易造成采空区瓦斯超限、煤层自燃现象，威胁工作面安全回采。

3 旋转仰斜法过断层回采工艺研究

3.1 旋转回采调面法

为了提高8302工作面过断层期间煤柱回采量，减少破岩量，通过技术研究决定，当工作面尾端距断层5.0m处时采用旋转回采法对工作面进行调面，使回采面与断层面平行。

（1）8302工作面安装型号为GXW59刮板输送机，该输送机最大允许弯曲角度为1.5°，采煤机割煤深度为0.8m，所以每隔一刀煤刮板输送机允许移动直线距离工作面液压支架宽度为1.75m，在允许移溜子范围内安装支架数N=30.7/1.75=18，8302工作面共计安装132个支架，所以旋转回采等分数m=132/18=7。

（2）以工作面尾端132#支架为第一个旋转点，第二旋转点为114#支架，第三旋转点为96#支架，第四旋转点为78#支架，第五旋转点为60#支架，第六旋转点为42#支架，第七旋转点为24#支架，第八旋转点为4#支架。

（3）旋转回采前首先将煤壁调直，将采煤机移至114#支架处并向尾部斜切进刀，深度为0.8m，工作面下行回采至尾部后空刀返回至96#支架处，然后依次前移114#～132#支架之间刮板输送机并进行移架。

（4）从96#支架继续向尾部下行割煤，割煤至尾部后上行空刀返回至78#支架，然后前移96#～132#支架之间刮板输送机，依次类推直至采煤机空刀返回至4#支架。在此期间共计短刀割煤6刀，长刀割煤1刀，一个循环工作面旋转回采进度为5.6m。

（5）由于F3断层与工作面夹角为18°，当工作面尾端揭露断层后需继续回采17.6m方可完全揭露断层，所以工作面旋转回采3刀后即可将工作面调斜，且与断层面平行。

3.2 俯斜法回采工艺

当工作面旋转回采后且工作面完全揭露F3断层后，为了提高断层上盘煤柱回采量及提高俯斜回采时减少断层岩体破岩量，减少采空区遗煤量，决定留顶煤破底岩进行俯斜回采过F3断层。

（1）工作面从头部向尾部下行割煤至距F3断层14m处时，调整采煤机切割角度，使采煤机以7°俯角下山回采，如图2所示。

（2）当采煤机下山回采至断层处时揭露断层上盘煤层顶板，此时及时调整采煤机回采角度进行进水平煤层回采，依次类推直至工作面完全过断层带。

（3）工作面在俯斜回采时，严格控制采煤机截割深度在0.5m范围内，割煤完成后及时进行带压擦顶移架。

（4）由于下山回采时需预留断层下盘顶煤，顶煤厚度为0～1.7m，受煤层结构及稳定性影响，顶煤预留难度大，很容易造成顶板垮落事故。针对这种情况，决定采用注浆、撞楔超前支护进行顶煤维护：① 下山回采期间在顶煤位置施工一排注浆钻孔，钻孔深度为3.0m，钻孔俯角为7°，间距为2.0m，钻孔施工完后采用高压注浆泵向钻孔内注射聚氨酯粘合剂，注浆压力为1.2MPa；② 注浆完成后，在下山回采设计顶板位置施工一排撞楔超前支护，支护体主要为长度3.0m、直径30mm的钢针，钢针间距为0.5m，超前支护排距为2.0m，相邻两排超前支护叠加交错布置。

图2 8302工作面俯斜法过F3断层剖面示意图

4 结束语

（1）采用旋转回采法使工作面与断面平行，减少了揭露断层期间破岩量，降低了机械设备故障率。8302工作面在后期过断层期间共计更换采煤机截割齿25个，未发生滚筒损坏事故，与传统回采工艺相比可节约设备维修费用达57万元。

（2）采用预留顶煤破底岩俯斜回采工艺，减少了断层下盘岩体破岩量4728m3，增加煤柱回采量9.2t，减少了采空区遗煤量，避免了采空区煤层自燃、瓦斯涌出超限的事故。与传统强行过断层回采工艺相比，该方法过断层时可使回采效率提高至6.5m/d，提前9d过断层。

（3）工作面俯斜回采时对顶煤采取注浆后，提高了破碎顶煤胶结稳定性，使煤体单轴抗压强度由原来的17.8MPa提高至56MPa，防止顶板垮落事故发生。同时采用撞楔超前支护可对顶煤进行超前维护，保证工作面液压支架初撑力及工作阻力，提高了支架支护效果。