綜采工作面快速過斷層構造帶的方法與措施

張雁波

(陽泰集團屯城煤業有限公司，山西 晉城 048100)

在煤礦開采過程中，斷層帶地質結構條件較為特殊，且斷層帶周邊區域瓦斯濃度偏高，對煤礦安全生產構成潛在威脅。綜采工作面由于會受到斷層結構落差、傾斜方向與角度等條件的影響，加大了開采難度。

1 綜采工作面過斷層方法的原理與優勢

1.1 調整采高法的原理與優勢

調整采高法是指通過調整采煤高度控制液壓支架高度，與生產條件相適應。調整采高法適用于落差參數小的斷層結構。但需要注意的是，應調整斷層上盤煤與下盤煤的間隔距離，以便支架順利通過。本文以落差小于1 m的斷層結構為探究對象。

在煤層開采過程中，若綜采工作面從右至左通過斷層，則需緩慢提升工作面水平高度，降低采高，并選擇預留底煤的方法讓工作面順利通過斷層。若綜采工作面從左至右通過斷層，則需緩慢降低工作面，以防在斷層線上出現割頂現象，并采取留頂煤的方式過斷層。綜采工作面通過落差小于1 m的小斷層結構時，采用調整采高法。

此外，綜采工作面所選用支架結構的高度也會受斷層參數的影響。綜采工作面水平高度限定標準，集中表現為支架設計下限高度、斷層落差及不可預見的情況。在綜采工作面過斷層結構時，采取調整采高法，其具有操作流程簡便、不間斷生產作業等特征。其次，應用調整采高法可以降低原煤含矸量，提升煤炭質量等級，并減小機械設備零構配件磨損率。該方法的弊端是斷層上盤煤與下盤煤間隔距離控制難度較大[1]。

1.2 挑頂臥底法的原理與優勢

在綜采工作面通過大落差煤層時，不適宜直接通過煤層，而要結合實際情況，采取合理的方式避開斷層，然后另掘巷道。綜采工作面通過大落差煤層時，采取挑頂臥底法的作業流程，如圖1所示。

圖1 挑頂臥底法

如果綜采工作面無法躲避大落差斷層結構，采取挑頂臥底法較為合理。挑頂臥底法的原理是依靠煤機截隔頂板與底板的巖層，直至順利通過斷層。要保證過斷層上盤煤與下盤煤間隔距離小于液壓支架通行下限，采取調整采高法存在一定不足。為此，要綜合分析斷層頂板與底板巖石結構的性能，選擇挑頂臥底法[2]。

若斷層頂板與底板的破碎巖層結構為砂質泥，直接采取挑頂臥底法，并借助煤機的協調配合即可順利通過斷層。此時必須嚴格控制挑頂臥底的高度與臥底量。一旦臥底量過大，就會使煤機超負荷運行，增加煤機零構配件磨損率；相反的，若臥底量過小，也會影響綜采工作面的過斷層作業。

若多斷層頂板與底板的巖層結構過硬，則可采取超前處理法。例如，通過深孔爆破的方式，破除巖石層整體結構，然后使用煤機進行截割。如果預先處理不到位，直接截割，則會增加采煤機磨損率，造成負面影響。

通常來說，在綜采工作面過斷層作業中，挑頂臥底法的應用頻率相對較高。需要格外注意的是，斷層頂板與底板硬質巖石層爆破預處理參數需符合標準要求，既要排除整體巖石層結構，又應盡可能的減小采煤機運行阻力[3]。

1.3 割頂法的原理與優勢

若斷層結構較軟，頂板結構較大，且壓力規律性變化，則可采取割頂法。割頂法以切割斷層上盤頂板巖石為主，然后預留上盤煤作為過渡，直至綜采工作面順利通過斷層結構。綜采工作面通過斷層結構時，采用割頂法的作業流程，如圖2所示。

圖2 割頂法作業流程示意圖

割頂法的基本技術操作為：在綜采工作面過斷層時，頂板巖石破巖量L，斷層落差H的參數變化規律公式：L>H/(σ×2/3)。

式中，σ為支架側護板的高度。由此可知，切割巖石量越小，頂板巖石破巖量與H/(σ×2/3)越接近。且伴隨綜采工作面的擴張，斷層也隨之推移，并偏向機頭或機尾位置。

2 綜采工作面過斷層安全防護技術策略

2.1 工程實例

以某井田的5#回采煤層為例。該煤層回采厚度約為4.0 m，煤層結構穩固性較良好。其中4803工作面位于井田南側區域，整個工作面傾向長度約為220 m，且煤層均傾角為4.5°。該綜采工作面煤層結構以泥質巖為主，巖層結構不穩定，平均厚度為4.5 m。據地質環境勘察報告可知，工作面回采至860 m將揭露一條F0逆斷層，且斷層落差為1.85 m，斷層傾角為55°。該綜采工作面過斷層作業采取強行切割與帶壓過斷層相協調的方式。經過前期實踐工作積累可知，采取帶壓過斷層法會增加頂板負荷壓力，破壞支架頂梁結構。由此，不僅降低了回采速率，還有可能導致工作面頂板坍塌。基于4803工作面過斷層作業，綜合分析采用強行帶壓過斷層法存在的技術缺陷，并提出相應的安全技術策略，以期順利完工。

2.2 分析強行帶壓過F0斷層技術存在的缺陷

根據34803工作面F0斷層剖面結構示意圖(圖3)可知，過F0斷層操作的推進方向為斷層下盤。該F0斷層結構為逆斷層，且斷層上盤煤上移，下層煤下移。4803工作面煤層結構以炭質泥巖為主，此類泥巖脆性較大，極易受到外界作用力的影響。如果采用強行帶壓過斷層法，將會影響結構應力條件，導致工作面坍塌。

圖3 4803工作面F0斷層剖面結構示意圖

在精確測量后了解到，F0斷層的平均落差值在1.7 m左右，也就是說，在工作面延展作業中，當延展作業推進到斷層上盤帶位置時，煤層頂板的預留厚度則在1.7 m左右，這時實施煤層回采作業時，就會造成煤炭資源的較大損耗，且由于預留頂板位置在采空區范圍內，所以很容易導致自然現象的發生，增強回采作業的危險性[4]。

在F0工作面進入到煤層上盤區域后，需要破除的底板巖層厚度在1.7 m左右。不過由于該區域內底板巖層主要是由粗砂巖構成的，所以巖石硬度較大，如果直接采用煤機切割作業，勢必會對整個結構穩定性造成影響。再加上底板煤層中還混有一定量的原煤，所以更是增加了作業難度。

2.3 綜采工作面過F0斷層的安全防護技術策略

技術部在分析小峪煤礦傳統過斷層帶回采方法存在的技術缺陷后，決定采用仰斜回采法。具體施工方法為：

1) 在綜采工作面延展至F0斷層20 m處時，應調整工作面液壓支架仰斜角度，并控制采煤機作業方向，適當提升支架水平高度，預留底煤。

2) 在綜采工作面延展至斷層帶840 m處時，調整液壓支架配置點位，將其設置在F0斷層上盤煤體頂板處。在此階段，嚴格控制支架仰斜角度，以及采煤機運轉方向，確保支架底座和頂梁完全處于工作面煤體頂板或底板處[5]。

3) 由于綜采工作面頂板結構缺乏穩固性，在過斷層環節，極易受到環境因素、技術因素與人為因素的干預導致局部塌陷。對此，在綜采工作面過F0斷層帶時，要采用撞楔超前支護方式預處理工作面頂板。具體流程為：在綜采工作面延展至距離斷層帶835 m時，采用撞楔超前支護法預處理工作面頂板。撞楔超前支護結構主要由鋼針按照一定規律排列布置而成。一般情況下，單排鋼針共有10根，間隔距離保持在4.5 m左右，鋼針長度約5.5 m，且鋼針與工作面頂板呈6°夾角；在第一排鋼針施工完畢，且工作面回采進度達到3 m時，開展第二排鋼針施工。需要格外注意的是，第一排、二排鋼針需按照既定規律有序排列，直至工作面順利通過斷層帶。

2.4 工作面過斷層期間的安全管理策略

1) 當4803工作面回采至800 m時，在各班組正式施工前，需對工作面進行鉆孔操作，全面掌握斷層結構的基本特征，且明確工作面頂板壓力條件與有害氣體濃度條件。

2) 當4803工作面過斷層前50 m時，各班組要如實記錄頂板結構及其壓力參數的變化情況，尤其是工作面壓力的周期性變化規律，要以此為基準，掌握具體的參數信息。

3) 當工作面過斷層前，以及過斷層期間，頂板結構受到整體結構的負荷壓力逐步加大，而這也對支架頂梁造成了嚴重的損害。對此，施工技術人員需加大液壓支架維護檢修力度，定期檢查支架液壓系統，一旦發現潛在故障，要第一時間采取措施。

4) 綜采工作面過破碎帶時，若采用仰斜技術，應在移動防護支架時，采取科學合理的措施，在保證液壓支架使用性能的基礎上，增大安全作業系數。

5) 為避免工作面過斷層的負荷應力對頂槽與底槽頂板結構造成不利影響，應在工作面過斷層延展至20 m時，對順槽頂板實施預支

3 結語

總之，在綜采工作面過斷層時，務必全面了解斷層結構的基本概況，以確保工作面順利通過斷層。同時在此過程中，還需采取合理的過斷層安全防護措施，以保證煤礦開采作業的經濟效益與社會效益最大化。