30407 綜采工作面過斷層回采工藝研究

王 波

（山西沁和能源集團有限公司南凹寺煤業有限公司，山西 晉城 048000）

綜采工作面在回采期間遇到斷層、褶曲等構造區域時，往往會伴隨頂底板坡度起伏、頂板巖層破碎、煤厚急劇變化、煤巖體結構不穩定等現象，不僅嚴重影響工作面的正常回采推進度，還對生產安全造成影響，在支護不到位的情況下會造成空頂片幫導致拉架困難。斷層附近的地應力較為集中，煤巖層存在層位錯差，受到擠壓影響，回采到附近時可能導致瓦斯壓力釋放，存在誘導突出的風險。構造區附近的裂隙較發育，往往可能與頂底板含水層存在導通聯系，回采到附近時，在地應力作用下誘導突水事故的發生[1]。為有效避免工作面回采期間通過斷層等構造帶時發生災害事故，需加強過斷層綜合防范措施，提高安全風險管控。

1 工程概況

南凹寺煤業30407 綜采工作面位于礦井三盤區中部，其北部布置有30405 工作面，東部為三盤區運輸與軌道大巷，南部相鄰30409 備采工作面，西南部為盤區保護煤柱與井田邊界線。30407 工作面沿走向布置，其上下巷走向長度為1700 m，切眼沿傾向布置，長度為185 m，采用走向長壁式采煤工藝。工作面主采煤層為山西組3#煤，平均可采厚度為2.75 m，支架選型為ZFG13000/27.5/42 型支撐掩護式液壓支架，選用MG750/1630-WD 型雙滾筒采煤機，對采空區頂板采用全部垮落法進行管理。

3#煤層的頂底板巖層以砂質泥巖為主，直接頂為砂質泥巖，厚度為2.2 m，基本頂為K4 灰巖，厚度為8.4 m；直接底為砂質泥巖，厚度為4.4 m，基本底為粗粒砂巖，厚度為8.7 m。根據前期三維地震勘探資料和后期打鉆探查驗證資料顯示，工作面切眼外1470 m 處將揭露一條F7 正斷層，傾角45°，方位224°，落差1.8 m。受到該斷層影響，工作面切眼將由上盤回采推進過斷盤上升后進入下盤煤層，在此期間，頂板煤層將重疊增厚，如圖1。

圖1 30407 工作面過斷層剖面示意圖

2 過斷層對工作面生產影響分析

（1）由于斷層傾角為45°，超出切眼內支架的最大仰斜角度，加之斷層落差近1.8 m，頂底板煤層厚度都增加，在厚煤區域支架初撐力不能有效達標，導致工作面內出現倒架咬架，以及錯差等質量現象，采用常規的帶壓拉架不能有效解決大傾角截割面的現實問題。此外，接近斷層區域時，工作面構造應力、采空區應力與煤墻側實體煤的采動應力等相互疊加，導致支架比正常回采期間承受的壓力更大，所需提供的初撐力也要加強，但當支架初撐力無法抵消應力影響時，就會造成拉架困難，對支架造成損壞[2]。

（2）除支架承受應力影響容易造成拉架損壞，割煤機在過斷層期間，由于煤巖體急劇變化，夾矸增厚，受到構造產生的揉搓影響，頂底板巖層錯位拉伸，割煤機滾筒在搖臂力矩相對固定的條件下，很容易造成破巖增多，而且頂底板巖性多為砂質泥巖，對滾筒截齒磨損嚴重，在截割硬巖時需要依靠割煤機的自身功率帶動滾筒上提下壓施加壓力，齒座的承受壓力也將增加，容易造成設備的磨損消耗。當破巖量增大時，推溜移架將會困難，出現溜子載荷增加、鏈條易斷、刮板及溜子槽磨損加劇等現象，增加成本費用。

（3）在設備和支架產生困難的條件下，已無法滿足正常施工標準和工藝要求，被迫選擇對頂底板煤層的丟煤措施。由于頂底板煤層無法有效回收，增加煤炭資源損失量，造成一定程度的經濟損失。

（4）過斷層期間由于工作環境和作業條件的惡劣影響，導致推進度受到限制。正常情況下每班可回采1.6 m（單刀截深0.8 m），隨著過斷層面的破巖量增加，局部煤層增厚，設備損壞率增加等因素影響，單班生產效率明顯降低，但安全風險卻反向升高。

3 過斷層回采工藝優化

3.1 仰斜法推進工藝

（1）根據F7 斷層的方位延伸情況判斷，30407 工作面回采時將在機尾處首先揭露構造，為有效減少破巖量，提高資源回收率，設定在距離斷層面30 m 處開始調整工作面回采順序與切眼坡度，逐漸過渡到切眼與斷層面坡度小角度斜切的狀態。

（2）調整工作面偽斜角以10°仰角進行斜切進刀，按照分割法把整個割煤順序劃分為若干個小循環，從機尾開始進刀割煤，每截割30 m 為一個小循環，減少截割深度為0.5～0.6 m 左右，支架隨機拉架。待30 m 范圍內完成“進刀—斜切—推溜—拉架”的整個工藝后，再進行下一個30 m 循環的割煤作業，以此保證小循環、小范圍的工程質量與安全條件。

（3）當切眼順利推過斷盤后，由于留設有底煤，隨即調整切眼傾角趨于平緩，以提高回采率，直到通過斷層及隱伏伴生構造影響區域后，執行正常回采工藝流程。

3.2 安全防范措施

該區域3#煤層由于結構不穩定，膠結特性差，在回采期間很難按照要求留設頂煤，且煤層松軟破碎，推移過程中會隨著支架拉架震動，從架前和架縫隙中溜煤，當空頂作業無法支撐時，導致大面積冒頂事故發生。為有效規避安全風險，采取如下安全技術措施：

（1）為避免冒頂事故發生，采用對頂板超前支護的方式進行加固，使用由樹脂錨桿、托架等輔助材料組成的超前支護材料，對頂板加固。其中，樹脂錨桿規格為Φ22 mm×3000 mm，托架采用“W”型鋼帶，長×寬為3200 mm×300 mm，錨索規格為Φ21.8 mm×6000 mm。

（2）當工作面機尾開始進入下盤后，使用錨桿鉆機沿著切眼平行方向以+10°左右向頂板傾斜施工錨桿鉆孔，按照孔間距800 mm、排距600 mm布設，要求錨桿外露長度不超過50 mm，錨固力不小于100 kN，隨著切眼推進依次打設。錨索打設要求與錨桿相同，間排距為1200 mm×1200 mm。

（3）為提高過厚煤區時的頂板支護強度，避免頂板冒落，通過打設超前支護的錨桿、錨索加鋼帶連接，沿切眼傾向連接鋼帶，形成一個整體。由于過斷層期間以30 m 一個小循環回采，截割深度為600 mm 左右，因此，錨桿打設排距可控制在600 mm，推一排，打一排，當打設兩排錨桿后，推移1200 mm 可打設一排錨索，以此類推。通過錨桿、錨索對頂板的疊加加固，起到對下盤頂板的懸頂效果，按照此方法施工，直到切眼推移通過斷層影響的破碎帶區域[3-4]。超前支護效果如圖2。

圖2 超前支護效果示意圖

4 效果分析

（1）通過采取仰斜過斷層和超前支護措施后，工作面在回采期間未發生大面積的冒頂事故，未發生因溜煤、溜矸造成的人身傷害事故，有效確保了作業環境下的人身安全。

（2）通過過斷層期間對支架初撐力、工作阻力的持續觀測，所有數據真實有效，較正常回采期間的阻力測定減小約14%，但根據實際支護效果分析，仍能夠滿足對于頂板的支撐強度。

（3）過斷層期間所消耗的截齒數量比正常回采期間的消耗數量增加11 個，上浮17%，刮板、鏈條的更換次數比日常增加6 次，上浮12%，但比以往常規方法過斷層，整體成本可控。

（4）與其他工作面同等條件下過斷層相比，提高資源回收率，多回采煤炭資源4.8 萬t，增加企業收益926 萬余元。

5 結語

針對過斷層期間常見的自然條件和生產困難，結合30407 工作面的生產實際情況，以及斷層的產狀特征，進行技術創新和工藝流程改革，不僅提高煤炭資源的回收率，還在安全的條件下加快了進度，為企業增加了效益。同時，通過經驗總結和效果分析，對以后類似條件下的工作面回采提供了可借鑒的參考依據，具有實用的推廣價值。