深部开采复合顶板工作面过断层技术研究

郭鹏飞(山西潞安工程有限公司， 山西 长治 046102)

1 前言

地质构造是影响回采工作面生产安全以及生产效率的不利因素之一，其中断层是煤炭开采过程中最为常见的地质构造，选择合适的工作面过断层技术对确保煤炭开采具有重要影响[1-2]。现阶段，工作面过断层技术有跳采法、调整采高法、挑顶卧底法以及综合法等，上述方法均有其自身的应用特点[3-6]。随着矿井采掘深度的增加，煤层赋存条件更为复杂，顶板岩性为复合顶板的煤层增加过断层期间顶板管理难度[7]。文中就以山西某矿8605复合顶板综采工作面过断层为例，对工作面过断层技术进行详细阐述，以期能为其他矿井回采工作面过断层工作开展提供一定参考借鉴。

2 工程概况

8605综采工作面开采6号煤层，埋深720m，厚度6.0m、倾角6°，采用大采高回采工艺。工作面整体为于一褶曲背部，受区域地质构造影响，工作面内断层发育，顶板破碎。具体顶板岩性是砂质泥岩、泥岩、粉砂岩等互层的复合顶板，厚度5.69m，随采随垮；底板以砂岩为主。现阶段8605综采工作面已回采推进18m，根据回采巷道掘进以及以往探测获取的地质资料，预计工作面会揭露四条正断层，具体工作面揭露的断层参数见表1、断层位置如图1所示。

表1 断层参数

图1 断层位置

3 工作面过断层技术方案

3.1 过断层技术方法确定

由于8605综采工作面开采的6号煤层厚度大、煤质优异、经济效益显著，若工作面跳采法虽然可降低断层对煤炭生产影响，但是会浪费大量的煤炭资源[8]。在分析工作面内断层赋存基础上，提出采用调整采高并结合挑顶卧底方法过断层。

工作面过断层期间挑顶卧底法是采用采煤机截割煤层顶板及底板，通过截割岩层确保工作面顺利通过断层；调整采高是在工作面过断层过渡段，通过调整采煤高度来降低工作面割岩量，确保工作面平稳从断层下盘平稳过渡到断层上盘，到煤层赋存稳定区时缓慢恢复采高。

3.2 断层技术方法

3.2.1 起坡位置确定

图2 工作面过断层起坡位置计算示意图

8605综采工作面过的F8断层未能将6号煤层全部断开，煤层复合顶板在断层影响下较为破碎，可通过割顶留底方法通过F8断层，同时为工作面顶板管理创造良好条件，工作面过断层起坡位置如图2所示，工作面过断层示意图如图3所示。在8605综采工作面过F8断层时确定的起坡角为7°，具体工作面过断层时起坡点位置为

(1)

(2)

式中：H——断层落差，取5.6m;

α——断层倾角，取47°;

β——起坡角，取7°;

M——煤厚，取6.0m。

计算得出：L1=40.4m、L2=34.8m。即工作面应超前断层34.8m开始起坡。

在断层起坡点位置开始抬升采煤机滚筒，滚筒提升幅度在0.02m以内，通过断层后开始降低滚筒，降低幅度仍在0.02m以内。在工作面过断层期间滚筒割岩时走势应于顶板走向趋势保持一致，缓慢推进。

3.2.2 调整采高

在工作面推进过断层时将工作面采煤高度缓慢降低至3.65m并预留一定高度底煤，从而降低采煤机割岩量，具体过断层时采煤高度控制如图3所示。

图3 断层时采煤高度控制示意图

为了确保工作面煤壁稳定，充分利用工作面液压支架(Z15000/33/72D)顶梁三级结构，通过及时伸出挡煤板确保煤壁稳定，挡煤板支撑力最大为500kN，护壁高度最大3.65m。通过采用液压支架护壁可避免煤壁出现片帮问题。

3.3 安全技术措施

在8605综采工作面过F8断层期间，由于煤层顶板岩性为复合顶板本身强度低、稳定性差，在断层影响下极其容易出现冒顶，若不能对顶板进行有效控制，极其容易给工作面正常回采带来不利影响，制约回采工作面正常进行。为此，提出采用增加支架支撑力以及顶板、煤壁注浆方式强化对顶板控制。

1)增加支架支撑力

通过提高液压支架初撑力可实现支架顶梁与顶板密切贴合，充分发挥液压支架本身的护顶能力，提升顶板稳定性。工作面液压支支架初撑时实际初撑力10 000kN，此时仍给支架保留足够的富裕系数。在液压支架循环末工作阻力稳定在15 000kN附近，同时在过断层期间通过砌筑木垛等方式来对顶板进行支撑，降低顶板下沉量。

2)煤壁注浆

在工作面内沿着煤层倾斜方向布置2排注浆钻孔，其中上排注浆钻孔与煤层顶板间距0.3m、下排钻孔与底板间距1.0m，上排钻孔主要起到加固顶板作用、下排钻孔起到加固煤壁及顶板作用。钻孔间距为8.0m，钻孔孔深均为10.0m，上排仰角为15°、下排为5°，注浆浆液为水泥浆、压力3MPa，注浆孔布置如图4所示。钻孔封孔长度为2.0m，并根据钻孔注浆浆液漏失情况以及注浆量确定最佳封孔时机。在注浆过程中在煤壁上布置柔性纤维网维护煤壁稳定、同时不会给采煤机割煤带来不利影响，确保注浆工作安全开展。

图4 注浆孔布置示意图

对工作面煤壁注浆后取样发现注浆浆液有效扩散距离在4m以上，注浆钻孔选用8m间距可满顶板、煤壁加固需要。注浆后大范围的顶板冒落、煤壁片帮基本消失，仅有局部区域出现小范围煤壁片帮(片帮深度均在0.5m以内)。通过注浆后，煤层复合顶板不会给采煤工作正常推进带来不利影响，可确保采煤工作面安全、高效过断层。

4 结论

(1)在对矿井8605综采工作面地质赋存条件以及断层构造发育情况进行充分分析基础上，为了提高煤炭开采率提出采用挑顶卧底并结合调整采高方式过断层，并详细对过断层技术方案进行阐述。

(2)由于工作面埋深较深、顶板为复合顶板，本身稳定性以及强度较低，在断层影响下顶板以及煤层均破碎，容易出现顶板冒落、煤壁片帮问题。在分析过断层期间围岩应力分布并结合顶板、煤壁破碎稳定性差条件，提出采用增加液压支架工作阻力、降低采煤高度并对煤壁注浆等方式确保工作面过断层期间安全，避免冒顶、片帮制约回采工作面开展。

(3)文中提出的工作面过断层技术不仅确保了工作面过断层安全，而且有效提升了煤炭回收率，取得显著的安全、经济效益。