综采工作面穿层回采技术研究与实践

李海燕

（山西汾西宜兴煤业有限责任公司，山西 介休 032000）

宜兴煤业1206综采工作面开采2#煤层，由于煤层结构极不稳定，夹矸变化较大，加之断层构造的影响，材运两巷出现了错层段，该范围内材巷位于2#煤层上、中分层，运巷位于2#煤层中、下分层，工作面推进至错层段将面临穿层回采，本文结合国内类似条件工作面及本矿的开采经验，开展了综采工作面穿层回采技术的研究与实践，以期实现该工作面过错层段的安全生产。

1 工作面概况

1206工作面位于一采区，北部为1205工作面采空区，南部为2#实体煤，西部为一采区回风巷，东临井田边界保安煤柱。1206工作面所采煤层为二叠系山西组2#煤层，本工作面范围内2#煤层结构极不稳定，夹矸较多，最多时达到4层，厚度变化较大。煤类以1/3焦煤、肥煤为主，局部为焦煤；煤层倾角0～8°，平均5°，煤层总厚度1.05～2.36m，平均厚度1.8m，容重 1.35t/m3，普氏硬度f=1.0～1.5。1206工作面沿走向推进，倾斜长222.6m，采高2.9m，采用ZY6400/15/35型（中间架，144架）和ZZG8000/17/35型（端头架，机头5架、机尾4架）液压支架支护顶板。1206工作面巷道布置如图1所示。

图1 1206工作面巷道布置示意图

1.1 煤层顶底板岩性

1206工作面老顶为中砂岩，厚1.45m，呈深灰色，巨厚层状，中粒砂岩结构，泥质条带构造，以石英、长石为主，钙质胶结，棱角断口；直接顶为泥岩，厚2.55m，呈灰黑色，钙质胶结，棱角断口；伪顶为炭质页岩，厚0.62m，呈暗黑色，泥质胶结，层状结构，水平层理，性脆易碎；直接底为泥页岩，厚0.85m，呈灰黑色，泥质胶结，层状结构，性脆易碎；老底为中砂岩，厚4.0m，呈深灰色，以石英、长石为主，中粒砂质结构，块状构造。

工作面顶板节理、裂隙较发育，经钻孔取样力学实验抗压强度2.72-98.6MPa，平均为30.83MPa，抗拉强度0.21-5.00MPa，平均为 1.75MPa，抗剪强度0.24-10.92MPa，平均为4.24MPa，岩石坚硬程度属于半坚硬。属于中等冒落性的顶板，较易管理。底板节理、裂隙不发育，经钻孔取样力学实验抗压强度11.7-65.5MPa，平均为29.97MPa，抗拉强度0.21-1.87MPa，平均为1.41MPa，抗剪强度 1.50-9.32MPa，平均为 3.83MPa，岩石坚硬程度属于软弱岩。

图2 1206工作面柱状图

1.2 工作面错层段概况

1206工作面材、运两巷设计均为沿2#煤层顶板掘进，由于运巷在掘进过程中，当掘进1050m-1348m处时，此范围内3#夹矸迅速从0.13m增厚至1.6m，导致2#煤层中分层进入巷道底，掘进至1348m处时遇见YF3断层（此断层为走向10°、倾向280°、倾角60°、落差2.7m的正断层），巷道过此断层后把2#煤层上分层及1#、2#、3#夹矸留在巷道顶板上部，开始沿2#煤层中分层和下分层掘进。材巷掘进至1348m处时，为了和运巷煤层层位保持一致，巷道开始沿着2#煤层中分层和下分层掘进，但是由于此段3#夹矸厚度较小，离层现象较为严重，未完全将3#夹矸留在巷道顶部（局部3#夹矸留住），当掘进至1691m处时，3#夹矸才完全留在巷道顶部，之后直至切眼两巷层位一致。

因此，当1206工作面推进至1348～1691m段时，存在材、运两巷层位不一致的问题（此段材巷顶板为2#煤层顶板，运巷顶板为2#煤层的3#夹矸），在工作面推进过程中，会出现局部段穿层现象（在工作面剖面图上表现为类似断层的构造）。由于穿层段可能出现局部地点顶板破碎、煤壁片帮严重、空顶距大、严重处甚至会出现拉槽漏顶的现象，因此必须制定合理的方案保障工作面安全顺利地通过该错层段。1206工作面错层段层位情况如图3所示。

图3 1206工作面错层段平剖面示意图

2 方案对比

根据1206工作面错层段的开采地质条件，主要有绕巷法和硬过法两种通过方式。其中绕巷法为施工绕巷绕过该区域，该方法存在多个弊端：地质因素方面，该段走向长度达343m，很难准确预测此范围内工作面内部煤岩层赋存情况，因此难以确定合理的开掘绕巷位置；施工因素方面，若从运巷开口施工绕巷（沿2#煤层掘进，与材巷层位相同），工作面推进过程中存在割岩石较多及转载机拐弯等运输系统问题，若从材巷开口施工绕巷（沿2#煤层3#夹矸掘进，与运巷层位相同），根据材巷施工时的情况，该处2#煤上分层及3#夹矸厚度较小，容易发生离层，很难完全留到巷顶，难以保证绕巷与运巷处于统一层位，若从材巷开口，在工作面中部施工绕巷，则存在甩掉的工作面较长，丢煤较多的问题；在经济效益方面，施工绕巷以最小值40m计算，需掘进40m（6.5m×2.9m断面）+371m（3m×2.9m断面），掘进费用以每平米平均350元估算，共计约132万元，末采、搬家费用以70万元计。

相对于绕巷法，硬过法在实际施工中更加简单易行，可减少巷道掘进费用、提高工作面回采率、节约大量煤炭资源，经济效益显著。工作面采用硬过方案，可多回收原煤约3.2万t，折算成精煤为2.3万t，每吨精煤纯利润按300元计算，共计约690万元，维护穿层段需要的锚索、钢梁、棚板等支护材料及采煤机截尺、齿座等材料费用以70万元计。两种方案经济效益对比见表1。

3 工作面过错层段施工方案

表1 施工绕巷与硬过方案经济效益对比

工作面材运两巷错层段沿顺槽走向长度约343m，根据两巷煤层柱状图分析，3#夹矸厚度在工作面从机尾至机头方向逐渐增大（0.1m-5m），并沿工作面推进方向逐渐变薄，因此预测随着工作面向前推进，穿层段影响范围在工作面由机尾至机头逐步移动，直至工作面推进至运巷YF3断层处时消灭。根据掘进时经验，当3#夹矸厚度在0.8m左右，便可留在支架顶板。据此推测当工作面过错层段初期，在工作面115#-135#支架处穿层，穿层影响范围约30米左右。

3.1 穿层初期工作面调整

工作面从机头往机尾方向调整，沿2#煤中分层和下分层割煤逐步过渡到2#煤上分层和中分层。由2#煤中分层穿至上分层过程中，3#夹矸硬度较小，因此采取采煤机直接截割的方式通过。在整个穿层过程中，尽可能缩小穿层影响范围，控制好穿层段采高。

3.2 推进过程中工作面调整

工作面往前推进过程中，3#夹矸逐步变薄，穿层段影响范围逐步向工作面机头方向前移，直至工作面推进运巷YF3断层处时消灭。工作面推进时，穿层段位置应及时根据3#夹矸厚度进行调整。穿层过程中，要切实把握好穿层段的采高不超过2.5m（支架最大支撑高度3.5m），工作面从2#煤中分层和下分层逐步过渡到2#煤上分层和中分层时，挑顶、留底幅度每支架不超过100mm（穿层过程中可根据现场实际情况留设底煤）。整个穿层段要平稳过渡，不得出现台阶状。

3.3 工作面穿层工艺要求

1）根据工作面现场实际情况认真分析后选择合适的穿层位置，工作面穿层段层位调整应平稳过渡，尽量做到多割煤少割岩石，减少设备损耗，加快推进速度。

2）过穿层段时，煤机司机要严格掌握好采高（2.5m），确保采高在支架有效支护范围内，防止出现支架超高或支架压死、采煤机无法通过现象。严格控制采煤机过穿层段的速度（不超过2m/min），煤机通过后及时伸出前探梁，移架工追机移架，距离采煤机后滚筒不超过3架，煤壁片帮严重、端面距超过规定时必须带压超前移架。采煤机司机必须同移架工密切配合，移架速度跟不上采煤机速度时，要及时降低采煤机速度，必要时停机移架。

3）加强工作面工程质量管理，确保支架和刮板输送机平直，支架不挤架、不咬架。移架过程中要及时调整支架状况，如发生倒架、咬架和歪架现象，在移架过程中及时调整。

3.4 顶板破碎情况下应对措施

1）工作面推进过程中若出现局部地点顶板破碎、煤壁片帮严重、空顶距大的情况，必须及时提前带压移架，并保证支架接顶严实，防止出现拉槽漏顶。若提前移架后端面距仍过大时要及时用棚板做超前支护挑顶，必要时应掏超前梁窝进行超前护顶。

2）工作面穿层段顶板3#夹矸留顶困难时，可在支架顶梁梁头处架间，斜向上与3#夹矸呈75°角打一排超前锚索进行支护，采用300×300mm×14mm钢板配合Φ17.8×3500mm钢绞线，每根锚索配套MSK2355锚固剂一支、MSZ2355锚固剂一支（使用时快速药卷在上），间距1.5m，预紧力不得低于140kN，外漏长度严格控制在150～250mm。工作面穿层段及超前锚索施工见图4。

图4 1206工作面穿层段及超前锚索示意图

3）当穿层段顶板破碎严重、控制困难时，可根据具体情况考虑使用固安特对穿层段顶煤岩体进行注浆加固。

4 结 语

根据1206工作面材运两巷错层的地质条件和开采条件，经过方案对比后，采用穿层开采、直接推过的方式，通过采取科学合理的技术措施和现场管理办法，实现了错层段的安全回采，相比施工绕巷方案，节约工期约2个月，多回收原煤约3.2万t，取得了显著的经济效益。