綜采工作面安全高效過斷層技術研究與應用

摘要：針對某礦1077綜采工作面推進過程中揭示的斷層問題，基于現場地質情況與裝備條件，提出采用深孔預裂爆破弱化堅硬頂板、超前加強支護減小巷道變形、注漿固化煤頂等方法，加強裝備、技術和組織保障能力。實踐結果表明：1077綜采工作面在采用聯合過斷層技術方案后礦壓顯現程度大幅降低，液壓支架工作阻力減少2.3MPa，過DF124和NDF137斷層時推進速度達到3m/d和5m/d，實現了安全高效過斷層，為礦井類似情況提供了參考。

關鍵詞：綜采工作面；過斷層技術；安全高效

中圖分類號：TD353文獻標識碼：B

斷層是我國井工煤礦回采時常見的一種地質構造［1］，在采動應力的作用下斷層活化，嚴重制約工作面的正常生產，甚至影響井下人員的生命安全。［2］工作面過斷層時，由于斷層影響范圍內煤巖破碎、圍巖承載能力差以及構造應力發育，容易引起采面架前或架間漏矸、漏頂［3］煤壁片幫、頂板垮落等。此外，由于頂底板不平整，斷層帶巖層的不均勻分布，工作面過斷層時支架的實際支護性能出現一定程度的降低，導致巷道變形嚴重。［4］為此以安徽某礦1077工作面為工程背景，針對斷層帶堅硬頂板、煤巖破碎和支架性能下降問題提出采用深孔預裂爆破的過斷層方法，輔以多種圍巖控制方案，以期提高煤炭生產效率和安全保障能力。

1工程背景

某礦1077工作面回采二疊系下統山西組10煤層，上距鋁質泥巖約61.5m，下距太原組一灰頂界約64.1m。地層沉積穩定，煤層原生結構簡單，煤層傾角1°～17°，平均6°，煤層厚度0.4～9.7m，平均3.3m。工作面走向長度2325m，傾向長度230～200m，埋深-442.5～-561.8m，對應地面標高25.3～27.7m。工作面頂板以灰色細砂巖為主，局部漸變成泥巖，底板以深灰色粉砂巖為主，局部含有少量泥巖。工作面煤層頂底板巖性見下表。

1077綜采工作面回采范圍內將揭露斷層41條，其中31條會對回采產生影響，8條對回采影響較大。斷層DF124沿走向方向延展453m，沿傾向方向貫穿整個工作面，1077風巷、機巷實揭斷層落差分別為6.0m、8.3m，工作面內實揭最大落差為13m，巖石段影響范圍最大為70架。斷層附近煤層頂板巖性以中粒砂巖為主，中粒砂巖厚度最大達到7m。當前1077智能化綜采工作面正在過逆斷層NDF137，該斷層走向延展270m，傾向延展范圍15～70m，斷層附近煤層頂板巖性以細砂巖為主，預計該斷層破巖影響范圍最大為50架，DF124斷層和NDF137斷層平面圖如圖1所示。

21077工作面過斷層技術方案

2.1深孔預裂爆破方案

根據斷層頂底板特性和工作面礦壓顯現程度確定過斷層的方法，DF124斷層最大落差達到13m，遠遠超過工作面采高，采用直接破巖方式采煤機需破下盤頂板中粒砂巖，截齒磨損嚴重，電機負載巨大；重新布置切眼方法工藝復雜，制約工作面的高效生產；而挑頂切底方法同樣對設備損耗嚴重，頂板控制難度增加。因此提出采用深孔預裂爆破技術通過斷層的方案。

深孔預裂爆破技術通過采用人工爆破的方式破壞堅硬頂板的完整性，增加巖體中的裂隙和節理，降低礦山壓力的顯現程度，同時降低采煤機破巖損耗，在錢營孜煤礦［5］、臨渙煤礦［6］等地的使用取得了優異效果。1077工作面過斷層DF124前，聯合中國礦業大學實施深孔預裂爆破工程，對煤機截割軌跡范圍內的巖石進行預裂爆破，如圖2所示。在1077風巷施工深孔預裂鉆孔13個，1077機巷施工21個鉆孔，鉆孔直徑均為94mm。

深孔預裂爆破工藝流程及注意事項主要包括：

（1）鉆孔施工。嚴格按照設計規定的位置和傾角進行施工，及時對不符合規定的鉆孔進行補鉆，清除炮孔內煤渣或巖渣。

（2）炸藥安裝。使用L公司生產的筒裝炸藥，采用煤礦許用導爆索連續串聯裝藥結構。

（3）導爆索敷設。嚴禁大力推送和拉扯導線，藥卷尾部應增加防退裝置。

（4）注漿封孔。封孔炮泥必須搗實、封滿，封孔長度不得少于鉆孔長度的1/4。

（5）安裝雷管。為確保安全，雷管腳線應當進行扭結以形成短路。雷管腳線與腳線、腳線與放炮母線的連接必須采用絕緣膠布進行固定。

（6）二次封孔。確保銅芯導線在使用過程中不受破壞，不能被帶入炮孔中而導致卷曲。

（7）聯線起爆。起爆時工作人員必須撤離到距爆破地點200m以上位置，且與爆破地點不在同一巷道。出現殘爆、拒爆時必須制定專項措施處理。深孔預裂爆破炮孔裝藥結構如圖3所示。

2.2巷道圍巖控制方案

斷層帶影響范圍內，圍巖節理裂隙發育，承載能力較低，在采動應力的影響下，圍巖應力異常，常規的對稱支護無法形成均勻的承載結構，難以適應巷道近斷層側的復雜應力環境，進一步加劇圍巖非對稱變形的程度［7］。因此必須采用非對稱支護的方式超前對該段巷道進行加強支護，機巷超前加強支護斷面示意圖見圖4。在機巷頂板沿走向方向施工3排錨索和鋼帶，中間兩排錨索垂直頂板，錨索規格為Φ22mm×L10000mm；肩窩處的錨索與頂板成45°夾角，錨索規格為Φ22mm×L6300mm，錨索間排距1500mm×1000mm。在機巷下幫沿走向方向施工3排錨索和鋼帶，下面兩排錨索垂直巷幫，錨索規格為Φ22mm×L3150mm；上肩窩處錨索與巷幫成45°夾角，錨索規格為Φ22mm×L6300mm，錨索間排距1500mm×1000mm。

2.3固化煤頂方案

1077風巷逆斷層DF124實揭地段煤層厚度最厚達到7.1m，走向影響35m，斷層帶范圍內煤較為破碎，采煤機割煤后上覆破碎煤冒落，造成頂煤漏、冒問題，存在片幫、掉頂風險，超前實施“骨架孔+注馬麗散”煤頂固化工程，能夠有效杜絕頂板漏、冒引起的瓦斯和頂板事故。骨架孔施工地點為風巷下幫上肩窩處，間距200mm，用長10m、直徑為25mm的鋼管作骨架，骨架孔施工結束后，注馬麗散漿液。一方面，馬麗散因其速凝膠結的特性，充入煤巖體裂隙中后快速對破碎煤巖進行膠結，提高內聚力和內摩擦角；另一方面，漿液遇水膨脹，形成具有承載能力的結構體，進一步提高對煤巖體的加固作用［8］。

3實施效果

對工作面液壓支架進行監測，繪制各支架工作阻力隨回采時間變化圖如圖5所示。從圖中可以看出，在采取措施之前，斷層附近應力集中，液壓支架工作阻力較高，其最大工作阻力可達到44.2MPa。采用深孔預裂爆破+超前加強支護+注漿加固頂煤聯合過斷層方案后，周期來壓程度降低，工作面液壓支架最大工作阻力降為36.4MPa，來壓持續時間減少為16h，頂板來壓程度得到有效控制。

選取25#、50#、75#、100#和125#液壓支架，分析在不同傾向距離上采取措施后的礦壓控制效果，如圖6所示。自2022年10月1日至2023年3月1日，工作面液壓支架工作阻力呈現“凹”形變化趨勢。采取措施前工作面液壓支架平均工作阻力為30.3MPa，采取措施后平均工作阻力降低為28.0MPa，工作面通過斷層DF124后，受其他地質條件影響液壓支架平均工作阻力上升至29.2MPa。

通過采用深孔預裂爆破+超前加強支護+注漿固化煤頂的聯合過斷層方案，1077綜采工作面實現安全高效過斷層，平均回采進度達到3m/d，其中2022年12月份月度回采進度達到123m，2022年累計生產有效煤量186萬噸。借鑒過斷層DF124的經驗，當前1077綜采工作面采用相

同技術方案過斷層NDF137（H=0～14m），回采進度達到5m/d。

結語

通過對1077工作面過DF124斷層問題提出采用深孔預裂爆破、超前加強支護和固化煤頂的技術方案，并應用到NDF137斷層，減小采煤機破巖難度，降低巷道圍巖變形，杜絕頂板事故，為綜采工作面過斷層問題積累寶貴經驗，保證工作面安全快速地推進。

參考文獻：

［1］路李兵.采煤工作面過地質構造超前加固技術研究［J］.煤，2022，31（06）：6870.

［2］裴艷龍.綜采工作面過斷層頂板控制技術研究與應用［J］.機械管理開發，2023，38（10）：279280+283.

［3］藺劍.綜采工作面過斷層漏頂控制技術研究［J］.煤，2023，32（12）：6465+87.

［4］張云天.綜采工作面過斷層架前漏頂技術研究［J］.煤炭科技，2022，43（02）：2630.

［5］陳向前.深孔預裂爆破在綜采工作面過斷層中的應用［J］.能源技術與管理，2022，47（01）：5253.

［6］楊宇.綜采工作面斜穿性大斷層構造深孔多向聚能爆破預裂技術研究［D］.徐州：中國礦業大學，2023.

［7］郭永紅，婁杰，閆帥，等.近斷層巷道非對稱大變形機理及控制技術研究［J］.煤炭工程，2023，55（11）：5663.

［8］王政.中興煤業綜采工作面馬麗散注漿加固技術應用研究［J］.山西冶金，2023，46（06）：229231.

作者簡介：劉靜波（1987—），男，遼寧彰武人，本科，工程師，研究方向：采掘生產技術管理。