3601 综采工作面过断层回采工艺优化

王天柱

（中检集团公信安全科技有限公司，山东 枣庄 277000）

1 概述

陈蛮庄煤矿3601 工作面位于3600 胶带上山、3600 轨道上山以东，3204 工作面采空区以南，DF40 断层以西，井田边界保护煤柱、3 层煤露头煤柱以北。

3601 工作面走向长1256～1291 m，平均1273 m；倾向长116～146 m，平均130 m。工作面开采石炭-二叠系山西组三层煤，煤层倾角27°～36°，平均32°。煤层总厚2～3.5 m，平均厚度2.8 m，属结构简单较稳定的中厚煤层，普氏硬度系数f=0.18。

3601 工作面采用走向长壁后退式一次采全高采煤方法，工作面回采至870 m 处在53#～64#支架前方煤壁揭露F4 正断层，断层落差为2.0 m，倾角为52°，断层侵入煤体后造成上下盘煤体出现空间位移，增加回采难度。

表1 3601 工作面回采的3#煤层顶底板岩性表

2 工作面原回采工艺及优化

2.1 工作面原回采工艺存在的问题

3601 工作面揭露断层后，工作面采用前行破岩法过断层，但是通过实际应用效果来看，强行破岩过断层时主要存在以下问题：

1）采煤机磨损严重。以往强行破岩过断层时，当工作面回采在断层上盘时需破上盘直接顶细砂岩，岩体硬度高、破岩量大，导致采煤机截齿磨损量大、截割电机负荷大。统计发现，工作面前行破岩推进6.0 m 共计磨损截齿129 个，截割电机烧毁一台，直接经济损失47.2 万元。

2）采空区遗煤量大。3601 工作面采用强行破岩过F4 断层，上盘煤柱损失量大，每回采一刀留底煤量达75 t，随着工作面推进遗留的底煤直接甩入采空区内，造成采空区遗煤量大，很容易造成采空区发火现象。同时，下盘煤柱回采时矸石量大，增加了原煤洗选负荷。

3）回采效率低。由于受断层影响，工作面过断层区围岩破碎严重，支架在断层区移架困难，煤壁片帮严重，端面距加大，导致工作面过断层时推进速度慢，平均回采速度不足1.4 m/d，且回采安全系数低，断层区局部支架出现倒架、歪架现象。

2.2 回采工艺优化

为了解决传统回采工艺主要存在的问题，提高断层区煤柱回采效率，决定对断层区回采工艺进行优化，提出了俯斜回采工艺[1-5]。

1）3601 工作面下行割煤超前断层25 m 开始俯斜回采，回采俯角为5°，进入俯斜回采区域时调整采煤机上滚筒扫煤高度及扫底深度，使工作面底板以5°下山角布置。如图1。

图1 3601 工作面过F4 断层俯斜回采剖面示意图（mm）

2）俯斜回采时，需留断层下盘顶煤，预留最大厚度为2.0 m，俯斜段采煤机切割深度为0.5 m，当采煤机俯斜回采25 m，揭露断层上盘煤体顶底板后，再次调整采煤机割煤角度，以近水平角度回采。

3）由于俯斜回采时需破断层下盘底岩，底板岩体为细砂岩，岩体单轴抗压强度为40～50 MPa，岩体硬度高，采用采煤机割煤时破岩难度大，很容易造成采煤机损坏现象，决定对底岩采用松动爆破破岩法。

4）当工作面俯斜回采10 m 后，底岩厚度达1.0 m 时，对底板岩体布置一排松动爆破孔，爆破孔深度为1.0 m，直径为35 mm，爆破孔与底板成80°夹角布置，布置间距为1.5 m。

5）松动爆破钻孔施工完后，对钻孔内安装矿用抗水性乳化炸药，每个钻孔填装一支（装药量为300 g），以及一支毫秒延期电雷管，钻孔孔口采用水炮泥进行封堵严实，封堵深度不低于0.5 m。

3 断层区顶板支护设计

3601 工作面过断层区采用俯斜回采时需预留下盘煤体顶煤，顶煤厚度在0～2.0 m，而回采的3#煤层属于石炭系煤层，煤层结构复杂、稳定性差，预留顶板难度大，很容易出现顶煤垮落现象，威胁工作面安全高效回采，应对俯斜段顶板采取联合支护技术。

3.1 顶煤注浆加固

1）3601 工作面俯斜回采前，在35#～53#支架（30 m 范围内）前方煤壁施工一排注浆钻孔，钻孔垂直煤壁布置，深度为3.0 m，直径为45 mm，钻孔布置在俯斜顶板线上方0.3 m 处，钻孔上挑角为3°，同一排以5°俯角依次布置，布置间距为3.0 m。

2）钻孔施工完后，对钻孔内安装中空结构注浆花管。注浆花管采用直径30 mm 无缝钢管焊制而成，长度为3.0 m，底端头为实芯结构且为削尖状，削尖长度为0.5 m。花管四周均匀布置3 排注浆小孔，孔间距为0.5 m。

3）注浆花管安装到位后，在孔口处安装锥形止浆塞，然后在花管端头依次安装法兰盘、注浆软管、注浆混合枪以及专用注浆泵。注浆材料采用聚氨酯与催化剂混合浆液，注浆材料固化时间为45 s，反应温度为87 ℃。凝固体抗压强度为68 MPa，黏接强度为7.4 MPa。

4）注浆压力为3.0 MPa，注浆完成后注浆花管兼做管棚支护，实现管棚与注浆协同支护。工作面俯斜回采时支架顶梁与管棚支护体紧密接触，采用带压擦顶超前移架方式。

3.2 铺设柔性纤维网

1）柔性纤维铺设在俯斜段顶板上，使用的柔性纤维网采用聚氨酯材质编织袋交错编制而成，纤维网型号为PET400×400MS 型，每卷纤维网长度为30 m，宽度为20 m，纤维网格为100 mm×100 mm。纤维网纵向抗拉强度为450 kN/m，横向抗拉强度为420 kN/m，纤维网拉断伸长率为12%，质量为3.5 kg/m2。

2）柔性纤维网安装时，先在网的纵向边上穿拉一根直径为16 mm 钢丝绳，钢丝绳两端分别固定在支架立柱绞盘上，通过手动转动绞盘使纤维网升起，然后在支架前探梁前方0.5 m 处施工锚杆进行固定，锚杆布置间距为2.0 m。

3）柔性纤维网固定后，工作面在回采时将纤维网卷起，并通过钢丝绳固定在顶梁下方。当工作面回采一个循环时及时下放纤维网然后进行移架，当工作面回采推进2.0 m 时及时进行固定。如图2。

图2 3601 工作面柔性纤维网铺设示意图

3.3 迈步式组合锚索支护

1）为了进一步提高俯斜段顶板整体稳定性，对俯斜段顶板施工迈步式组合锚索。组合锚索主要由钢托盘和锚索组成，钢托盘长度及宽度为0.5 m，托盘上布置3 个锚索支护孔。锚索长度为4.0 m，直径为21.8 mm。

2）第一排组合锚索布置在断层俯斜段架前1.0 m 处，组合锚索布置间距为3.0 m，俯斜段顶板每排布置10 组组合锚索。工作面推进2.0 m 后施工第二排组合锚索，相邻两排成迈步式布置。

4 实际应用效果分析

4.1 取得回采效益

1）提高了断层煤柱回采率。与传统强行破岩法相比，采用俯斜回采工艺后减少了断层区破岩量，煤柱回采率提高至95%以上，通过计算可增加煤柱回采量达0.97 万t。

2）降低采煤机故障率。俯斜回采减少采煤机破岩量1420 m3，避免了采煤机破岩时出现截齿磨损、截割电机烧毁等机电事故。工作面在后期回采过程中共计磨损截齿27 个，未出现截割电机烧毁事故。

3）加快了工作面回采速度。采用传统强行破岩法过断层时，由于破岩量大，工作面推进速度慢，平均回采速度不足1.4 m/d，而俯斜回采工艺减少了破岩量，加快了工作面回采速度，平均回采速度提高至5.6 m/d。

4.2 围岩控制效果

通过对3601 工作面俯斜段顶板采取联合控制技术后，工作面在后期回采过程中未出现工作面顶板及煤壁破碎、片帮现象。实测端面最大空顶距为0.5 m，最大片帮深度为0.8 m，顶煤预留效果好，在35#～40#支架处顶板出现局部破碎，但不影响工作面支架正常推移。

5 结语

通过对3601 工作面过F4 断层期间回采工艺的优化，解决了综采工作面传统回采工艺过断层回采效率低、速度慢、破岩量大等问题；对俯斜段顶板采取联合控制技术后，控制了受构造应力影响工作面端面距加大、煤壁片帮严重等应力显现现象，保证了工作面安全快速推进，取得了显著应用成效。