綜采工作面快速過斷層回采工藝研究

吳光輝

（晉煤集團(tuán)趙莊二號井，山西 長治 046000）

工作面回采過程中經(jīng)常遇到斷層等地質(zhì)構(gòu)造，特別是中小型斷層對工作面掘進(jìn)和回采造成不利影響，通常會導(dǎo)致設(shè)備損耗增大，煤炭資源回收率降低[1-4]。大部分工作面遇到斷層時，通常會采用放炮措施強(qiáng)行通過，不利于設(shè)備管理和提高回采率，甚至容易發(fā)生片幫冒頂事故，影響工作面回采進(jìn)度。針對近正交斷層，采用旋轉(zhuǎn)調(diào)斜回采工藝，通過調(diào)整回采位置，使工作面與斷層平行，并調(diào)整綜采設(shè)備角度集中通過斷層，具有較好的應(yīng)用效果。

1 工程概況

趙莊二號井可采煤層為3#、9#、15#煤層，目前回采煤層為3#煤層（位于下二疊統(tǒng)山西組底部），埋深約200 m，煤層厚度平均5.23 m。3#煤層頂?shù)装逯饕蓪永戆l(fā)育的泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖組成，地質(zhì)條件簡單。采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝，采煤方法為走向長壁采煤法，全部垮落法管理頂板。

3211 工作面位于二盤區(qū)，走向長1155 m，傾向長219 m，平均煤厚5.5 m。煤層偽頂不發(fā)育，直接頂板為粉砂巖，厚度3 m；基本頂主要為細(xì)砂巖，厚度8.5 m。3211 工作面切眼向外460 m 處，在回風(fēng)巷回13 點處揭露F4 逆斷層，落差1.7 m，傾角48°。該斷層為近正交斷層，與切眼夾角18°。F4斷層自回風(fēng)巷向工作面延伸，影響傾向長56 m，頂板巖性主要為粉砂巖，硬度較大，破碎困難。

2 傳統(tǒng)松動炮過斷層工藝分析

2.1 松動炮強(qiáng)行通過斷層回采方法

綜采工作面遇到斷層時往往采用放炮加采煤機(jī)強(qiáng)行回采通過的回采工藝，以F4 斷層為例，通常方法如下：

（1）工作面揭露出完整的斷層面后，在斷層下盤煤層頂板上的采煤機(jī)割采范圍內(nèi)施工松動炮孔。孔深1.0 m，直徑42 mm，炮孔方向與回采方向一致。共布置上下兩排炮孔，上排炮孔距頂0.3 m，下排炮孔距上排炮孔1 m，鉆孔水平間距為2 m。布置圖如圖1 所示。

（2）炮孔施工完畢后，向炮孔內(nèi)裝入乳化炸藥，單孔藥量為0.3 kg，水炮泥封孔，封孔長度0.5 m，利用一段電雷管引爆。

（3）斷層下盤煤層頂板放炮完成后，采煤機(jī)直接進(jìn)行截割，每刀割采深度0.5 m，兩個循環(huán)后繼續(xù)施工松動炮，直到工作面通過斷層為止。

圖1 3211 工作面F4 斷層炮孔布置圖

2.2 放炮過斷層工藝缺點

（1）破巖較多，設(shè)備損耗嚴(yán)重。由于煤層頂板主要為粉砂巖，硬度較大，即便提前進(jìn)行松動爆破，對采煤機(jī)損耗嚴(yán)重。之前工作面爆破過斷層時，由于破巖量大，損壞一個滾筒，更換截齒60 余個，共造成損失80 余萬元。

（2）工作面推進(jìn)效率低。由于每兩個循環(huán)需要進(jìn)行松動爆破，施工炮孔數(shù)量按照40 個計算，則打孔和裝藥時間共計3 h，爆破時間為40 min，導(dǎo)致工作面每天回采進(jìn)度不足3 m，回采效率低。

（3）降低回采率。工作面受F4 斷層影響長度為65 m，經(jīng)計算，通過放炮加采煤機(jī)強(qiáng)行回采會減少產(chǎn)量超過5000 t，損失超過200 萬元。同時若將大量底煤留在采空區(qū)，會大大增加采空區(qū)瓦斯涌出量，增加上隅角瓦斯治理難度。

3 旋轉(zhuǎn)調(diào)斜過斷層回采工藝分析

3.1 旋轉(zhuǎn)回采工藝

為了提高工作面過斷層時的回采率，減少丟底煤和破巖量，同時縮短過斷層時間，在工作面機(jī)尾回采至距F4 斷層5 m 時，利用旋轉(zhuǎn)回采法，調(diào)整工作面方向，使之與斷層平行。

（1）3211 工作面刮板輸送機(jī)最大彎曲角為1.5°，采煤機(jī)一個循環(huán)回采深度0.8 m，所以每割一刀煤，刮板輸送機(jī)允許彎曲的最大長度為L=0.8/sin1.5°=30.7 m。工作面液壓支架寬度為1.7 m，則允許彎曲范圍內(nèi)支架數(shù)為N=30.7/1.75=18 架，3211 工作面共有支架132 個，則旋轉(zhuǎn)回采等分?jǐn)?shù)為m=132/18=7。

（2）以工作面機(jī)尾132 架為首個支點，其后第二至第八支點依次為114 架、96 架、78 架、60 架、42 架、24 架和第4 架。

（3）進(jìn)行旋轉(zhuǎn)回采之前，首先將切眼調(diào)直，然后將采煤機(jī)移至114 架處，并向機(jī)尾側(cè)進(jìn)刀，采深0.8m。采煤機(jī)割煤至機(jī)尾后，空刀返至96 架處，然后將114～132 架間的刮板輸送機(jī)前移，并移動支架。

（4）采煤機(jī)自96 架開始繼續(xù)向機(jī)尾進(jìn)刀，回采至機(jī)尾后仍然空刀返回78 架處，然后繼續(xù)將96～132 架間的刮板輸送機(jī)前移，并移動支架。依次類推，直到采煤機(jī)返回第4 架。期間共割煤7 刀，其中短刀6 刀，長刀1 刀，每刀0.8 m，則第一個旋轉(zhuǎn)循環(huán)工作面共推進(jìn)5.6 m。

（5）F4 斷層與切眼夾角18°，則工作面機(jī)尾揭露斷層后再回采17.6 m 即可全部揭露F4 斷層，因此工作面僅需3 次旋轉(zhuǎn)循環(huán)即可完成工作面旋轉(zhuǎn)，保持與斷層平行。

3.2 調(diào)斜回采工藝

在工作面完成旋轉(zhuǎn)后即可全部揭露斷層，工作面可整體通過斷層。為了提高下盤回采率，同時減少下盤破巖量和丟煤，決定調(diào)整采煤機(jī)俯斜回采通過F4 斷層。

（1）切眼從機(jī)頭至機(jī)尾下行回采至距斷層14 m時，開始調(diào)整采煤機(jī)角度，使其按-7°進(jìn)行回采。如圖2 所示。

（2）當(dāng)采煤機(jī)俯采揭露斷層下盤煤層底板時，調(diào)整采煤機(jī)角度進(jìn)行水平回采。

（3）俯斜回采時，需留斷層上盤頂煤，厚度0～1.7 m。根據(jù)以往回采經(jīng)驗，受回采動壓影響，留煤難度較大，易造成頂板垮冒事故。基于此，進(jìn)行注漿加固和撞楔支護(hù)對頂煤進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。俯斜回采時，對頂煤施工注漿鉆孔，深度3 m，傾角-7°，間距2 m。并對鉆孔進(jìn)行高壓注漿，漿液材料為聚氨酯粘合劑，注漿壓力1.2 MPa。注漿后，在俯斜回采預(yù)計留頂煤處，利用長3 m、直徑30 mm 的鋼釬進(jìn)行撞楔超前支護(hù)。鋼釬間距0.5 m，排距2 m，相鄰兩排撞楔支護(hù)交錯布置。

圖2 3211 工作面俯斜法過斷層示意圖

4 效果

（1）針對F4 近正交斷層，采用旋轉(zhuǎn)調(diào)斜回采工藝，通過調(diào)整回采位置，使工作面與斷層平行，調(diào)整綜采設(shè)備角度集中通過斷層，有利于設(shè)備管理和提高回采率，可減少破巖量和丟煤量。與放振動炮強(qiáng)行通過斷層相比，本次3211 工作面在通過斷層期間，共更換截割齒24 個，未損壞滾筒，節(jié)約材料費(fèi)和維修費(fèi)近50 萬元。

（2）采用俯斜回采工藝，減少斷層下盤破巖量約4000 m3，增加原煤產(chǎn)量5000 t，減少采空區(qū)丟煤。與傳統(tǒng)方法相比，提高回采效率3.5 m/d，提前9 d 通過F4 斷層。

（3）工作面過斷層時，對上盤頂煤進(jìn)行注漿加固，提高了頂煤膠結(jié)度，將煤體單軸抗壓強(qiáng)度由17.6 MPa 提至55 MPa，避免了頂板垮冒事故的發(fā)生。撞楔超前支護(hù)保證了切眼支架的初撐力和工作阻力，有效提高了支護(hù)效果。