综采工作面高效过断层技术研究

闫志杰

（西山煤电镇城底矿，山西 太原 030203）

0 引言

随着科技日益进步，地质构造对煤矿综采工作面高产、高效生产的制约越来越严重。我国大多数地区煤层地质条件复杂，煤层回采时总会遇到断层的影响，从而导致无法正常回采。因此大部分煤矿为达高效高采的目的，均使用断层连续回采，以此使得煤矿继续工作。

目前国内通常采用以下几种过断层方法：调整采高法、平推硬过法、调斜工作面法、放震动炮法、导硐法、综合法等，也可使用化学加固法加固顶板[1]。但是上述断层方法任然存在着影响工作面产量的问题，带了诸多的人员安全问题和影响设备、施工的麻烦。本文以城底矿22207 工作面过F14、FS162 断层为工程实例，研究综采工作面快速高效过断层技术，对工作面顶板采取强化支护、优化采煤工艺、预裂孔松动等方式综合治理技术，保证了22207 工作面过断层期间的安全生产，提高了资源回收率，为类似矿井的工作面过断层提供借鉴。

1 工程概况

西山煤电镇城底矿22207 工作面地表位于赤泥岩新村以南，八字山村北西，歇马村北东，前头沟一带，地面高低起伏，沟谷纵横，盖山厚度239～333 m。22207 工作面井下位于南二采区，北邻22102、22102-1 工作面（已采），南邻760 东一回风巷、皮带巷、轨道巷、760 轨道巷，西邻22104 皮带顺槽。22207综采工作面煤层倾角4°～11°，平均8°，可采走向长420 m，倾向长125 m，设计采高2.8 m。工作面采用走向长壁后退式综合机械化一次采全高采煤法开采。采用MG250/600-WD 型采煤机，SGZ-764/630 型刮板输送机运煤，ZZ5200/19.5/42 型液压支架。

表1 主要影响工作面的断层产状一览表

22207 工作面回采至皮顺1 号点前59 m，轨顺2 号点前19 m，在工作面陆续揭露出2 条正断层，分别为Fs162 和F14。Fs162 断层是在机头段揭露后，逐步延伸到工作面，走向长度140 m，F14 为新揭露断层，逐步向工作面延伸。割煤机对于顶底板硬度较大的岩石难以切割，因此通常为了工作面能够顺利推进，根据工作面开采技术条件以及断层产状，研究了一种上盘挑顶，下盘放震动炮的方法来应对断层的问题。如图1 为工作面断层位置平面图，图2 为工作面断层位置剖面图。

图1 工作面断层位置平面图

图2 工作面断层位置剖面图

2 综采工作面过断层技术分析

综采工作面通过断层的技术，取决于断层的落差、煤层的厚度、综采设备的最小工作高度、断层处的岩石硬度、综采工作面推进的方向及煤层的倾角，煤层的断失方向，断层与工作面的交角等[2]。

当断层落差小于煤层厚度和综采设备的最小工作高度之差，综采工作面过断层时，除加强工作面支护外，不必采取其它措施；而当断层落差大于煤层厚度，核算工作面硬过不经济时，一般是另掘开切眼，工作面进行小搬家，如果断层距盘区边界或工作面停采线不远时，综采工作面就直接躲过断层，剩余煤炭可布置炮采工作面回收。对断层落差较大且工作面又必须通过时，可采用放震动炮、导硐，或者改造采煤机行走部等方法通过。

1）调整采高法通常用于比较小的落差，并且上下盘间煤层略大于液压支架的最小高度。如果煤的煤层高度超过装置的最小允许煤层高度，应首先评估工作面和故障前方之间的过渡段，并通过调整煤的切割高度来纠正误差。此种方法的优点是可以降低消耗，提高煤质量，缺点是造成煤的损耗多。

2）平推硬过法通常又被称为采煤机强行截割围岩法，主要用于煤层顶底板为硬度较小的岩石，并且断层小的煤层。如果煤层高度小于设备允许煤层的最小高度，并且如果工作面顶部和底部的围岩在距断层位置5 m 时相对较软，则应使用顶板或有盖天花板使采煤机：切割围岩，迫使其穿过断层；缓慢上山或下山，推动输送机，拉动支架，然后迫使其通过断层。

3）调斜工作面法。一般应用在上下间隙稍大、角度小的断层面，当断层落差大于或等于开采高度，综采工作面与断层走向以小角度相交时，可改变倾角将工作面调整为与断层走向平行，从而降低煤的损耗。

4）放震动炮法被另称为放炮挑顶起底法，常见于落差略大，顶底板含强度较大的岩石的综采工作面。当断层上下壁煤层接触厚度小于综采液压支架最小工作高度，由于围岩过硬，割煤机难以对其切割，此时通过计算长度和坡度，可在工作前使顶底板穿过断层；当断层工作面一侧煤层顶板低于断层另一侧煤层底板时，采用顶升法穿越断层；当断层工作面一侧煤层底板高于断层另一侧煤层顶板时，应采用卧底法穿越断层。钻孔爆破时，应选择炮孔位置和角度，进行浅孔小爆破，并提前对液压支架等工作面设备采取有效的安全防护措施。

5）导硐法。就是在断层上下盘开挖岩巷，先在断层处开挖岩巷，然后进行可靠支护，使断层变为空巷，减少采煤工作面切岩量，加快开采推进速度。导管的开挖长度随着断层的下降而减小，以达到导管长度顺利通过设施的目的。

6）综合法。当单一的一种方法不足以应对煤矿复杂的地质条件时，使用2 种或更多的方法去应对断层。

3 22207 工作面过断层技术

当前能够过断层的方法有很多种，主要使用的有以下2 类：调整采高法，就是断层顶底板煤层厚度大于要求时，便能够提前使得采高变低，每一刀留煤的厚度均为100～150 mm，而后恢复原采高[3]；另一个方法挑顶起底法则是在顶底板煤层厚度小于设备允许最小煤层厚度时使用。

3.1 过断层松动爆破技术

在过断层时对于岩质较硬的部位，需要采用松动爆破技术进行处理，22207 工作面爆破警戒图如图3 所示，表2 为爆破技术参数，爆破技术流程及需要注意的施工措施如下：

图3 22207 工作面爆破警戒图

表2 炮眼爆破参数

1）打眼。打眼使用3 台YT24 型气腿式凿岩机，2 台使用1 台备用，使用ZQ 柱齿钻头（尺寸：φ43 mm），六角中空钢钻杆（尺寸：φ26 mm×1 500 mm）；安排专人打眼放炮；每次爆破后采煤机割煤2 刀，割过第一刀后，选择岩石面积较大的地方补眼，再次爆破。第二刀割过断层后，工作面2 台风枪平行作业打眼；打眼时，每组3 人作业，2 人操作风钻，1 人为安全监护员；打眼时根据岩厚确定炮眼布置方式：破岩厚度小于1.5 m 时单排眼，破岩厚度在1.5～2.5 m时为双排眼[4]，破岩厚度大于2.5 m 时为五花眼。

2）装药。炸药选用矿用Ⅲ级乳化炸药，雷管选用毫秒延期电雷管。使用炸药、雷管严格执行说明书的有关规定；装配引药时，先将雷管脚线扭接短路，雷管由药卷顶部装入，然后用脚线将药卷缠住，把雷管固定在药卷内，脚线结头悬空；装药时，先冲洗干净炮眼内的岩粉，再用木棍将药卷轻轻推入，采用正向装药，每眼装药量为600 g，雷管每眼1 发；坚持使用湿炮土封口，每个炮眼使用1 个水炮泥，其余部分用粘土封实；装药采取分组装药的方法后将雷管脚线扭结悬空；每次装药炮眼数量不超过12 眼，一组装药必须一次起爆。

3）联线、爆破。联线采用串联方式，每次联线的炮眼数不超过12 个；爆破由机头向机尾进行。

4）构顶临时支护。爆破前端面距超过300 mm时及时拉架，并伸出护帮板。每次放完炮，先进行支护方可进行下一段的爆破作业。经拉架、打出护帮板仍不能有效支护顶板的地段，采取支架上方铺网穿木梁的方法维护顶板。铺网用10 号菱形金属网，金属网规格为（0.7×10）m2，人工使用“L”型联网钩，用联网丝联网，联网丝为300 mm 长的14 号铁丝；作业前，严格执行敲帮问顶制度，用1.5 m 长撬棍处理掉顶帮浮矸、活石；人员抬扛物体，口号用力一致，同肩同步，注意前方障碍物或冒顶片帮，作好自保，互保；在穿木梁和铺网过程中，必须有一人观察顶板、煤帮及支架的安全动态，作业人员面向煤壁施工，防止意外事故发生；作业过程中，跟班队长、班长必须在现场指挥作业，随时处理作业过程中存在的问题。

2.2 过断层控制技术

1）对于落差约为煤厚的倾斜断层，通常利用割煤机穿过断层，必须注意观察底板坡度、顶板破碎和硬石的变化。若顶板硬度高，应采用爆炸法选择顶板或底板，当顶板破碎时，采煤机司机和支护人员应配合好，采用即时支护方法，并且严格按照穿越断层的方法进行移动，采煤机截煤时，底板要切平，严禁在工作面上踩踏。

2）采煤机经过断层的时候，必须立即把前探梁拉伸出来。片帮、断面的间距大于要求的距离时，须携带超前架，且需要控制移架的速度，不能过于落后采煤机的速度；并且保证采高大于2 m 的高度，禁止出现采高高度过大或采煤机通过不了断层的现象。

3）穿越断层时，加强工作面工程质量管理，确保支架、输送机顺直，保证支架间距距离一致；移动支架时，要时刻关注着支架的工作状态。支架应垂直于顶板和底板，顶部应紧密连接。如果顶板不平整，则需要立马调节平衡油缸，防止倾斜支架。

4）穿越断层的时候，必须保证煤的质量，尽可能剔除矸石，必要时可以先破碎矸石来保证质量。

5）当人员需要进入人机隧道作业时，必须关闭采煤机和溜槽电源并锁定，以确保液压支架的伸缩梁伸出，确认安全后再进行操作；在机道上作业时，任何人不得在工作场所上下10 个支架范围内移动支架，防止造成事故。

6）确保安全出口最低高度大于1.8 m，最小宽度大于0.7 m。

4 过断层安全技术措施

在过断层期间，需要从多个方面考虑安全情况，以下是过断层期间的安全技术措施：

4.1 过断层期间防冒顶安全技术措施

1）施工前须保证断层顶底板、支架正常，如若发现支架不接顶，保证支架接顶后才可以开始施工。

2）确保泵站压力大于30 MPa，支架初始支撑利大于240 MPa，无不良现象。确保支架接顶、各个设备正常工作，保护各个部件，严禁出现冒顶现象。

3）穿越断层的时候，要确保采煤机的速度不超过规定的速度，确保切割过后断层顶底板、煤壁平齐。

4）在断层处坚持追机移架，减少空顶时间。采煤机司机要控制好割煤速度，如支护不及时，应暂停割煤。

5）坚持提前拉架和擦顶带压快速移架，减少顶板下沉量，保持顶板完整。

6）顶板破碎段必须联双层网，网间沿走向搭接长度为网宽的1/2，沿倾向搭接长度为200 mm。

7）割煤时司机应站在架间安全地点，精力要集中，发现断层处有冒顶危险时，立即停机处理，确认安全后，再继续割煤。

8）过断层期间保证每刀都在机尾插刀，防止工作面掉落大块岩石而无法通过采机。

4.2 机电设备管理安全技术措施

综采工作面在过断层期间,采煤机、刮板输送机、破碎机及液压支架故障率高, 采煤机截齿消耗量大，刮板输送机刮板链的锯齿环等零部件的使用寿命大大降低,为了降低事故率的发生，制定如下措施：

1）爆破地点及前后10 m 范围内的水管、电缆、支架活柱用规格为长×宽= 1.2 m×1.0 m 的旧皮带围住。并加设专用防护装置，即用厚度不小于40 mm的木板架设于前立柱外侧并用铁丝捆绑牢固，以防止爆破崩坏支架阀组、立柱及水管电缆，每次爆破前，必须详细检查支架防护设施的完好情况，确认无问题后方可进行爆破作业。

2）过地质构造带（断层）时必须采用松动爆破，禁止用采煤机强行截割岩石。采煤机停在爆破地点15 m 以外，并用长×宽=5.0 m×1.0 m 的2 条旧皮带将爆破侧的滚筒和摇臂覆盖并固定，加以保护。

3）过地质构造带期间，要加强采煤机支架以及工作面输送机的检修和维护，要放慢采煤机截割行走的速度，采煤机速度控制在1.5～2.0 m/min，缩短检查检修周期，每次开机前或割岩石1～2 h 后都要对滚筒截齿、传动系统仔细检查，发现问题，立即处理。

4）加强机电设备采煤机、刮板输送机、破碎机及液压支架等设备的日检、周检、月检，做好相关检修记录。

5）检修班加强对机电设备的检修力度，严禁带病作业，将事故控制在萌芽状态。

6）做好预防性检修，如设备有问题，及时采取措施处理，避免被动检修。

4.3 过断层期间防治水安全技术措施

1）在过断层期间，须提前在两端设置水泵，用来确定排水系统正常工作。

2）当涌水量过大时需要提前设置好大功率水泵，要加强对各个排水设备的检查和维护，定期清理和清洗淤泥，确保进水口不会被堵塞。

3）过断层期间，工作面现场作业人员要密切注意工作面及两巷水文情况，当工作面发现有出水预兆时，如煤壁挂汗、空气变冷、出现雾气、水叫、淋水增大等，要及时向矿调度汇报，作业人员撤离、避灾，矿及时组织现场勘查，采取相应措施[5]。

4）在过断层过程中，必须及时观测工作面水情，如有异常及时汇报矿调度进行处理。

5 结束语

城底矿22207 工作面采用上盘挑顶，下盘放震动炮的开采方法顺利的采过了落差2.5 m 和6.0 m的2 类断层，成功地降低了工作面搬动的次数，并且顺利增加了工作面的长度，取得了很好的效果和效益。开采期间的诸多措施较好的确保了采高和获得了较高质量的煤，有效使综采工作面能够正常甚至超常采动。诸多的研究和实践均表明：综采工作面的断层在使用了恰当的技术后，所取得的生产效益并不会低于正常开采的效益。