103综采面俯斜法过断层施工工艺

闫永青

（长春兴煤业有限公司，山西 大同 037101）

断层是回采工作面常见地质构造，不仅会破坏回采煤层整体稳定性，而且会导致断层两盘煤体出现空间位移［1］。断层增加了工作面回采难度，降低了工作面煤柱回采率［2-6］。

综采工作面常用机械强行破岩法过断层，既无需对工作面回采角度进行调整，又便于工作面机械设备安全管理。但当工作面断层落差较大且揭露岩体硬度高时，采用强行破岩法过断层不仅降低了工作面回采效率，增加了采煤机、刮板输送机等设备故障率［7-8］，而且煤柱损失量大，不利于工作面安全高效回采。

为提高工作面过断层期间的回采率、降低综采设备的故障率，现以长春兴煤矿103工作面为例，对工作面过F2断层期间的回采工艺进行优化，并采取合理有效的支护技术。

长春兴煤业有限公司103工作面位于井田北盘区东翼，工作面沿煤层走向呈东西布置。工作面北部为105工作面，东部为井田边界，南部为101采空区，西部为北盘区大巷（北盘区回风巷道、胶带巷、运输巷），如图1所示。

图1 103工作面平面布置

103工作面设计走向长度为1 200 m，倾向长度为185 m。工作面回采煤层为22#层，煤层平均厚度为9.5 m，平均倾角为2°，煤层存在伪顶，主要以砂质泥岩为主，平均厚度为0.25 m，岩体成黑灰色，泥岩结构，岩体单轴抗压强度不足20 MPa，岩体随采随落；
直接顶主要以粗砂岩、中粒砂岩混合岩体为主，平均厚度为14.44 m，岩体成浅灰色，成分以石英为主，长石次之，分选差，岩体硬度高，基本顶主要以细、中、粗粒砂岩为主，平均厚度为22.61 m。

103工作面采用MG500/1180-WD型双滚筒电牵引采煤机落煤和装煤，SGZ1000/1400、SGZ1200/1400型刮板运输机运煤,ZF13000/25/38型液压支架维护工作面顶板，平均采高为3.5 m，采煤机机身高度2.24 m，支架行程在2.5～3.8 m，工作面采用综合放顶煤回采工艺，机采高度定在3.5 m，放煤高度为6.0 m。

2.1 工作面回采现状

103工作面地质条件复杂，地质构造主要以中小型断层为主，工作面在前500 m回采过程中共计揭露4条正断层，断层平均落差为1.4 m，平均倾角为52°。断层对工作面推进影响长度不足30 m，在前期回采过程中主要采用强行破岩法过断层。工作面回采至527 m处，在工作面尾部将揭露F2正断层，其落差为2.1 m，倾角为55°。通过钻探资料发现，F2断层影响工作面推进长度达49 m，断层导致上盘煤层下降，现场观察发现，工作面揭露F2断层后从130#～95#支架之间煤壁岩体厚度达2.0 m，岩体主要以灰白色粗砂岩为主，如图2所示。

图2 103工作面俯斜回采平、剖面

工作面前期采用采煤机强行破岩过F2断层，由于断层处岩体硬度高，岩体单轴抗压强度达50 MPa，导致工作面前期强行破岩时，采煤机损坏严重，主要表现在采煤机截齿磨损严重，前期共计更换59个截齿，截割部负荷大，截割电机烧毁一台，造成经济损失57.2万元。

采用强行破岩法过F2断层时，上盘底部煤层随着工作面推进被甩入采空区内，造成工作面内采空区遗煤量大。2020年2月11日夜班工作面揭露断层，2月14日早班采空区内CO浓度上升至0.000 8%，2月16日夜班采空区内CO浓度上升至0.001 3%，采空区内出现煤层自燃征兆。从采空区有害气体监测结果分析，由于工作面过断层采空区遗煤量大、推进速度慢，有引发采空区煤层自然发火可能。

2.2 工作面回采方案优化

针对强行机械破岩造成的采煤机损坏严重、采空区遗煤量大、工作面推进速度慢等问题，为了提高工作面回采效率，减少破岩量，决定采用俯斜法过断层，优化回采工艺。

（1）在进行俯斜回采前将工作面内浮煤清理干净，及时调整工作面成伪斜，并用采煤机将87#～130#支架前方煤壁岩体扫平、扫直，然后将采煤机移回至机头处。

（2）采煤机由机头斜切进刀进行割煤，当采煤机回采至87#支架时，采煤机前滚筒以10°俯角下山破煤，下山破岩高度为2.5 m，上滚筒破顶煤保证工作面回采高度达3.5 m。

（3）当工作面下山回采至95#支架前方时，进入断层上盘煤层，此时应及时调整采煤机回采角度，沿煤层底板进行回采，如图2所示。工作面在俯斜回采时需预留断层下盘顶煤，为了防止顶煤垮落，俯斜回采期间采用分段带压擦顶移架。

为了防止俯斜回采段顶煤出现破碎垮落现象，提高工作面俯斜回采期间液压支架支护效果，决定对俯斜段顶板采取“迈步式锚索梁棚+超前管棚”联合支护技术。

3.1 迈步式锚索梁棚支护

工作面在过断层期间受断层应力影响，煤壁出现片帮、顶板出现破碎现象，导致断层区支架不接顶或初撑力、工作阻力达不到设计值，所以决定对俯斜段顶板施工迈步式锚索梁棚。

（1）每架锚索梁棚主要由一根长度为3.5 m，宽度为0.12 m工字钢梁以及两根长度为4.5 m，直径为17.8 mm锚索组成，工字钢梁上布置两个锚索支护孔间距为1.75 m（液压支架宽度）；
锚索梁棚布置在俯斜回采段顶板上，梁棚与液压支架前探梁平行布置，如图4所示。

（2）第一排锚索梁棚布置在距前探梁0.3 m处，锚索梁棚在施工时两根锚索施工在相邻两架支架之间，锚索吊棚布置排距为1.5 m，相邻两排锚索吊棚成迈步式布置。

（3）为了提高锚索吊棚抗压能力，防止锚索吊棚出现变形现象，锚索吊棚预紧时在锁具与吊棚之间安装一个恒阻让压器，恒阻让压器长度0.3 m，让压长度为0.15 m，确保锚索吊棚施工后能够与蠕动变形顶板实现耦合支护目的。

3.2 超前管棚支护

由于工作面在俯斜回采时受断层构造应力影响，断层区前方煤壁出现应力超前破坏区，导致采煤机回采时，出现大块煤矸垮落，不仅设备损坏严重，而且很容易出现伤人事故，所以决定对俯斜段顶板施工超前管棚支护。

（1）超前管棚支护结构：103工作面俯斜段顶板施工的每根超前管棚支护体长度为2.9 m，直径为45 mm，孔壁厚度为8 mm，由中空无缝钢管焊制而成，中部孔直径为29 mm。每根超前管棚支护体由两节组成，每节长度为1.5 m，两节间采用丝扣连接，连接长度为0.1 m；
其中位于孔底段呈削尖状，如图3所示。

图3 支护结构截面

（2）支护工艺：①首先在工作面俯斜段顶板布置一排超前支护孔（布置在87#～97#支架之间），支护孔深度为2.5 m，钻孔直径为50 mm，钻孔垂直煤壁布置，钻孔布置间距为1.0 m，共计布置18个支护孔。②支护孔施工完后插入超前支护体，相邻两排支护体布置排距为2.0 m，且两排支护体成交错式布置。

3.3 其他支护

当工作面过断层期间围岩破碎严重时，特别是煤壁片帮或顶板破碎严重，采用锚索棚无法有效控制时，需对煤壁和顶板采取注浆加固及施工玻璃钢锚杆支护。

（1）注浆加固：当顶板破碎严重时需对顶板进行注浆加固，注浆孔布置在煤壁上，距顶板间距为1.5 m，钻孔深度为5.0 m，直径为50 mm，钻孔仰角为45°，钻孔终孔位置必须位于直接顶内。注浆钻孔施工完后采用马丽散、聚氨酯或固特异等有机注浆材料进行注浆加固；
岩体注浆加固后可提高围岩力学结构，以及围岩单轴抗压强度［9-10］。

（2）玻璃钢锚杆支护：为了控制煤壁防止片帮事故，可对煤壁施工两排玻璃钢锚杆，玻璃钢锚杆长度为2.0 m，直径为28 mm，两排玻璃钢锚杆布置间距为2.0 m，布置排距为1.5 m，第一排布置在距顶板0.5 m处煤壁上，两排玻璃钢锚杆迈步式布置，如图4所示。

图4 103工作面俯斜段顶板支护断面

4.1 经济效益

统计结果表明，103综采面采取俯斜回采工艺过F2断层，工作面破岩量减少了3 177 m3，底煤回收量增加0.012 Mt，增加效益962万元，采煤机截齿磨损量共计7个，未发生采煤机截割电机、液压马达损坏事故，减少了设备维修费用50余万元。

图5 俯斜回采后工作面CO浓度、支架工作阻力、围岩变化量曲线

4.2 采空区CO浓度

103工作面采用俯斜回采工艺后，减少了采空区遗煤量，工作面推进速度较强行破岩法更快，通过工作面采空区束管监测系统数据表明，从2020年2月20日开始采空区内CO浓度呈下降趋势，2月26日后采空区内CO浓度下降为0.000 5%，采空区内CO浓度趋于稳定，如图5所示。

4.3 围岩控制效果

103工作面俯斜区顶板及煤壁采取联合控制技术后，俯斜回采过程中未出现严重顶板破碎、煤壁片帮现象。现场监测，俯斜回采过程中顶板下沉量控制在0.16 m以下，工作面液压支架过俯斜区时支架初撑力、工作阻力达95%以上；
煤壁片帮深度控制在0.6 m以下，工作面在俯斜区回采速度达4.3 m/d，如图5所示。

103综采面采取俯斜回采工艺过F2断层及煤壁采取联合控制技术，与原强行破岩法相比，取得了很好的安全和经济效益：

1）103工作面过F2断层采用俯斜工艺及煤壁采取联合控制技术后，回采过程中顶板下沉量控制在0.16 m以下，工作面液压支架过俯斜区时支架初撑力、工作阻力达95%以上；
煤壁片帮深度控制在0.6 m以下。

2）103工作面过F2断层采用俯斜工艺及煤壁采取联合控制技术，工作面在俯斜区回采速度较快，达4.3 m/d；
减少了采空区遗煤量，煤柱回收率提高了5%，消除了工作面采空区遗煤自燃的安全隐患。

3）103综采面采取俯斜回采工艺过F2断层及煤壁采取联合控制技术后，工作面破岩量减少了3 177 m3，底煤回收量增加0.012 Mt，增加效益962万元；
采煤机等设备事故率大幅度降低，减少了设备维修费用50余万元。

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