30407 综采工作面过断层回采工艺研究

王 波

（山西沁和能源集团有限公司南凹寺煤业有限公司，山西 晋城 048000）

综采工作面在回采期间遇到断层、褶曲等构造区域时，往往会伴随顶底板坡度起伏、顶板岩层破碎、煤厚急剧变化、煤岩体结构不稳定等现象，不仅严重影响工作面的正常回采推进度，还对生产安全造成影响，在支护不到位的情况下会造成空顶片帮导致拉架困难。断层附近的地应力较为集中，煤岩层存在层位错差，受到挤压影响，回采到附近时可能导致瓦斯压力释放，存在诱导突出的风险。构造区附近的裂隙较发育，往往可能与顶底板含水层存在导通联系，回采到附近时，在地应力作用下诱导突水事故的发生[1]。为有效避免工作面回采期间通过断层等构造带时发生灾害事故，需加强过断层综合防范措施，提高安全风险管控。

1 工程概况

南凹寺煤业30407 综采工作面位于矿井三盘区中部，其北部布置有30405 工作面，东部为三盘区运输与轨道大巷，南部相邻30409 备采工作面，西南部为盘区保护煤柱与井田边界线。30407 工作面沿走向布置，其上下巷走向长度为1700 m，切眼沿倾向布置，长度为185 m，采用走向长壁式采煤工艺。工作面主采煤层为山西组3#煤，平均可采厚度为2.75 m，支架选型为ZFG13000/27.5/42 型支撑掩护式液压支架，选用MG750/1630-WD 型双滚筒采煤机，对采空区顶板采用全部垮落法进行管理。

3#煤层的顶底板岩层以砂质泥岩为主，直接顶为砂质泥岩，厚度为2.2 m，基本顶为K4 灰岩，厚度为8.4 m；直接底为砂质泥岩，厚度为4.4 m，基本底为粗粒砂岩，厚度为8.7 m。根据前期三维地震勘探资料和后期打钻探查验证资料显示，工作面切眼外1470 m 处将揭露一条F7 正断层，倾角45°，方位224°，落差1.8 m。受到该断层影响，工作面切眼将由上盘回采推进过断盘上升后进入下盘煤层，在此期间，顶板煤层将重叠增厚，如图1。

图1 30407 工作面过断层剖面示意图

2 过断层对工作面生产影响分析

（1）由于断层倾角为45°，超出切眼内支架的最大仰斜角度，加之断层落差近1.8 m，顶底板煤层厚度都增加，在厚煤区域支架初撑力不能有效达标，导致工作面内出现倒架咬架，以及错差等质量现象，采用常规的带压拉架不能有效解决大倾角截割面的现实问题。此外，接近断层区域时，工作面构造应力、采空区应力与煤墙侧实体煤的采动应力等相互叠加，导致支架比正常回采期间承受的压力更大，所需提供的初撑力也要加强，但当支架初撑力无法抵消应力影响时，就会造成拉架困难，对支架造成损坏[2]。

（2）除支架承受应力影响容易造成拉架损坏，割煤机在过断层期间，由于煤岩体急剧变化，夹矸增厚，受到构造产生的揉搓影响，顶底板岩层错位拉伸，割煤机滚筒在摇臂力矩相对固定的条件下，很容易造成破岩增多，而且顶底板岩性多为砂质泥岩，对滚筒截齿磨损严重，在截割硬岩时需要依靠割煤机的自身功率带动滚筒上提下压施加压力，齿座的承受压力也将增加，容易造成设备的磨损消耗。当破岩量增大时，推溜移架将会困难，出现溜子载荷增加、链条易断、刮板及溜子槽磨损加剧等现象，增加成本费用。

（3）在设备和支架产生困难的条件下，已无法满足正常施工标准和工艺要求，被迫选择对顶底板煤层的丢煤措施。由于顶底板煤层无法有效回收，增加煤炭资源损失量，造成一定程度的经济损失。

（4）过断层期间由于工作环境和作业条件的恶劣影响，导致推进度受到限制。正常情况下每班可回采1.6 m（单刀截深0.8 m），随着过断层面的破岩量增加，局部煤层增厚，设备损坏率增加等因素影响，单班生产效率明显降低，但安全风险却反向升高。

3 过断层回采工艺优化

3.1 仰斜法推进工艺

（1）根据F7 断层的方位延伸情况判断，30407 工作面回采时将在机尾处首先揭露构造，为有效减少破岩量，提高资源回收率，设定在距离断层面30 m 处开始调整工作面回采顺序与切眼坡度，逐渐过渡到切眼与断层面坡度小角度斜切的状态。

（2）调整工作面伪斜角以10°仰角进行斜切进刀，按照分割法把整个割煤顺序划分为若干个小循环，从机尾开始进刀割煤，每截割30 m 为一个小循环，减少截割深度为0.5～0.6 m 左右，支架随机拉架。待30 m 范围内完成“进刀—斜切—推溜—拉架”的整个工艺后，再进行下一个30 m 循环的割煤作业，以此保证小循环、小范围的工程质量与安全条件。

（3）当切眼顺利推过断盘后，由于留设有底煤，随即调整切眼倾角趋于平缓，以提高回采率，直到通过断层及隐伏伴生构造影响区域后，执行正常回采工艺流程。

3.2 安全防范措施

该区域3#煤层由于结构不稳定，胶结特性差，在回采期间很难按照要求留设顶煤，且煤层松软破碎，推移过程中会随着支架拉架震动，从架前和架缝隙中溜煤，当空顶作业无法支撑时，导致大面积冒顶事故发生。为有效规避安全风险，采取如下安全技术措施：

（1）为避免冒顶事故发生，采用对顶板超前支护的方式进行加固，使用由树脂锚杆、托架等辅助材料组成的超前支护材料，对顶板加固。其中，树脂锚杆规格为Φ22 mm×3000 mm，托架采用“W”型钢带，长×宽为3200 mm×300 mm，锚索规格为Φ21.8 mm×6000 mm。

（2）当工作面机尾开始进入下盘后，使用锚杆钻机沿着切眼平行方向以+10°左右向顶板倾斜施工锚杆钻孔，按照孔间距800 mm、排距600 mm布设，要求锚杆外露长度不超过50 mm，锚固力不小于100 kN，随着切眼推进依次打设。锚索打设要求与锚杆相同，间排距为1200 mm×1200 mm。

（3）为提高过厚煤区时的顶板支护强度，避免顶板冒落，通过打设超前支护的锚杆、锚索加钢带连接，沿切眼倾向连接钢带，形成一个整体。由于过断层期间以30 m 一个小循环回采，截割深度为600 mm 左右，因此，锚杆打设排距可控制在600 mm，推一排，打一排，当打设两排锚杆后，推移1200 mm 可打设一排锚索，以此类推。通过锚杆、锚索对顶板的叠加加固，起到对下盘顶板的悬顶效果，按照此方法施工，直到切眼推移通过断层影响的破碎带区域[3-4]。超前支护效果如图2。

图2 超前支护效果示意图

4 效果分析

（1）通过采取仰斜过断层和超前支护措施后，工作面在回采期间未发生大面积的冒顶事故，未发生因溜煤、溜矸造成的人身伤害事故，有效确保了作业环境下的人身安全。

（2）通过过断层期间对支架初撑力、工作阻力的持续观测，所有数据真实有效，较正常回采期间的阻力测定减小约14%，但根据实际支护效果分析，仍能够满足对于顶板的支撑强度。

（3）过断层期间所消耗的截齿数量比正常回采期间的消耗数量增加11 个，上浮17%，刮板、链条的更换次数比日常增加6 次，上浮12%，但比以往常规方法过断层，整体成本可控。

（4）与其他工作面同等条件下过断层相比，提高资源回收率，多回采煤炭资源4.8 万t，增加企业收益926 万余元。

5 结语

针对过断层期间常见的自然条件和生产困难，结合30407 工作面的生产实际情况，以及断层的产状特征，进行技术创新和工艺流程改革，不仅提高煤炭资源的回收率，还在安全的条件下加快了进度，为企业增加了效益。同时，通过经验总结和效果分析，对以后类似条件下的工作面回采提供了可借鉴的参考依据，具有实用的推广价值。