综采工作面快速过断层技术实践

穆效治

（山西晋神能源有限公司沙坪煤矿，山西 忻州 034000）

断层是煤矿井田范围内一种常见的地质构造。一般较大断层都采取保护煤柱隔离并依据断层划分采区或顺断层划分工作面。但一些较小断层会不可避免的出现在回采工作面中间，因断层出现导致煤层赋存沿回采方向不再具有连续性；断层附近往往还衍生次生构造导致煤岩体力学性质改变，围岩较为破碎[1-3]。回采工作面过断层期间因煤层的不连续性及围岩破碎需针对断层性质及地质情况采取针对性措施，如何保证回采工作面安全、经济、高效过断层是煤矿生产过程中的一个重要课题。本文以沙坪煤矿21031 综采工作面过F4断层为例，拟定3种过断层方案，通过对比分析，确定选用调斜破底过断层方案。

1 工作面概况

沙坪煤矿21031 综采工作面位于井田西翼的21 采区中部，西邻21 采区轨道、胶带、回风下山，东领21 采区边界，南邻21011 综采工作面（未采），北领21051 综采工作面（已采）。工作面走向长度1 530 m，倾向长度180 m；回采煤层15#煤，煤层倾角8°～15°，平均倾角12°；煤层厚度2.2～8.5 m，平均煤厚5.3 m；煤层硬度系数0.15；煤层顶板为中粒砂岩，底板为砂质泥岩及泥岩互层。工作面整体为一单斜构造，局部受滑动构造影响发育有小型伴生断裂构造，该工作面地质构造中等，无岩浆侵入岩、陷落柱等不良地质体影响，无冲击地压。煤层及顶、底板岩性见表1。

表1 21031 工作面煤层及顶、底板岩性综合柱状图

21031 工作面受滑动构造影响发育有一落差1.7 m 的正断层，断层编号F4。工作面内断层位置在21031 运输巷325 m 处及21031 回风巷307 m 处，与工作面回采方向斜交，夹角15°。工作面平面布置及断层位置见图1。

图1 21031 综采工作面平面布置及断层位置

2 过断层方案分析

由于F4断层斜跨21031 工作面，故21031 工作面回采期间将全断面过断层，通过技术分析，拟提出3 种可行方案，即破顶过断层、搬迁过断层、调斜破底过断层方案进行优化选择。

2.1 破顶过断层方案

由于断层落差1.7 m，小于工作面采高4 m，21031 工作面回采期间揭露F4断层后，将出现上部为1.7 m 的顶板中粒砂岩，底部遗留底煤的情况，工作面内煤层不丢失；可采用直接破顶过断层方法过断层，待断层全面过完后，再统一调整工作面为俯采方式进入煤层，直至工作面全部进入煤层。

优点：过断层前无需采取俯采、调斜等复杂工艺，全面过断层后再俯采进入煤层即可，故回采工艺相对简单，回采速度较快，工作面设备按管理方式即可。

缺点：①由于F4断层与工作面斜交，沿走向方向影响长度为18 m，采用破顶法揭露断层开始至完全过断层后俯采进入煤层前均需破顶回采，预计共计需破顶回采30 m，破岩工程量较大；②煤层顶板为硬度较高的中粒砂岩（硬度系数f=7.3），采用爆破施工将影响回采进度，且硬岩采用松动爆破效果欠佳，采用采煤机直接截割则截齿损耗较高且容易对采煤机造成各种故障；③底煤丢失严重，造成资源浪费的同时影响回采产量，直接影响经济效益。

2.2 搬迁过断层方案

该方案适用于断层落差大于工作面采高的较大断层。在工作面过断层前，可先在断层前方重新施工一条切巷，待工作面回采至断层处无法回采时，然后将工作面内所有设备迁移至新施工的切巷内继续回采，从而避开断层。

优点：工作面无需过断层回采，避免了工作面破岩、调斜、俯采等过断层需采取措施，不会因过断层造成设备故障等问题。

缺点：①由于避开断层，需新开切巷，直接造成了断层带至少30 m 未回采的资源浪费；②新掘一条切巷增加了施工工程量及施工成本，掘进期间回采工作面停采；③工作面搬家工期较长。该方案影响回采时间至少在3 个月以上，造成煤炭资源损失约7 万吨，掘进切巷及工作面搬家成本约1200 万元。

2.3 调斜破底过断层方案

该方案是在过断层前距断层一定距离开始，先将工作面通过旋转回采的方式调整成伪斜布置，即上隅角在前，下隅角在后，直至工作面与断层方位角平行；平行回采至距断层附近时调整为俯采，直至按设计俯采至揭露断层上盘的煤层顶板后，再按走向坡度回采。

优点：①将工作面调斜后会减少过断层的回采长度，且工作面全面过断层有利于工作面管理；②因煤层底板泥岩硬度较低（硬度系数f=2.7），破底难度小，可采用松动爆破或直接采煤机割底过断层，可实现快速过断层；③因俯采过断层后直接进入断层上盘的全断面煤体，工作面丢煤量少，经济效益高。

缺点：①工作面调斜工艺复杂，需通过仔细计算调斜期间工作面上下端的回采进度以及需调斜到位的长度，技术管控难度较高；②俯采过断层期间需采取托顶煤回采，存在顶煤易掉落且断层附近围岩破碎，需采取针对性的顶板管控方案。

综合安全、高效、经济等方面进行对比分析，确定选用调斜破底过断层方案。

3 实施

3.1 实施要点

首先将工作面调斜。工作面调斜是过断层前比较复杂的一项工作，要根据工作面长度、循环截割深度、设备可旋转回采角度、距断层距离等参数确定调斜方案，其目的是将工作面调斜至与断层平行，确保过断层期间工作面能够同时揭露断层以及同时过完断层。21031 工作面F4断层与工作面正常回采夹角为15°，根据相关参数计算，工作面需在下隅角距离F4断层100 m（上隅角距断层118 m）前，开始采取旋转回采调斜。工作面上、下端推进比是1.225∶1，即下端头推进1 m，上端头需推进1.225 m。调斜回采至距离断层20 m 处时（工作面下端回采80 m，上端回采98 m），可确保工作面与断层平行。经调斜回采至距离断层20 m 处且工作面与断层平行后，开始将工作面调整为俯采。俯采角度需根据该区域煤层走向坡度、断层落差高度、距断层距离计算，确保过完断层进入断层上盘后工作面实现沿顶全煤回采。21031 工作面距离断层20 m 时需采取-5°俯采，俯采过断层期间需托顶煤厚度为0～1.7 m，破底厚度为0～1.7 m。-5°俯采至工作面全面过完断层后，再按煤层走向坡度正常回采，同时，将工作面按过断层前调斜方案的反方向旋转回采至正常工作面回采角度。俯采过断层方案见图2。

图2 俯采过断层方案

3.2 顶板管控

（1）托顶回采期间，存在顶煤及断层附近的破碎围岩掉落风险，保证托顶措施有效是实施俯采成功的关键，主要措施有：①针对煤体硬度系数较低及断层附近围岩破碎特点采取超前预注浆方式使煤体固化及破碎围岩胶结，提高煤体及围岩的抗压强度；②施工恒阻锚索托顶煤及破碎围岩，锚索可配合宽钢梁使用，确保大面积托顶煤及破碎围岩；③回采期间在煤墙采取撞楔法超前挺顶，撞楔长度3～5 m，对煤墙及前方的顶部煤体及围岩形成契合加固的作用，防止煤墙片帮及顶部煤体和破碎围岩从支架前方冒落。3 种措施可同步实施，确保顶板管控到位。顶板管控措施见图3。

图3 俯采过断层顶板管控措施

（2）破底施工期间，采用采煤机直接强行卧底割底板软岩或采用爆破破底岩时，均存在因割岩或爆破震动导致顶板所托煤体及软岩松动失稳情况[4-5]，如何破底保证施工坡度的同时还要保证顶部所托煤岩体遭受最小程度的震动破坏是破底的关键，采取的主要措施：①采用采煤机直接卧底截割底板软岩期间，要保证缓慢的截割进度以最大限度的降低震动幅度，若震动幅度难以控制或影响生产严重，则需采取爆破破底；②采取爆破破底期间，必须采取分层松动爆破，即根据破底厚度设计炮眼参数及炮眼上下排距，从上至下分层松动爆破，严格控制每眼装药量及一次起爆炮眼个数，最大限度降低震动幅度，以减少对顶部所托煤岩体的破坏程度。

4 效果分析

21031 综采工作面采用调斜破底过断层方案，与搬迁过断层方案相比，避免煤炭资源损失，多回采煤量0.038 Mt，减少新掘切巷及工作面搬家成本，节约成本约1 200 万元。在过断层工期方面，该方案仅用时12 d工作面就过完了F4断层。由于严格落实安全措施，实现安全、高效过断层，保证了工作面正常连续推进。

5 结语

通过对沙坪煤矿21031 工作面过F4断层的3个方案进行综合对比分析，择优选用调斜破底过断层方案，针对性制定安全技术措施。沙坪煤矿21031工作面过断层实践表明，采用调斜破底过断层方案既减少破岩量，降低设备故障率，又确保21031 工作面安全过断层，可为其他煤矿工作面过断层提供经验借鉴。