综采工作面过组合断层期间的安全措施研究

牛 群

(国家矿山安全监察局新疆局，乌鲁木齐 831114)

煤矿生产不可避免地会遇到褶曲、陷落柱、断层等构造，其中断层是最常见的地质构造，当采掘工作面靠近断层破碎带时容易出现垮落、片帮及强动力显现，给正常生产带来影响[1-3]。研究人员提出了一些关于过断层的技术方案及措施，为推进煤矿安全过断层提供了技术参考[4-7]。但前期的研究主要针对单一断层，缺乏对组合断层的相关研究，造成矿井面对组合断层时存在技术缺陷，无法及时采取有效管控措施应对组合断层带来的风险。基于矿井实际情况，对综采工作面过组合断层期间的安全技术措施进行研究，尽可能消除综采工作面过组合断层期间的顶板垮落风险。

1 工程背景

1.1 矿井概况

某煤矿含煤地层为中侏罗统西山窑组，可采煤层6层，由上而下依次为4#、5#、9#、10#、14#、15#煤层，其中4#与5#、9#与10#煤层分别进行组合开采，煤层倾角15°～18°，属于缓倾斜煤层。矿井采用综采放顶煤工艺，自然垮落法管理顶板。每个(组合)煤层布置3个综采放顶煤工作面，逐煤层下行式开采。

矿井范围内断层较为发育，但断层多为断距小于3 m的小断层，断层附近围岩裂隙较为发育，受采掘扰动影响，局部区域顶板易出现变形。

1.2 工作面概况

目前回采的工作面为4#～5#组合煤层首个回采工作面。工作面名称为2451综放工作面，东西方向布置，上、下部为未开采的实体煤岩体。东部为工业广场保护煤柱，西侧为矿井边界，经地质普查，该区域为实体未开采。南侧为一水平已回采区域，中间由煤柱隔开。北侧为4#～5#组合煤层准备工作面，目前准备工作面顺槽已准备完毕，正在施工开切巷。

根据三维地震及已掘巷道地质资料分析，2451工作面胶带运输巷走向653～703 m揭露组合断层1处，按照回采过程揭露先后顺序分别为T6次生正断层(730.4 m)、T6正断层(703 m)、T5″正断层(685 m)、T5′正断层(669 m)、T5正断层(662 m)、T4正断层(653.5 m)。2451工作面轨道运输巷对应断层影响走向范围为279.3 m。过断层期间煤岩层松软、破碎易片帮、冒顶。

表1 组合断层参数表Tab.1 Combined fault parameters

图1 胶带巷组合断层分布剖面图Fig.1 Sectional view of fault distribution of belt alley combination

图2 轨道巷组合断层具体参数和分布剖面图Fig.2 Specific parameters and distribution profile of track-lane combined fault

2 组合断层安全管控方案

参考国内过断层经验[3]，回采期间过断层主要存在的安全问题有：断层附近围岩裂隙较为发育，受采掘扰动影响局部区域顶板易出现变形，回采期间易发生冒顶事故。断层带会在煤层中形成大量的瓦斯毒物，通过断层中的裂缝涌入巷道，严重影响施工作业，对施工人员和国家财产安全构成极大威胁。因此回采期间过断层安全管控重点是采取科学有效的过断层技术方案和断层处破碎岩石技术方法，制定完善的顶板管控措施及异常气体管控措施。

2.1 工作面调整方案

常见的过断层方法有割顶煤或底煤过断层法、断层上底相结合过断层法、直接割煤过断层法、工作面过组合断层法，以上单一方法均存在局限性，因此采用综合法过断层，针对每条断层的实际情况，对工作面进行调整，根据工作面揭露岩石情况采取俯采或仰采。调整时应遵循以下原则：根据工作面煤层和岩石变化情况安排仰采期间采煤机滚筒调整不得过大。控制采煤机在断层区域割煤期间速度，防止速度过快导致空顶面积较大。截割时尽量避免或减少截割岩石。

2.2 断层处破碎岩石技术措施

断层处破碎岩石一般有两种方法，即采煤机直接截割法和松动爆破岩石的方法，选择何种方法取决于断层落差和岩石硬度。现场实践研究表明，工作面遇岩石情况下，岩石厚度小于等于0.8 m且岩石硬度系数f<5采取采煤机滚筒破碎岩石。岩石高度大于0.8 m且岩石硬度系数f≥5时，采取松动爆破岩石的方法，再使用采煤及进行截割。组合断层情况复杂，采用单一破碎岩石方法不能有效破岩，应根据每条断层实际情况选择破碎岩石方法。

一是采煤机直接截割法。工作面出现岩石时，调整割岩石高度，割岩石时上下摇臂全部割底刀，岩石区域底刀割完后根据割刀方向将摇臂上调，每次上调保证割岩石高度在0.3～0.5 m，如此反复割岩，直至将岩石割完为止。采煤机行走方向滚筒进入岩石区域前3副液压支架时，将前部刮板输送机收回400 mm，此时采煤机滚筒截深为400 mm。待采煤机后方滚筒割完岩石区域后，再将前部输送机完全推出，此时反方向割刀，将剩余截深为400 mm的岩石割掉。

二是松动爆破岩石。先采取松动爆破，后割煤，放一次松动炮可割煤2个循环。采用爆破松动的方法对岩石进行松动，岩石高度在1～1.5 m时沿揭3.0 m，采煤机滚筒1.8 m，一遍底刀割完后剩余1.2 m，来回反复2～3次将岩石割完。采煤机在割岩石段时放慢采煤机行走速度，速露岩石的中线打单排眼。眼间距1 m，一次施工4个眼进行起爆。岩石高度在1.5～2 m时打双排眼，眼间排距为1 m，一次每排施工2个眼进行起爆，共计4个眼。全断面岩石段爆破松动岩石时，距煤壁2 m以内施工爆破孔，2 m以上由其自行垮落。

2.3 工作面顶板管控措施

顶板管理作为综采工作面过断层采煤方法的重要保证，需结合具体措施进行科学管理，为整个开采过程提供保护。主要针对顶板管理的基本措施进行分析，以期能对过断层采煤过程有所帮助。

回采前对巷道变形严重地点，采取劈帮、挑顶、卧底等方式确保回采巷道宽度和高度。对巷道下沉段补打单体进行补强支护，巷道中网兜及锚网锈蚀严重地段提前行补强支护处理，确保回采巷道工程质量。

回采过断层期间移架方法：顶板正常情况下采用追机移架的方式对顶板进行支护，移架采取自下向上或自上而下的顺序。采煤机割煤后，先移支架，采用带压擦顶移架方式移架，采煤机上行时支架要滞后下滚筒5 m，采煤机下行时支架要滞后上滚筒5 m，不得超过12 m。顶板破碎时要超前移架，移架要超前采煤机下滚筒直至顶板完好处支架，煤机割断层面时，先将煤机停在距断层面10 m处，再将断层范围内支架全部前移。移架期间带压擦顶移架。

下端头支护采用端头支架进行支护，煤质较好情况下三角区域使用端头支架侧护板进行支护。顶板较破碎时且支架侧护板无法完全支护裸漏顶板时，对裸露顶板进行支护，距工作面煤壁1 m处开始支护，长度5 m，割完一刀煤后回撤一根单体继续向前支护对巷道顶板下沉段补打单体进行支护。在超前架前方对巷道网兜进行处理，及时补网支护，前移支架支护处理网兜段。在巷道顶板来压段段架设单体配合交接梁进行支护，单体柱距1 000 mm，单体支柱初撑力必须达到90 KN(11.5 MPa)。

若断层区域顶板较破碎，需提前拉架用于支护顶板，此时停止采煤机并将前进方向滚筒下放，只割底刀，不割顶刀。

2.4 断层区域气体异常管控措施

断层造成的破碎带往往是瓦斯的良好通道，也是矿井瓦斯积聚地，过断层期间主要易发生瓦斯积聚，顶板冒落空洞积聚瓦斯、回采工作面上隅角瓦斯积聚及其他瓦斯积聚，所以工作面过断层必须做好瓦斯抽采防治工作，确保工作面正常开采和人员安全。

根据工作面瓦斯涌出来源构成及瓦斯涌出量预测结果，结合该工作面巷道布置、瓦斯抽采等实际情况，参照矿井其他煤层工作面瓦斯治理经验，综合分析采取回风顺槽高位钻孔抽采为主，采空区埋管抽采为辅，并结合风排治理的瓦斯综合治理措施。

加强断层区域支护，防止发生工作面冒顶，减少和消除顶板冒顶造成的空洞和瓦斯积聚。

加强日常瓦斯监测，安排专职瓦检员，对工作面上下隅角进行有毒有害气体检查，工作面中部每班最少检查3次。一旦有瓦斯浓度超过0.5%时立即停产，设备停电，悬挂有人作业严禁送电牌后，工作面所有人员撤出安全地点。

3 结语

为了保证采煤工作人员的人身安全，需要对采煤工作中出现的问题进行及时处理。提出了回采过组合断层的顶板管控、岩石破碎和瓦斯防治等安全管控重点，针对组合煤层赋存特征提出了相应的技术管控措施，实现了综放工作面的安全回采。