综采工作面安全高效过断层技术研究与应用

摘要：针对某矿1077综采工作面推进过程中揭示的断层问题，基于现场地质情况与装备条件，提出采用深孔预裂爆破弱化坚硬顶板、超前加强支护减小巷道变形、注浆固化煤顶等方法，加强装备、技术和组织保障能力。实践结果表明：1077综采工作面在采用联合过断层技术方案后矿压显现程度大幅降低，液压支架工作阻力减少2.3MPa，过DF124和NDF137断层时推进速度达到3m/d和5m/d，实现了安全高效过断层，为矿井类似情况提供了参考。

关键词：综采工作面；过断层技术；安全高效

中图分类号：TD353文献标识码：B

断层是我国井工煤矿回采时常见的一种地质构造［1］，在采动应力的作用下断层活化，严重制约工作面的正常生产，甚至影响井下人员的生命安全。［2］工作面过断层时，由于断层影响范围内煤岩破碎、围岩承载能力差以及构造应力发育，容易引起采面架前或架间漏矸、漏顶［3］煤壁片帮、顶板垮落等。此外，由于顶底板不平整，断层带岩层的不均匀分布，工作面过断层时支架的实际支护性能出现一定程度的降低，导致巷道变形严重。［4］为此以安徽某矿1077工作面为工程背景，针对断层带坚硬顶板、煤岩破碎和支架性能下降问题提出采用深孔预裂爆破的过断层方法，辅以多种围岩控制方案，以期提高煤炭生产效率和安全保障能力。

1工程背景

某矿1077工作面回采二叠系下统山西组10煤层，上距铝质泥岩约61.5m，下距太原组一灰顶界约64.1m。地层沉积稳定，煤层原生结构简单，煤层倾角1°～17°，平均6°，煤层厚度0.4～9.7m，平均3.3m。工作面走向长度2325m，倾向长度230～200m，埋深-442.5～-561.8m，对应地面标高25.3～27.7m。工作面顶板以灰色细砂岩为主，局部渐变成泥岩，底板以深灰色粉砂岩为主，局部含有少量泥岩。工作面煤层顶底板岩性见下表。

1077综采工作面回采范围内将揭露断层41条，其中31条会对回采产生影响，8条对回采影响较大。断层DF124沿走向方向延展453m，沿倾向方向贯穿整个工作面，1077风巷、机巷实揭断层落差分别为6.0m、8.3m，工作面内实揭最大落差为13m，岩石段影响范围最大为70架。断层附近煤层顶板岩性以中粒砂岩为主，中粒砂岩厚度最大达到7m。当前1077智能化综采工作面正在过逆断层NDF137，该断层走向延展270m，倾向延展范围15～70m，断层附近煤层顶板岩性以细砂岩为主，预计该断层破岩影响范围最大为50架，DF124断层和NDF137断层平面图如图1所示。

21077工作面过断层技术方案

2.1深孔预裂爆破方案

根据断层顶底板特性和工作面矿压显现程度确定过断层的方法，DF124断层最大落差达到13m，远远超过工作面采高，采用直接破岩方式采煤机需破下盘顶板中粒砂岩，截齿磨损严重，电机负载巨大；重新布置切眼方法工艺复杂，制约工作面的高效生产；而挑顶切底方法同样对设备损耗严重，顶板控制难度增加。因此提出采用深孔预裂爆破技术通过断层的方案。

深孔预裂爆破技术通过采用人工爆破的方式破坏坚硬顶板的完整性，增加岩体中的裂隙和节理，降低矿山压力的显现程度，同时降低采煤机破岩损耗，在钱营孜煤矿［5］、临涣煤矿［6］等地的使用取得了优异效果。1077工作面过断层DF124前，联合中国矿业大学实施深孔预裂爆破工程，对煤机截割轨迹范围内的岩石进行预裂爆破，如图2所示。在1077风巷施工深孔预裂钻孔13个，1077机巷施工21个钻孔，钻孔直径均为94mm。

深孔预裂爆破工艺流程及注意事项主要包括：

（1）钻孔施工。严格按照设计规定的位置和倾角进行施工，及时对不符合规定的钻孔进行补钻，清除炮孔内煤渣或岩渣。

（2）炸药安装。使用L公司生产的筒装炸药，采用煤矿许用导爆索连续串联装药结构。

（3）导爆索敷设。严禁大力推送和拉扯导线，药卷尾部应增加防退装置。

（4）注浆封孔。封孔炮泥必须捣实、封满，封孔长度不得少于钻孔长度的1/4。

（5）安装雷管。为确保安全，雷管脚线应当进行扭结以形成短路。雷管脚线与脚线、脚线与放炮母线的连接必须采用绝缘胶布进行固定。

（6）二次封孔。确保铜芯导线在使用过程中不受破坏，不能被带入炮孔中而导致卷曲。

（7）联线起爆。起爆时工作人员必须撤离到距爆破地点200m以上位置，且与爆破地点不在同一巷道。出现残爆、拒爆时必须制定专项措施处理。深孔预裂爆破炮孔装药结构如图3所示。

2.2巷道围岩控制方案

断层带影响范围内，围岩节理裂隙发育，承载能力较低，在采动应力的影响下，围岩应力异常，常规的对称支护无法形成均匀的承载结构，难以适应巷道近断层侧的复杂应力环境，进一步加剧围岩非对称变形的程度［7］。因此必须采用非对称支护的方式超前对该段巷道进行加强支护，机巷超前加强支护断面示意图见图4。在机巷顶板沿走向方向施工3排锚索和钢带，中间两排锚索垂直顶板，锚索规格为Φ22mm×L10000mm；肩窝处的锚索与顶板成45°夹角，锚索规格为Φ22mm×L6300mm，锚索间排距1500mm×1000mm。在机巷下帮沿走向方向施工3排锚索和钢带，下面两排锚索垂直巷帮，锚索规格为Φ22mm×L3150mm；上肩窝处锚索与巷帮成45°夹角，锚索规格为Φ22mm×L6300mm，锚索间排距1500mm×1000mm。

2.3固化煤顶方案

1077风巷逆断层DF124实揭地段煤层厚度最厚达到7.1m，走向影响35m，断层带范围内煤较为破碎，采煤机割煤后上覆破碎煤冒落，造成顶煤漏、冒问题，存在片帮、掉顶风险，超前实施“骨架孔+注马丽散”煤顶固化工程，能够有效杜绝顶板漏、冒引起的瓦斯和顶板事故。骨架孔施工地点为风巷下帮上肩窝处，间距200mm，用长10m、直径为25mm的钢管作骨架，骨架孔施工结束后，注马丽散浆液。一方面，马丽散因其速凝胶结的特性，充入煤岩体裂隙中后快速对破碎煤岩进行胶结，提高内聚力和内摩擦角；另一方面，浆液遇水膨胀，形成具有承载能力的结构体，进一步提高对煤岩体的加固作用［8］。

3实施效果

对工作面液压支架进行监测，绘制各支架工作阻力随回采时间变化图如图5所示。从图中可以看出，在采取措施之前，断层附近应力集中，液压支架工作阻力较高，其最大工作阻力可达到44.2MPa。采用深孔预裂爆破+超前加强支护+注浆加固顶煤联合过断层方案后，周期来压程度降低，工作面液压支架最大工作阻力降为36.4MPa，来压持续时间减少为16h，顶板来压程度得到有效控制。

选取25#、50#、75#、100#和125#液压支架，分析在不同倾向距离上采取措施后的矿压控制效果，如图6所示。自2022年10月1日至2023年3月1日，工作面液压支架工作阻力呈现“凹”形变化趋势。采取措施前工作面液压支架平均工作阻力为30.3MPa，采取措施后平均工作阻力降低为28.0MPa，工作面通过断层DF124后，受其他地质条件影响液压支架平均工作阻力上升至29.2MPa。

通过采用深孔预裂爆破+超前加强支护+注浆固化煤顶的联合过断层方案，1077综采工作面实现安全高效过断层，平均回采进度达到3m/d，其中2022年12月份月度回采进度达到123m，2022年累计生产有效煤量186万吨。借鉴过断层DF124的经验，当前1077综采工作面采用相

同技术方案过断层NDF137（H=0～14m），回采进度达到5m/d。

结语

通过对1077工作面过DF124断层问题提出采用深孔预裂爆破、超前加强支护和固化煤顶的技术方案，并应用到NDF137断层，减小采煤机破岩难度，降低巷道围岩变形，杜绝顶板事故，为综采工作面过断层问题积累宝贵经验，保证工作面安全快速地推进。

参考文献：

［1］路李兵.采煤工作面过地质构造超前加固技术研究［J］.煤，2022，31（06）：6870.

［2］裴艳龙.综采工作面过断层顶板控制技术研究与应用［J］.机械管理开发，2023，38（10）：279280+283.

［3］蔺剑.综采工作面过断层漏顶控制技术研究［J］.煤，2023，32（12）：6465+87.

［4］张云天.综采工作面过断层架前漏顶技术研究［J］.煤炭科技，2022，43（02）：2630.

［5］陈向前.深孔预裂爆破在综采工作面过断层中的应用［J］.能源技术与管理，2022，47（01）：5253.

［6］杨宇.综采工作面斜穿性大断层构造深孔多向聚能爆破预裂技术研究［D］.徐州：中国矿业大学，2023.

［7］郭永红，娄杰，闫帅，等.近断层巷道非对称大变形机理及控制技术研究［J］.煤炭工程，2023，55（11）：5663.

［8］王政.中兴煤业综采工作面马丽散注浆加固技术应用研究［J］.山西冶金，2023，46（06）：229231.

作者简介：刘静波（1987—），男，辽宁彰武人，本科，工程师，研究方向：采掘生产技术管理。