挖金湾矿小煤柱工作面过5m大断层开采技术研究

张晓东

（大同煤矿集团有限责任公司挖金湾煤业有限公司，山西 大同 037042）

1 工程概况

挖金湾矿山4#煤层一盘区8105小煤柱工作面东部为8103工作面采空区，该工作面走向长度为1527m，倾斜长度为226.8m，煤层厚度1.47～3.90m,平均3.24m，煤层倾角为3°，属近水平煤层，煤层顶底板岩性如表1所示。工作面采用综合机械化开采方法，MG800/2000-WD型采煤机割煤，ZZ13000/25/50型、ZZ13000/25/50H型(过渡架，工作面头部3架尾部4架)、ZTZ1000/23/42型（端头支架，工作面头部1架）支撑掩护式液压支架支护，全部垮落法管理顶板。工作面头部从1321m开始揭露5m大断层、1330m处出断，尾部从1379m开始揭露、1390m处出断，5m大断层特性如图1。

表1 顶底板岩性

图1 断层特性图

2 8105小煤柱工作面过5m断层技术工艺

2.1 回采巷道顶板管理

1）2105巷联合支护技术[1]的应用：密切观察顺槽断层范围内及前后20m顶板压力变化情况，禁止回收巷道原有支护材料。过断前在里程1316m～1340m断层揭露处的顶板破碎区域采用施工悬吊钢梁、打井字型木垛、充填罗克休、喷浆等联合支护技术构建人工顶板[2-3]，联合支护参数及布置示意图如图2。

图2 联合支护参数及布置示意图

施工工艺：打设工作平台（脚手架和φ50mm×6m钢管架打设长×宽×高为6m×5m×3m的平台）→打锚索→安装钢梁（工字钢垂直巷道走向布置，用70×70×10mm钢垫片固定工字钢）→拉杆稳固钢梁（拉杆规格为φ18×1200mm双头螺纹杆）→铺钢筋网（钢筋网搭接间距≥200mm，并用14#铅丝与钢梁绑扎）→铺设井字型木垛→喷浆。

技术要求：采用联合支护技术后巷道断面不得小于原设计断面（5300mm×3500mm），且要保证巷道平缓不得有阻碍风流的地方，同时钢绞线锁具外外露长度为250mm。

2）5105巷顶板管理：密切观察顺槽断层范围内及前后20m顶板压力变化情况，若巷道顶板出现缝隙等压力显现情况时，在距离煤柱侧巷帮2.0m处增加一排支护。同时在1370m～1410m处补打锚索组，锚索组三花布置，组合锚索规格为φ17.8×8000mm（7000mm、6000mm）各一根，排距2000mm，间距3200mm，组合锚索布置示意图如图3。

图3 组合锚索布置示意图

3）调节机道宽度[4]：过断期间，45#～56#支架处受断层影响，顶板破碎程度较高，为较好地维护顶板确保安全生产，将45#～56#支架外侧机道宽度缩减至2.0m，追机带压移架，从而缩短空顶时间和空顶面积，并且现场配备网径为50mm×50mm的菱形金属网（各金属网搭接长度为200mm），确保安全过断。

2.2 割煤工艺的调整和预裂孔技术的应用

1）工作面伪斜调整[5]：为了缩短断层在工作面推进时的暴露长度，减小煤机割矸量，并结合工作面设备技术性能及工作面实际情况，在工作面头部遇断开始按头尾3:1进行推进，当头尾错差15m时工作面正常推进，使断层面与工作面的交角约为19°，断层在工作面揭露6～18个支架，效果较明显。过断后按头尾1:5调整工作面，直至头尾平齐。

2）仰斜过断[6]强行割矸：结合顶底板岩性、断层特性和巷道实际情况，1330m～1390m巷道需爬坡，为保证工程质量及时安全顺利通过断层，结合刮板输送机垂直方向上弯曲度的允许范围（±3°），要求工作面从头向尾与两顺槽平缓过度。具体为工作面头部先挑顶扶底，中部尾部平缓过渡，当断层揭露在靠近尾部40个支架时，尾部挑顶扶底直至出断。整体为工作面每刀挑顶60～100mm、抬底100mm，抬两刀平割一刀，然后再抬两刀平割一刀，经25个循环（75刀）工作面推进至1390m共抬底5m，爬坡约为5°，仰斜过断期间始终保证工作面采高在3.4～3.5m范围内，以此达到最佳工程质量，仰斜过断层示意图如图4。

图4 8105工作面仰斜过断层示意图

3）割煤方式的调整：工作面内断层揭露的上盘岩层为白色细粒砂岩，下盘岩层为砂质泥岩（深灰色泥岩），上盘白色细粒砂岩只在工作面尾部(108#～132#架)范围内厚度达到1.4m～2.6m，下盘白色细粒砂岩只在79#～98#支架范围内存在厚度达0.8m～1.6m。除此之外，工作面揭露白色细粒砂岩均在0～0.6m。下盘较松软（f<4），可直接截割，为了降低岩石粒度，提高开机率，双向割煤调整为单向割煤、减小截割深度、随机带压移架[7]，及上行挑顶，下行割底（清浮煤），采煤机日均更换截齿率10.7%，较放炮松动岩石节约成本效果显著，同时有利于保证工作面工程质量和设备性能。

4）预裂孔松动技术的应用：工作面推进至白色细粒砂岩暴露厚度达1.4m以上时，运用预裂孔技术破碎岩层。预裂孔松动技术属该矿首次采用，综合考虑割煤工艺、岩层岩性等制定两套预裂孔技术参数，在白色细粒砂岩处预裂孔孔深为2.4m，泥质砂岩处孔深为1.6m，孔径均为φ42，预裂孔布置示意图如图5。

图5 预裂孔布置示意图

方案一：白色细粒砂岩揭露厚度在0.6～0.8m时，布置一排孔间距为0.5m的单排预裂孔；揭露厚度在0.8～1.4m时，预裂孔采用三花布置，孔间距0.5m；揭露厚度在1.4～2.6m时，预裂孔采用五花布置，顶底孔间距为1m,竖直方向上顶角孔上倾角约20°，底角孔下倾约10°，中间孔垂直钻进。泥岩处和裂纹处均布置间距为0.8m单排预裂孔。

方案二：白色细粒砂岩揭露厚度在0.6～0.8m时，将孔间距缩小为0.3m布置单排预裂孔；揭露厚度在0.8～1.4m时，孔间距缩小为0.35m；揭露厚度在1.4～2.6m时，顶底孔间距缩小为0.7m，在岩石整体性良好的地方将顶底孔间距缩小为0.6m，并适当的增加底孔与薄弱面间距100mm，减小顶孔与顶板间距15mm。

通过在现场应用预裂孔技术，观察得到方案二较方案一大块率降低74.3%，日均采煤机更换截齿率降低42%，方案二较传统松动爆破打孔率平均增加73.2%，人工成本同比增加，但爆破材料使用量降为0，考虑对设备性能影响、人员安全等因素综合比较预裂孔有显著优势。

3 工作面回采巷道矿压规律显现

断层影响范围内的回采巷道在工作面超前支撑压力的作用下将发生较大变形通过对回采巷道围岩的观察，来判断工作面过断层开采的安全性，由观察结果可知，8105工作面支撑压力影响范围约为0～33.8m，显著影响区域为8.8m～20.8m。过断期间，随着工作面的推进2105巷顶底板最大移近量约为383～568mm，两帮最大移近量约为108.3mm；5105巷底板鼓起量约为823mm（顶板已采用联合支护技术），两帮最大移近量为285mm。由此可见，5m断层对工作面回采影响较大，在断层附近采取的安全措施起到了很好的效果，同时还需延长2105巷断层影响区域巷道顶板支护，加强5105巷顶底板和两帮的管理。

4 经济效益分析

1）8105小煤柱工作面过5m断层采取的联合支护技术、割煤工艺的调整和预裂孔松动技术均起到了很好的效果，过断期间也发现了一定的不足之处，为此后我矿及周边延伸矿提供了一定的技术支撑和优化方向。

2）过断后，该矿可多回采177m，过断期间洗耗按50%计算，正常推进按40%计算，可多回采精煤约11万吨，除去材料损耗、人工成本经济效益增加约3千多万元。

5 结语

此套过断层技术工艺融合了联合支护技术、工作面伪斜调整、割煤方式调整、预裂孔松动技术安全通过了断层，降低了过断成本的投入，更大限度地提高了煤炭资源回收率，创造了显著的经济效益，同时也为搬家倒面节省了时间，确保了回采接续，同时总结了丰富小煤柱工作面过断经验，为类似工程提供了有力的技术支持和可以借鉴的实际案例。