閆永青

（長春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101）

斷層是回采工作面常見地質(zhì)構(gòu)造，不僅會破壞回采煤層整體穩(wěn)定性，而且會導(dǎo)致斷層兩盤煤體出現(xiàn)空間位移［1］。斷層增加了工作面回采難度，降低了工作面煤柱回采率［2-6］。

綜采工作面常用機械強行破巖法過斷層，既無需對工作面回采角度進行調(diào)整，又便于工作面機械設(shè)備安全管理。但當(dāng)工作面斷層落差較大且揭露巖體硬度高時，采用強行破巖法過斷層不僅降低了工作面回采效率，增加了采煤機、刮板輸送機等設(shè)備故障率［7-8］，而且煤柱損失量大，不利于工作面安全高效回采。

為提高工作面過斷層期間的回采率、降低綜采設(shè)備的故障率，現(xiàn)以長春興煤礦103工作面為例，對工作面過F2斷層期間的回采工藝進行優(yōu)化，并采取合理有效的支護技術(shù)。

1 概述

長春興煤業(yè)有限公司103工作面位于井田北盤區(qū)東翼，工作面沿煤層走向呈東西布置。工作面北部為105工作面，東部為井田邊界，南部為101采空區(qū)，西部為北盤區(qū)大巷（北盤區(qū)回風(fēng)巷道、膠帶巷、運輸巷），如圖1所示。

圖1 103工作面平面布置

103工作面設(shè)計走向長度為1 200 m，傾向長度為185 m。工作面回采煤層為22#層，煤層平均厚度為9.5 m，平均傾角為2°，煤層存在偽頂，主要以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度為0.25 m，巖體成黑灰色，泥巖結(jié)構(gòu)，巖體單軸抗壓強度不足20 MPa，巖體隨采隨落；直接頂主要以粗砂巖、中粒砂巖混合巖體為主，平均厚度為14.44 m，巖體成淺灰色，成分以石英為主，長石次之，分選差，巖體硬度高，基本頂主要以細、中、粗粒砂巖為主，平均厚度為22.61 m。

103工作面采用MG500/1180-WD型雙滾筒電牽引采煤機落煤和裝煤，SGZ1000/1400、SGZ1200/1400型刮板運輸機運煤,ZF13000/25/38型液壓支架維護工作面頂板，平均采高為3.5 m，采煤機機身高度2.24 m，支架行程在2.5～3.8 m，工作面采用綜合放頂煤回采工藝，機采高度定在3.5 m，放煤高度為6.0 m。

2 工作面回采方案與優(yōu)化

2.1 工作面回采現(xiàn)狀

103工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造主要以中小型斷層為主，工作面在前500 m回采過程中共計揭露4條正斷層，斷層平均落差為1.4 m，平均傾角為52°。斷層對工作面推進影響長度不足30 m，在前期回采過程中主要采用強行破巖法過斷層。工作面回采至527 m處，在工作面尾部將揭露F2正斷層，其落差為2.1 m，傾角為55°。通過鉆探資料發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)2斷層影響工作面推進長度達49 m，斷層導(dǎo)致上盤煤層下降，現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，工作面揭露F2斷層后從130#～95#支架之間煤壁巖體厚度達2.0 m，巖體主要以灰白色粗砂巖為主，如圖2所示。

圖2 103工作面俯斜回采平、剖面

工作面前期采用采煤機強行破巖過F2斷層，由于斷層處巖體硬度高，巖體單軸抗壓強度達50 MPa，導(dǎo)致工作面前期強行破巖時，采煤機損壞嚴重，主要表現(xiàn)在采煤機截齒磨損嚴重，前期共計更換59個截齒，截割部負荷大，截割電機燒毀一臺，造成經(jīng)濟損失57.2萬元。

采用強行破巖法過F2斷層時，上盤底部煤層隨著工作面推進被甩入采空區(qū)內(nèi)，造成工作面內(nèi)采空區(qū)遺煤量大。2020年2月11日夜班工作面揭露斷層，2月14日早班采空區(qū)內(nèi)CO濃度上升至0.000 8%，2月16日夜班采空區(qū)內(nèi)CO濃度上升至0.001 3%，采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)煤層自燃征兆。從采空區(qū)有害氣體監(jiān)測結(jié)果分析，由于工作面過斷層采空區(qū)遺煤量大、推進速度慢，有引發(fā)采空區(qū)煤層自然發(fā)火可能。

2.2 工作面回采方案優(yōu)化

針對強行機械破巖造成的采煤機損壞嚴重、采空區(qū)遺煤量大、工作面推進速度慢等問題，為了提高工作面回采效率，減少破巖量，決定采用俯斜法過斷層，優(yōu)化回采工藝。

（1）在進行俯斜回采前將工作面內(nèi)浮煤清理干凈，及時調(diào)整工作面成偽斜，并用采煤機將87#～130#支架前方煤壁巖體掃平、掃直，然后將采煤機移回至機頭處。

（2）采煤機由機頭斜切進刀進行割煤，當(dāng)采煤機回采至87#支架時，采煤機前滾筒以10°俯角下山破煤，下山破巖高度為2.5 m，上滾筒破頂煤保證工作面回采高度達3.5 m。

（3）當(dāng)工作面下山回采至95#支架前方時，進入斷層上盤煤層，此時應(yīng)及時調(diào)整采煤機回采角度，沿煤層底板進行回采，如圖2所示。工作面在俯斜回采時需預(yù)留斷層下盤頂煤，為了防止頂煤垮落，俯斜回采期間采用分段帶壓擦頂移架。

3 俯斜段頂板支護技術(shù)

為了防止俯斜回采段頂煤出現(xiàn)破碎垮落現(xiàn)象，提高工作面俯斜回采期間液壓支架支護效果，決定對俯斜段頂板采取“邁步式錨索梁棚+超前管棚”聯(lián)合支護技術(shù)。

3.1 邁步式錨索梁棚支護

工作面在過斷層期間受斷層應(yīng)力影響，煤壁出現(xiàn)片幫、頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，導(dǎo)致斷層區(qū)支架不接頂或初撐力、工作阻力達不到設(shè)計值，所以決定對俯斜段頂板施工邁步式錨索梁棚。

（1）每架錨索梁棚主要由一根長度為3.5 m，寬度為0.12 m工字鋼梁以及兩根長度為4.5 m，直徑為17.8 mm錨索組成，工字鋼梁上布置兩個錨索支護孔間距為1.75 m（液壓支架寬度）；錨索梁棚布置在俯斜回采段頂板上，梁棚與液壓支架前探梁平行布置，如圖4所示。

（2）第一排錨索梁棚布置在距前探梁0.3 m處，錨索梁棚在施工時兩根錨索施工在相鄰兩架支架之間，錨索吊棚布置排距為1.5 m，相鄰兩排錨索吊棚成邁步式布置。

（3）為了提高錨索吊棚抗壓能力，防止錨索吊棚出現(xiàn)變形現(xiàn)象，錨索吊棚預(yù)緊時在鎖具與吊棚之間安裝一個恒阻讓壓器，恒阻讓壓器長度0.3 m，讓壓長度為0.15 m，確保錨索吊棚施工后能夠與蠕動變形頂板實現(xiàn)耦合支護目的。

3.2 超前管棚支護

由于工作面在俯斜回采時受斷層構(gòu)造應(yīng)力影響，斷層區(qū)前方煤壁出現(xiàn)應(yīng)力超前破壞區(qū)，導(dǎo)致采煤機回采時，出現(xiàn)大塊煤矸垮落，不僅設(shè)備損壞嚴重，而且很容易出現(xiàn)傷人事故，所以決定對俯斜段頂板施工超前管棚支護。

（1）超前管棚支護結(jié)構(gòu)：103工作面俯斜段頂板施工的每根超前管棚支護體長度為2.9 m，直徑為45 mm，孔壁厚度為8 mm，由中空無縫鋼管焊制而成，中部孔直徑為29 mm。每根超前管棚支護體由兩節(jié)組成，每節(jié)長度為1.5 m，兩節(jié)間采用絲扣連接，連接長度為0.1 m；其中位于孔底段呈削尖狀，如圖3所示。

圖3 支護結(jié)構(gòu)截面

（2）支護工藝：①首先在工作面俯斜段頂板布置一排超前支護孔（布置在87#～97#支架之間），支護孔深度為2.5 m，鉆孔直徑為50 mm，鉆孔垂直煤壁布置，鉆孔布置間距為1.0 m，共計布置18個支護孔。②支護孔施工完后插入超前支護體，相鄰兩排支護體布置排距為2.0 m，且兩排支護體成交錯式布置。

3.3 其他支護

當(dāng)工作面過斷層期間圍巖破碎嚴重時，特別是煤壁片幫或頂板破碎嚴重，采用錨索棚無法有效控制時，需對煤壁和頂板采取注漿加固及施工玻璃鋼錨桿支護。

（1）注漿加固：當(dāng)頂板破碎嚴重時需對頂板進行注漿加固，注漿孔布置在煤壁上，距頂板間距為1.5 m，鉆孔深度為5.0 m，直徑為50 mm，鉆孔仰角為45°，鉆孔終孔位置必須位于直接頂內(nèi)。注漿鉆孔施工完后采用馬麗散、聚氨酯或固特異等有機注漿材料進行注漿加固；巖體注漿加固后可提高圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)，以及圍巖單軸抗壓強度［9-10］。

（2）玻璃鋼錨桿支護：為了控制煤壁防止片幫事故，可對煤壁施工兩排玻璃鋼錨桿，玻璃鋼錨桿長度為2.0 m，直徑為28 mm，兩排玻璃鋼錨桿布置間距為2.0 m，布置排距為1.5 m，第一排布置在距頂板0.5 m處煤壁上，兩排玻璃鋼錨桿邁步式布置，如圖4所示。

圖4 103工作面俯斜段頂板支護斷面

4 實際應(yīng)用效果

4.1 經(jīng)濟效益

統(tǒng)計結(jié)果表明，103綜采面采取俯斜回采工藝過F2斷層，工作面破巖量減少了3 177 m3，底煤回收量增加0.012 Mt，增加效益962萬元，采煤機截齒磨損量共計7個，未發(fā)生采煤機截割電機、液壓馬達損壞事故，減少了設(shè)備維修費用50余萬元。

圖5 俯斜回采后工作面CO濃度、支架工作阻力、圍巖變化量曲線

4.2 采空區(qū)CO濃度

103工作面采用俯斜回采工藝后，減少了采空區(qū)遺煤量，工作面推進速度較強行破巖法更快，通過工作面采空區(qū)束管監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)表明，從2020年2月20日開始采空區(qū)內(nèi)CO濃度呈下降趨勢，2月26日后采空區(qū)內(nèi)CO濃度下降為0.000 5%，采空區(qū)內(nèi)CO濃度趨于穩(wěn)定，如圖5所示。

4.3 圍巖控制效果

103工作面俯斜區(qū)頂板及煤壁采取聯(lián)合控制技術(shù)后，俯斜回采過程中未出現(xiàn)嚴重頂板破碎、煤壁片幫現(xiàn)象。現(xiàn)場監(jiān)測，俯斜回采過程中頂板下沉量控制在0.16 m以下，工作面液壓支架過俯斜區(qū)時支架初撐力、工作阻力達95%以上；煤壁片幫深度控制在0.6 m以下，工作面在俯斜區(qū)回采速度達4.3 m/d，如圖5所示。

5 結(jié)論

103綜采面采取俯斜回采工藝過F2斷層及煤壁采取聯(lián)合控制技術(shù)，與原強行破巖法相比，取得了很好的安全和經(jīng)濟效益：

1）103工作面過F2斷層采用俯斜工藝及煤壁采取聯(lián)合控制技術(shù)后，回采過程中頂板下沉量控制在0.16 m以下，工作面液壓支架過俯斜區(qū)時支架初撐力、工作阻力達95%以上；煤壁片幫深度控制在0.6 m以下。

2）103工作面過F2斷層采用俯斜工藝及煤壁采取聯(lián)合控制技術(shù)，工作面在俯斜區(qū)回采速度較快，達4.3 m/d；減少了采空區(qū)遺煤量，煤柱回收率提高了5%，消除了工作面采空區(qū)遺煤自燃的安全隱患。

3）103綜采面采取俯斜回采工藝過F2斷層及煤壁采取聯(lián)合控制技術(shù)后，工作面破巖量減少了3 177 m3，底煤回收量增加0.012 Mt，增加效益962萬元；采煤機等設(shè)備事故率大幅度降低，減少了設(shè)備維修費用50余萬元。