综采工作面快速过断层回采工艺研究

吴光辉

（晋煤集团赵庄二号井，山西 长治 046000）

工作面回采过程中经常遇到断层等地质构造，特别是中小型断层对工作面掘进和回采造成不利影响，通常会导致设备损耗增大，煤炭资源回收率降低[1-4]。大部分工作面遇到断层时，通常会采用放炮措施强行通过，不利于设备管理和提高回采率，甚至容易发生片帮冒顶事故，影响工作面回采进度。针对近正交断层，采用旋转调斜回采工艺，通过调整回采位置，使工作面与断层平行，并调整综采设备角度集中通过断层，具有较好的应用效果。

1 工程概况

赵庄二号井可采煤层为3#、9#、15#煤层，目前回采煤层为3#煤层（位于下二叠统山西组底部），埋深约200 m，煤层厚度平均5.23 m。3#煤层顶底板主要由层理发育的泥岩、砂质泥岩、砂岩组成，地质条件简单。采用综合机械化一次采全高采煤工艺，采煤方法为走向长壁采煤法，全部垮落法管理顶板。

3211 工作面位于二盘区，走向长1155 m，倾向长219 m，平均煤厚5.5 m。煤层伪顶不发育，直接顶板为粉砂岩，厚度3 m；基本顶主要为细砂岩，厚度8.5 m。3211 工作面切眼向外460 m 处，在回风巷回13 点处揭露F4 逆断层，落差1.7 m，倾角48°。该断层为近正交断层，与切眼夹角18°。F4断层自回风巷向工作面延伸，影响倾向长56 m，顶板岩性主要为粉砂岩，硬度较大，破碎困难。

2 传统松动炮过断层工艺分析

2.1 松动炮强行通过断层回采方法

综采工作面遇到断层时往往采用放炮加采煤机强行回采通过的回采工艺，以F4 断层为例，通常方法如下：

（1）工作面揭露出完整的断层面后，在断层下盘煤层顶板上的采煤机割采范围内施工松动炮孔。孔深1.0 m，直径42 mm，炮孔方向与回采方向一致。共布置上下两排炮孔，上排炮孔距顶0.3 m，下排炮孔距上排炮孔1 m，钻孔水平间距为2 m。布置图如图1 所示。

（2）炮孔施工完毕后，向炮孔内装入乳化炸药，单孔药量为0.3 kg，水炮泥封孔，封孔长度0.5 m，利用一段电雷管引爆。

（3）断层下盘煤层顶板放炮完成后，采煤机直接进行截割，每刀割采深度0.5 m，两个循环后继续施工松动炮，直到工作面通过断层为止。

图1 3211 工作面F4 断层炮孔布置图

2.2 放炮过断层工艺缺点

（1）破岩较多，设备损耗严重。由于煤层顶板主要为粉砂岩，硬度较大，即便提前进行松动爆破，对采煤机损耗严重。之前工作面爆破过断层时，由于破岩量大，损坏一个滚筒，更换截齿60 余个，共造成损失80 余万元。

（2）工作面推进效率低。由于每两个循环需要进行松动爆破，施工炮孔数量按照40 个计算，则打孔和装药时间共计3 h，爆破时间为40 min，导致工作面每天回采进度不足3 m，回采效率低。

（3）降低回采率。工作面受F4 断层影响长度为65 m，经计算，通过放炮加采煤机强行回采会减少产量超过5000 t，损失超过200 万元。同时若将大量底煤留在采空区，会大大增加采空区瓦斯涌出量，增加上隅角瓦斯治理难度。

3 旋转调斜过断层回采工艺分析

3.1 旋转回采工艺

为了提高工作面过断层时的回采率，减少丢底煤和破岩量，同时缩短过断层时间，在工作面机尾回采至距F4 断层5 m 时，利用旋转回采法，调整工作面方向，使之与断层平行。

（1）3211 工作面刮板输送机最大弯曲角为1.5°，采煤机一个循环回采深度0.8 m，所以每割一刀煤，刮板输送机允许弯曲的最大长度为L=0.8/sin1.5°=30.7 m。工作面液压支架宽度为1.7 m，则允许弯曲范围内支架数为N=30.7/1.75=18 架，3211 工作面共有支架132 个，则旋转回采等分数为m=132/18=7。

（2）以工作面机尾132 架为首个支点，其后第二至第八支点依次为114 架、96 架、78 架、60 架、42 架、24 架和第4 架。

（3）进行旋转回采之前，首先将切眼调直，然后将采煤机移至114 架处，并向机尾侧进刀，采深0.8m。采煤机割煤至机尾后，空刀返至96 架处，然后将114～132 架间的刮板输送机前移，并移动支架。

（4）采煤机自96 架开始继续向机尾进刀，回采至机尾后仍然空刀返回78 架处，然后继续将96～132 架间的刮板输送机前移，并移动支架。依次类推，直到采煤机返回第4 架。期间共割煤7 刀，其中短刀6 刀，长刀1 刀，每刀0.8 m，则第一个旋转循环工作面共推进5.6 m。

（5）F4 断层与切眼夹角18°，则工作面机尾揭露断层后再回采17.6 m 即可全部揭露F4 断层，因此工作面仅需3 次旋转循环即可完成工作面旋转，保持与断层平行。

3.2 调斜回采工艺

在工作面完成旋转后即可全部揭露断层，工作面可整体通过断层。为了提高下盘回采率，同时减少下盘破岩量和丢煤，决定调整采煤机俯斜回采通过F4 断层。

（1）切眼从机头至机尾下行回采至距断层14 m时，开始调整采煤机角度，使其按-7°进行回采。如图2 所示。

（2）当采煤机俯采揭露断层下盘煤层底板时，调整采煤机角度进行水平回采。

（3）俯斜回采时，需留断层上盘顶煤，厚度0～1.7 m。根据以往回采经验，受回采动压影响，留煤难度较大，易造成顶板垮冒事故。基于此，进行注浆加固和撞楔支护对顶煤进行联合支护。俯斜回采时，对顶煤施工注浆钻孔，深度3 m，倾角-7°，间距2 m。并对钻孔进行高压注浆，浆液材料为聚氨酯粘合剂，注浆压力1.2 MPa。注浆后，在俯斜回采预计留顶煤处，利用长3 m、直径30 mm 的钢钎进行撞楔超前支护。钢钎间距0.5 m，排距2 m，相邻两排撞楔支护交错布置。

图2 3211 工作面俯斜法过断层示意图

4 效果

（1）针对F4 近正交断层，采用旋转调斜回采工艺，通过调整回采位置，使工作面与断层平行，调整综采设备角度集中通过断层，有利于设备管理和提高回采率，可减少破岩量和丢煤量。与放振动炮强行通过断层相比，本次3211 工作面在通过断层期间，共更换截割齿24 个，未损坏滚筒，节约材料费和维修费近50 万元。

（2）采用俯斜回采工艺，减少断层下盘破岩量约4000 m3，增加原煤产量5000 t，减少采空区丢煤。与传统方法相比，提高回采效率3.5 m/d，提前9 d 通过F4 断层。

（3）工作面过断层时，对上盘顶煤进行注浆加固，提高了顶煤胶结度，将煤体单轴抗压强度由17.6 MPa 提至55 MPa，避免了顶板垮冒事故的发生。撞楔超前支护保证了切眼支架的初撑力和工作阻力，有效提高了支护效果。