綜采工作面穿層回采技術研究與實踐

李海燕

（山西汾西宜興煤業有限責任公司，山西 介休 032000）

宜興煤業1206綜采工作面開采2#煤層，由于煤層結構極不穩定，夾矸變化較大，加之斷層構造的影響，材運兩巷出現了錯層段，該范圍內材巷位于2#煤層上、中分層，運巷位于2#煤層中、下分層，工作面推進至錯層段將面臨穿層回采，本文結合國內類似條件工作面及本礦的開采經驗，開展了綜采工作面穿層回采技術的研究與實踐，以期實現該工作面過錯層段的安全生產。

1 工作面概況

1206工作面位于一采區，北部為1205工作面采空區，南部為2#實體煤，西部為一采區回風巷，東臨井田邊界保安煤柱。1206工作面所采煤層為二疊系山西組2#煤層，本工作面范圍內2#煤層結構極不穩定，夾矸較多，最多時達到4層，厚度變化較大。煤類以1/3焦煤、肥煤為主，局部為焦煤；煤層傾角0～8°，平均5°，煤層總厚度1.05～2.36m，平均厚度1.8m，容重 1.35t/m3，普氏硬度f=1.0～1.5。1206工作面沿走向推進，傾斜長222.6m，采高2.9m，采用ZY6400/15/35型（中間架，144架）和ZZG8000/17/35型（端頭架，機頭5架、機尾4架）液壓支架支護頂板。1206工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 1206工作面巷道布置示意圖

1.1 煤層頂底板巖性

1206工作面老頂為中砂巖，厚1.45m，呈深灰色，巨厚層狀，中粒砂巖結構，泥質條帶構造，以石英、長石為主，鈣質膠結，棱角斷口；直接頂為泥巖，厚2.55m，呈灰黑色，鈣質膠結，棱角斷口；偽頂為炭質頁巖，厚0.62m，呈暗黑色，泥質膠結，層狀結構，水平層理，性脆易碎；直接底為泥頁巖，厚0.85m，呈灰黑色，泥質膠結，層狀結構，性脆易碎；老底為中砂巖，厚4.0m，呈深灰色，以石英、長石為主，中粒砂質結構，塊狀構造。

工作面頂板節理、裂隙較發育，經鉆孔取樣力學實驗抗壓強度2.72-98.6MPa，平均為30.83MPa，抗拉強度0.21-5.00MPa，平均為 1.75MPa，抗剪強度0.24-10.92MPa，平均為4.24MPa，巖石堅硬程度屬于半堅硬。屬于中等冒落性的頂板，較易管理。底板節理、裂隙不發育，經鉆孔取樣力學實驗抗壓強度11.7-65.5MPa，平均為29.97MPa，抗拉強度0.21-1.87MPa，平均為1.41MPa，抗剪強度 1.50-9.32MPa，平均為 3.83MPa，巖石堅硬程度屬于軟弱巖。

圖2 1206工作面柱狀圖

1.2 工作面錯層段概況

1206工作面材、運兩巷設計均為沿2#煤層頂板掘進，由于運巷在掘進過程中，當掘進1050m-1348m處時，此范圍內3#夾矸迅速從0.13m增厚至1.6m，導致2#煤層中分層進入巷道底，掘進至1348m處時遇見YF3斷層（此斷層為走向10°、傾向280°、傾角60°、落差2.7m的正斷層），巷道過此斷層后把2#煤層上分層及1#、2#、3#夾矸留在巷道頂板上部，開始沿2#煤層中分層和下分層掘進。材巷掘進至1348m處時，為了和運巷煤層層位保持一致，巷道開始沿著2#煤層中分層和下分層掘進，但是由于此段3#夾矸厚度較小，離層現象較為嚴重，未完全將3#夾矸留在巷道頂部（局部3#夾矸留住），當掘進至1691m處時，3#夾矸才完全留在巷道頂部，之后直至切眼兩巷層位一致。

因此，當1206工作面推進至1348～1691m段時，存在材、運兩巷層位不一致的問題（此段材巷頂板為2#煤層頂板，運巷頂板為2#煤層的3#夾矸），在工作面推進過程中，會出現局部段穿層現象（在工作面剖面圖上表現為類似斷層的構造）。由于穿層段可能出現局部地點頂板破碎、煤壁片幫嚴重、空頂距大、嚴重處甚至會出現拉槽漏頂的現象，因此必須制定合理的方案保障工作面安全順利地通過該錯層段。1206工作面錯層段層位情況如圖3所示。

圖3 1206工作面錯層段平剖面示意圖

2 方案對比

根據1206工作面錯層段的開采地質條件，主要有繞巷法和硬過法兩種通過方式。其中繞巷法為施工繞巷繞過該區域，該方法存在多個弊端：地質因素方面，該段走向長度達343m，很難準確預測此范圍內工作面內部煤巖層賦存情況，因此難以確定合理的開掘繞巷位置；施工因素方面，若從運巷開口施工繞巷（沿2#煤層掘進，與材巷層位相同），工作面推進過程中存在割巖石較多及轉載機拐彎等運輸系統問題，若從材巷開口施工繞巷（沿2#煤層3#夾矸掘進，與運巷層位相同），根據材巷施工時的情況，該處2#煤上分層及3#夾矸厚度較小，容易發生離層，很難完全留到巷頂，難以保證繞巷與運巷處于統一層位，若從材巷開口，在工作面中部施工繞巷，則存在甩掉的工作面較長，丟煤較多的問題；在經濟效益方面，施工繞巷以最小值40m計算，需掘進40m（6.5m×2.9m斷面）+371m（3m×2.9m斷面），掘進費用以每平米平均350元估算，共計約132萬元，末采、搬家費用以70萬元計。

相對于繞巷法，硬過法在實際施工中更加簡單易行，可減少巷道掘進費用、提高工作面回采率、節約大量煤炭資源，經濟效益顯著。工作面采用硬過方案，可多回收原煤約3.2萬t，折算成精煤為2.3萬t，每噸精煤純利潤按300元計算，共計約690萬元，維護穿層段需要的錨索、鋼梁、棚板等支護材料及采煤機截尺、齒座等材料費用以70萬元計。兩種方案經濟效益對比見表1。

3 工作面過錯層段施工方案

表1 施工繞巷與硬過方案經濟效益對比

工作面材運兩巷錯層段沿順槽走向長度約343m，根據兩巷煤層柱狀圖分析，3#夾矸厚度在工作面從機尾至機頭方向逐漸增大（0.1m-5m），并沿工作面推進方向逐漸變薄，因此預測隨著工作面向前推進，穿層段影響范圍在工作面由機尾至機頭逐步移動，直至工作面推進至運巷YF3斷層處時消滅。根據掘進時經驗，當3#夾矸厚度在0.8m左右，便可留在支架頂板。據此推測當工作面過錯層段初期，在工作面115#-135#支架處穿層，穿層影響范圍約30米左右。

3.1 穿層初期工作面調整

工作面從機頭往機尾方向調整，沿2#煤中分層和下分層割煤逐步過渡到2#煤上分層和中分層。由2#煤中分層穿至上分層過程中，3#夾矸硬度較小，因此采取采煤機直接截割的方式通過。在整個穿層過程中，盡可能縮小穿層影響范圍，控制好穿層段采高。

3.2 推進過程中工作面調整

工作面往前推進過程中，3#夾矸逐步變薄，穿層段影響范圍逐步向工作面機頭方向前移，直至工作面推進運巷YF3斷層處時消滅。工作面推進時，穿層段位置應及時根據3#夾矸厚度進行調整。穿層過程中，要切實把握好穿層段的采高不超過2.5m（支架最大支撐高度3.5m），工作面從2#煤中分層和下分層逐步過渡到2#煤上分層和中分層時，挑頂、留底幅度每支架不超過100mm（穿層過程中可根據現場實際情況留設底煤）。整個穿層段要平穩過渡，不得出現臺階狀。

3.3 工作面穿層工藝要求

1）根據工作面現場實際情況認真分析后選擇合適的穿層位置，工作面穿層段層位調整應平穩過渡，盡量做到多割煤少割巖石，減少設備損耗，加快推進速度。

2）過穿層段時，煤機司機要嚴格掌握好采高（2.5m），確保采高在支架有效支護范圍內，防止出現支架超高或支架壓死、采煤機無法通過現象。嚴格控制采煤機過穿層段的速度（不超過2m/min），煤機通過后及時伸出前探梁，移架工追機移架，距離采煤機后滾筒不超過3架，煤壁片幫嚴重、端面距超過規定時必須帶壓超前移架。采煤機司機必須同移架工密切配合，移架速度跟不上采煤機速度時，要及時降低采煤機速度，必要時停機移架。

3）加強工作面工程質量管理，確保支架和刮板輸送機平直，支架不擠架、不咬架。移架過程中要及時調整支架狀況，如發生倒架、咬架和歪架現象，在移架過程中及時調整。

3.4 頂板破碎情況下應對措施

1）工作面推進過程中若出現局部地點頂板破碎、煤壁片幫嚴重、空頂距大的情況，必須及時提前帶壓移架，并保證支架接頂嚴實，防止出現拉槽漏頂。若提前移架后端面距仍過大時要及時用棚板做超前支護挑頂，必要時應掏超前梁窩進行超前護頂。

2）工作面穿層段頂板3#夾矸留頂困難時，可在支架頂梁梁頭處架間，斜向上與3#夾矸呈75°角打一排超前錨索進行支護，采用300×300mm×14mm鋼板配合Φ17.8×3500mm鋼絞線，每根錨索配套MSK2355錨固劑一支、MSZ2355錨固劑一支（使用時快速藥卷在上），間距1.5m，預緊力不得低于140kN，外漏長度嚴格控制在150～250mm。工作面穿層段及超前錨索施工見圖4。

圖4 1206工作面穿層段及超前錨索示意圖

3）當穿層段頂板破碎嚴重、控制困難時，可根據具體情況考慮使用固安特對穿層段頂煤巖體進行注漿加固。

4 結 語

根據1206工作面材運兩巷錯層的地質條件和開采條件，經過方案對比后，采用穿層開采、直接推過的方式，通過采取科學合理的技術措施和現場管理辦法，實現了錯層段的安全回采，相比施工繞巷方案，節約工期約2個月，多回收原煤約3.2萬t，取得了顯著的經濟效益。