仰斜回采技术在过断层时的应用实践

刘植宁

（山西高平科兴龙顶山煤业有限公司，山西 高平 048400）

断层是综采工作面常遇到的地质构造，断层侵入不仅破坏了煤岩体稳定性，而且使煤体在空间上产生位移，从而加大了工作面回采难度，降低了断层处煤层回采率。工作面传统主要采用采煤机强行过断层，该方法回采速度快，安全系数高，但是当断层落差大于2.0 m、断层处岩体强度大于35 MPa时，强行法过断层不仅回采率低、煤柱损失严重，而且设备故障率高，不利于综采工作面安全高效回采。本文以龙顶山9101 工作面过F6 断层为例，为保证工作面回采安全，提出了仰斜回采工艺[1-5]。

1 概况

山西高平科兴龙顶山煤业有限公司9101 综采工作面位于+901 m 水平9101 采区，东为运输大巷，其他方位均为实体煤。9101 工作面设计走向长度为2317 m，倾向长度为185 m，工作面回采煤层为9#煤层，平均厚度为1.6 m，平均倾角为48°。9#煤层位于太原组中部，上距3 号煤层平均距离为58.39 m，下距15 号煤层平均距离为37.75 m。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，少量为细砂岩、铝土泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩，少量为细砂岩、粉砂岩。9#煤层顶底板岩性见表1。

表1 9#煤层顶底板岩性汇总表

9101 工作面内地质构造单一，主要以断层构造为主。根据9101 运输、回风顺槽掘进揭露情况，工作面回采至917～980 m 范围内预计揭露F6 逆断层，F6 断层影响工作面回采长度达60 m，对工作面影响较大。

2 工作面过断层问题分析

9101 工作面采用综合机械化回采工艺，沿9#煤层底板进行回采，回采高度为3.0 m，截至2020年2 月7 日9101 工作面已回采至935 m。工作面回采至920 m 处在56#～80#支架前方揭露F6 正断层，断层从头部向尾部逐渐揭露，断层落差为1.7 m，倾角为48°。工作面头部方向为断层上盘，尾部为断层下盘，断层下盘处煤体出现上飘现象，如图1。

图1 9101 工作面过F6 断层仰斜回采剖面示意图

9101 工作面在揭露断层后，原计划采用强行破岩的方法进行回采，即工作面回采揭露断层后，断层上盘煤体正常回采，过断层下盘时采用采煤机强行破岩，直至工作面完全过断层带。但是通过实际回采情况来看，采用强行破岩主要存在以下几方面技术难题：

（1）工作面回采效率低。工作面在过F6 断层时，由于岩体硬度大、围岩破碎严重，导致工作面过断层期间回采难度大、回采效率低、移架难度大、围岩控制效果差。通过现场观察发现，工作面采用强行破岩过F6 断层时，每天回采量不足4.0 m。

（2）设备故障率高。由于F6 断层上盘煤岩体出现上飘，采用强行法过断层时，采煤机破岩厚度达3.0 m，岩体主要以白砂岩为主，局部为炭质泥岩，岩体岩石普氏系数f ＞4.0，岩体硬度大，采用采煤机破岩时，破岩量大，破岩效率低，采煤机截齿、截割部损坏严重。根据综二队统计发现，工作面在揭露断层前15 m 回采过程中，共计更换采煤机截齿76 个，截割电机烧毁一套，造成设备维修费用达21.8 万元。

（3）煤柱损失严重。由于受F6 断层影响，断层下盘煤体上飘至顶板，工作面采用强行破岩过断层时，下盘煤体随顶板垮落遗留至采空区内，导致工作面回采煤柱损失严重。通过计算，采用强行回采时工作面煤柱损失量达1.2 万t，同时大量煤柱遗留至采空区后，很容易造成采空区煤层自燃现象，不利于采空区安全管理。

3 仰斜回采工艺应用

3.1 仰斜回采方案

为了解决强行破岩法过断层存在的技术难题，决定对9101 工作面原回采工艺进行优化，提出了仰斜回采工艺。

（1）9101 工作面回采至935 m 处时，及时调整工作面伪斜，头尾伪斜度不大于5°，将工作面液压支架移架到位，确保端面距在0.5 m 以下，同时将采煤机移至1#支架前方。

（2）9101 工作面伪斜调整完成后，采煤机从10#支架斜切进刀并往返隔1#～10#支架前方三角煤柱，在10#～52#之间煤柱采用正常割煤工序，单刀割煤深度为0.5 m。

（3）采煤机割煤至52#支架时调整采煤机角度，采用上山仰斜回采，仰斜角度为6°，采煤机在断层上盘仰斜回采时留底煤破顶岩，仰斜回采期间确保底板平整。

（4）工作面仰斜回采至65#支架时，工作面回采至F6 断层上盘，且完全揭露上盘煤体，此时再次调整采煤机割煤角度进行近水平回采，以此类推直至工作面完全过断层带。仰斜回采期间，应对仰斜处顶板加强支护。

3.2 仰斜顶板支护技术

为了防止仰斜期间断层两盘附近岩体受构造应力及回采应力作用出现顶板破碎、煤壁片帮，决定对仰斜顶板采取联合支护。

3.2.1 注浆加固

（1）工作面仰斜回采期间，采用注浆加固法。钻孔施工在52#～65#支架前方煤壁，钻孔深8.0 m，钻孔布置间距为5.0 m，直径为45 mm，仰角为20°，钻孔开口位置距设计顶板间距为1.5 m。

（2）为了提高注浆效果，注浆钻孔施工完后，对钻孔内安装注浆花管。注浆花管主要由PVC 管制成，花管直径为40 mm，花管四周均匀布置直径为5 mm 注浆射孔，每节花管长度为1.5 m，每个钻孔内安装5 根花管，花管之间采用丝扣连接。

（3）注浆花管安装孔内埋入一根Φ20 mm 注浆软管，在孔口处安装止浆塞，然后将注浆软管与注浆泵连接进行注浆。注浆液采用马丽散与催化剂配比为1:1 的混合注浆材料，注浆压力为2.0 MPa。

3.2.2 超前管棚支护

（1）为了对工作面顶板超前支护，工作面仰斜回采期间，对顶板采取超前管棚支护，主要为加长玻璃钢锚杆，锚杆长度为3.0 m，直径为32 mm。

（2）首先采用手持式钻机在仰斜顶板处施工一排超前管棚支护孔，孔间距为0.5 m，钻孔深度为3.0 m，钻孔垂直煤壁布置。钻孔施工完后，对钻孔内安装超前管棚支护。

（3）在超前支护外露端安装一根托架并采用锚索将其与顶板固定，如图2 所示。超前管棚支护施工后，工作面在仰斜回采时液压支架顶梁紧贴支护体，采用带压擦顶移架，当工作面回采2.5 m 后施工第二排超前管棚支护，以此类推，直至工作面完全过断层带。

图2 9101 工作面顶板超前管棚支护平面示意图

3.3 实际应用效果分析

截至2020 年2 月21 日，9101 工作面已回采至987 m，已完全过F6 断层影响区域。对工作面采取仰斜回采工艺后，通过与传统强行破岩法相比，仰斜回采工艺可减少破岩量达2100 m3，提高断层区煤柱回采量达1.2 万t，工作面回采期间共计更换截齿11 个，未出现采煤机电机烧毁、截割部损坏现象，降低设备维修费用达20 余万元。

对仰斜工作面采取联合支护技术后，工作面在后期回采过程中未出现顶板破碎、煤壁片帮现象，液压支架在仰斜回采区支撑力及工作阻力达设计值的92%以上。

4 结论

（1）与传统强行破岩法相比，仰斜回采工艺降低了工作面破岩量，提高了煤柱回采量，降低了工作面机械设备故障率。

（2）对顶板采取注浆加固技术后，提高了断层区煤岩体胶结稳定性及抗压强度，避免出现煤壁片帮、顶板破碎现象；对工作面施工超前管棚支护，实现了应力区顶板超前支护作用，防止了回采期间出现顶板冒落，保证了液压支架工作阻力及初撑力，提高了支架支护效果。