回采工作面斷層構造區域頂板控制技術研究及應用

姜海峰 董 登

（兗礦能源集團股份有限公司興隆莊煤礦，山東 濟寧 272000）

1 工程概況

興隆莊煤礦10309 工作面內斷層構造發育，其中軌道順槽揭露的10308YF1 斷層對工作面影響程度大，范圍廣，見表1。斷層落差4.1 m，向工作面內延伸63.2 m，與工作面夾角約30°。受該斷層構造影響，工作面回采期間頂板破碎、大面積冒落，冒落導致部分液壓支架不接頂、歪架、倒架，工作面液壓支架無法對頂板有效支撐，工作面推進困難。

表1 10308YF1 斷層產狀表

2 斷層構造影響分析

工作面直接頂節理發育，完整性差，正常回采期間隨采隨冒，部分液壓支架工作狀態差的區域，會給工作面頂板管理、煤質管理造成一定困難，但由于其冒落的及時性，有利于縮短周期來壓步距，降低周期來壓強度[1]。基本頂厚度大，膠結性好，極限跨距大[2]，導致工作面回采期間周期來壓步距大、來壓強度大。正常回采期間通過控制支架工作阻力，提前拉移超前支架，控制好直接頂，不會造成大面積冒頂；但臨近斷層構造區域，受斷層構造切割及斷層構造滑移擠壓，直接頂、基本頂完整性遭到破壞，斷層構造應力的釋放[3]，進一步加劇直接頂及基本頂的破壞。直接頂及基本頂在工作面煤壁前方發生斷裂破壞，當工作面煤壁被截割后，直接頂及基本頂失去有效支撐[4]，緊跟煤機滾筒垮落，積聚的構造應力得到有效釋放空間[5]，使得超前煤壁破碎冒落，導致液壓支架無法對頂板進行有效支撐，基本頂及上覆巖層在無下覆煤巖及液壓支架的有效支撐情況下，達到極限跨距，會大面積冒落，其冒落產生的勢能沖擊作用于液壓支架。由于液壓支架頂梁以上已漏冒，導致液壓支架頂梁懸空無著力點，上覆巖層冒落產生的沖擊導致液壓支架歪架、倒架，大面積的支架倒架歪架，使得液壓支架的支撐功能完全失效，最終陷入頂板破碎→支護失效→頂板破碎加劇的惡性循環。

3 基于現狀分析的針對性措施

3.1 優化回采工藝

3.1.1 合理調采

斷層與回采工作面夾角越小，單個回采循環揭露的斷層面積越大，越不利于頂板管理。理想狀態為斷層與工作面垂直，斷層影響區域僅為斷層面兩側有限區域，現實中基本不存在此種情況。增大斷層與工作面傾角，減小單個循環揭露斷層面積，是過斷層期間控制頂板的有效措施。10308YF1 斷層與工作面夾角30°，按照正常推采循環，一個回采循環揭露斷層面長度約1.6 m，超過單個支架頂梁寬度，受斷層影響的區域面積更大。因此，在工作面推進至距斷層構造20 m 前進行調采，將原本與兩順槽垂直的工作面拉斜，按照溜頭與溜尾2:1 的方式進行回采，即一個采煤循環，運輸順槽側進1.6 m，軌道順槽側進0.8 m。考慮到設備自重會導致刮板輸送機滑移，四個調采循環后，進行一個正規循環。按照此截割方式至斷層處，運輸順槽側超前軌道順槽側12.8 m，單個生產循環揭露斷層面長度約為1.1 m，小于單個液壓支架頂梁寬度，最大程度降低單個回采循環揭露斷層構造影響區域。

3.1.2 合理截割傾角

10308YF1 斷層為正斷層，上盤下降，按照煤層賦存傾角進行截割，由斷層上盤進入斷層下盤時會截割大量底板，給設備極大損害，截割巖石時采煤機的震動會增大煤機截割對頂板的擾動。為最大程度減少割底量，需在臨近斷層構造前增大采煤機截割傾角，但如傾角過大，進入斷層上盤區域時，采煤機前滾筒截割線距頂板距離小，對頂板擾動影響大，不利于頂板管理。充分考慮以上原因后，確定工作面進入斷層面前5 m 處，開始以6°的傾角提刀，保證進入斷層面時，斷層下盤最大割底量不超過2 m，出斷層面時上盤最大留底煤量控制在1.1 m，斷層上盤留底煤區域約為18 m，斷層下盤割底區域約為30 m。如圖1。

圖1 工作面進入斷層面煤機提刀示意圖

3.1.3 合理采高

拖頂煤降采高，以頂煤托直接頂，煤機滾筒上覆頂煤，形成緩沖層，減小采煤機截割對上覆巖層的擾動。工作面在距離斷層構造17 m 處開始降采高，為防止突然降采高形成臺階狀頂煤，影響液壓支架支護效果，以每個采煤循環降低0.05 m，15 個采煤循環，在距斷層構造5 m 處，工作面整體采高降低0.75 m，斷層揭露范圍采高控制在2.7～3.2 m。

3.2 頂板破碎區域的頂板管理

3.2.1 破碎矸石的圍堵

破碎頂板沿工作面液壓支架頂梁至煤壁間的間隙涌至工作面刮板輸送機內，為防止工作面設備負荷過大，需將破碎巖石及時運出，隨著破碎巖體的不斷運出，圍巖破碎半徑不斷向深部發育，頂板冒落加劇，同時破碎巖體的不斷涌出會對頂板維護人員造成傷害。對破碎頂板造成的冒落矸石的有效圍堵，使得破碎巖體形成相對完整體，不僅能對上覆巖層進行多處點支撐，而且對于回采工作面設備維護工人身安全的保證有著至關重要的作用。10308YF1 斷層于52#架揭露，以2 個液壓支架/個循環的速度向溜尾方向延伸，揭露斷層面后，斷層上盤部分頂煤較薄，出現片幫、漏頂。為防止漏頂加劇，提前在48#架支架頂梁上金屬網，金屬網隨斷層揭露向溜尾方向延展，始終保證金屬網覆蓋斷層面及其前后4 個支架范圍。在頂板冒落時，金屬網對冒落的巖石進行有效攔截，達到堵漏的目的。施工金屬網時降下支架前梁，將綁有木板的金屬網鋪到支架前探梁上，然后再升緊支架前探梁，使網生根。當頂板破碎，支架不允許降前探梁時，將單體支柱支在木板兩端頭，協助支架吃網。吃網后隨工作面拉移支架，開始按正常工序聯網。頂板破碎架前、架間漏矸區域敷設雙層金屬網。施工金屬網時，走向對接，傾向搭接，搭接長度0.3 m 以上；敷設雙層金屬網時，雙網魚鱗狀搭接，扣扣相連，每扣至少擰三圈。如圖2。

圖2 斷層區域施工金屬網示意圖

3.2.2 頂板破碎區域追頂支護

受斷層構造影響，煤壁片幫、空頂面積增大，液壓支架無法對頂梁前方頂板進行有效支撐，加劇了頂板破碎、冒落。因此，對因煤壁片幫而失去支撐的頂板進行有效支護，是防治頂板冒落的有效措施。一是充分發揮液壓支架的支撐作用，頂板破碎處緊跟采煤機前部滾筒截割拉移支架。破碎區掉落浮煤矸較多，支架拉移受阻，則在超前支架拉移前將架前浮煤矸清理干凈，采用液壓單體輔助推頂的方式一次性將支架拉移到位，最大限度減少支架反復升降對頂板的影響。頂板冒落處或支架高度不足處，拉移支架時支架前梁下支設液壓單體，防止降架時頂板隨之冒落或下沉，造成支架高度低難以過機。二是煤壁片幫頂板破碎區域，通過在支架頂梁穿工字鋼，利用工字鋼的延伸，縮短支架頂梁前端與煤壁之間的空頂面積。工字鋼沿工作面走向布置，每個液壓支架頂梁布置兩根3.5 m 工字鋼。拉移支架時，降架后先抽工字鋼，待工字鋼前端接觸至煤壁后，升架接頂。在支架前探梁與煤壁之間形成以工字鋼支撐、金屬網護表的聯合支護。

4 應用效果分析

10309 工作面軌道順槽掘進期間，受斷層構造影響，頂板完整性差，出現巷道冒落，支護困難，給巷道安全快速掘進造成極大困難。通過合理調采，單個采煤循環揭露斷層區域變小，頂板維護難度降低；在斷層影響區域兩側支架施工金屬網及工字鋼，使得斷層影響區域頂板得到有效支護，可最大程度減小空頂面積，杜絕因空頂導致頂板漏冒；控制截割傾角及采高，托頂煤截割，形成頂煤緩沖區域，降低煤機運行對頂板的擾動，通過拉移超前支架，托住頂煤，能以頂煤對頂板進行有效支撐。以上措施根本在于減小空頂面積，縮短空頂時間，增大支護強度，降低擾動影響，解決了斷層構造導致的頂板管控難題。

5 結論

通過合理調采、控制采高、追頂支護等措施，使得斷層構造影響區域頂板得到有效控制，工作面安全通過斷層構造影響區域，未出現大面積漏頂、冒頂。