綜采工作面快速過斷層技術(shù)實踐

穆效治

（山西晉神能源有限公司沙坪煤礦，山西 忻州 034000）

斷層是煤礦井田范圍內(nèi)一種常見的地質(zhì)構(gòu)造。一般較大斷層都采取保護煤柱隔離并依據(jù)斷層劃分采區(qū)或順斷層劃分工作面。但一些較小斷層會不可避免的出現(xiàn)在回采工作面中間，因斷層出現(xiàn)導致煤層賦存沿回采方向不再具有連續(xù)性；斷層附近往往還衍生次生構(gòu)造導致煤巖體力學性質(zhì)改變，圍巖較為破碎[1-3]?；夭晒ぷ髅孢^斷層期間因煤層的不連續(xù)性及圍巖破碎需針對斷層性質(zhì)及地質(zhì)情況采取針對性措施，如何保證回采工作面安全、經(jīng)濟、高效過斷層是煤礦生產(chǎn)過程中的一個重要課題。本文以沙坪煤礦21031 綜采工作面過F4斷層為例，擬定3種過斷層方案，通過對比分析，確定選用調(diào)斜破底過斷層方案。

1 工作面概況

沙坪煤礦21031 綜采工作面位于井田西翼的21 采區(qū)中部，西鄰21 采區(qū)軌道、膠帶、回風下山，東領(lǐng)21 采區(qū)邊界，南鄰21011 綜采工作面（未采），北領(lǐng)21051 綜采工作面（已采）。工作面走向長度1 530 m，傾向長度180 m；回采煤層15#煤，煤層傾角8°～15°，平均傾角12°；煤層厚度2.2～8.5 m，平均煤厚5.3 m；煤層硬度系數(shù)0.15；煤層頂板為中粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖及泥巖互層。工作面整體為一單斜構(gòu)造，局部受滑動構(gòu)造影響發(fā)育有小型伴生斷裂構(gòu)造，該工作面地質(zhì)構(gòu)造中等，無巖漿侵入巖、陷落柱等不良地質(zhì)體影響，無沖擊地壓。煤層及頂、底板巖性見表1。

表1 21031 工作面煤層及頂、底板巖性綜合柱狀圖

21031 工作面受滑動構(gòu)造影響發(fā)育有一落差1.7 m 的正斷層，斷層編號F4。工作面內(nèi)斷層位置在21031 運輸巷325 m 處及21031 回風巷307 m 處，與工作面回采方向斜交，夾角15°。工作面平面布置及斷層位置見圖1。

圖1 21031 綜采工作面平面布置及斷層位置

2 過斷層方案分析

由于F4斷層斜跨21031 工作面，故21031 工作面回采期間將全斷面過斷層，通過技術(shù)分析，擬提出3 種可行方案，即破頂過斷層、搬遷過斷層、調(diào)斜破底過斷層方案進行優(yōu)化選擇。

2.1 破頂過斷層方案

由于斷層落差1.7 m，小于工作面采高4 m，21031 工作面回采期間揭露F4斷層后，將出現(xiàn)上部為1.7 m 的頂板中粒砂巖，底部遺留底煤的情況，工作面內(nèi)煤層不丟失；可采用直接破頂過斷層方法過斷層，待斷層全面過完后，再統(tǒng)一調(diào)整工作面為俯采方式進入煤層，直至工作面全部進入煤層。

優(yōu)點：過斷層前無需采取俯采、調(diào)斜等復(fù)雜工藝，全面過斷層后再俯采進入煤層即可，故回采工藝相對簡單，回采速度較快，工作面設(shè)備按管理方式即可。

缺點：①由于F4斷層與工作面斜交，沿走向方向影響長度為18 m，采用破頂法揭露斷層開始至完全過斷層后俯采進入煤層前均需破頂回采，預(yù)計共計需破頂回采30 m，破巖工程量較大；②煤層頂板為硬度較高的中粒砂巖（硬度系數(shù)f=7.3），采用爆破施工將影響回采進度，且硬巖采用松動爆破效果欠佳，采用采煤機直接截割則截齒損耗較高且容易對采煤機造成各種故障；③底煤丟失嚴重，造成資源浪費的同時影響回采產(chǎn)量，直接影響經(jīng)濟效益。

2.2 搬遷過斷層方案

該方案適用于斷層落差大于工作面采高的較大斷層。在工作面過斷層前，可先在斷層前方重新施工一條切巷，待工作面回采至斷層處無法回采時，然后將工作面內(nèi)所有設(shè)備遷移至新施工的切巷內(nèi)繼續(xù)回采，從而避開斷層。

優(yōu)點：工作面無需過斷層回采，避免了工作面破巖、調(diào)斜、俯采等過斷層需采取措施，不會因過斷層造成設(shè)備故障等問題。

缺點：①由于避開斷層，需新開切巷，直接造成了斷層帶至少30 m 未回采的資源浪費；②新掘一條切巷增加了施工工程量及施工成本，掘進期間回采工作面停采；③工作面搬家工期較長。該方案影響回采時間至少在3 個月以上，造成煤炭資源損失約7 萬噸，掘進切巷及工作面搬家成本約1200 萬元。

2.3 調(diào)斜破底過斷層方案

該方案是在過斷層前距斷層一定距離開始，先將工作面通過旋轉(zhuǎn)回采的方式調(diào)整成偽斜布置，即上隅角在前，下隅角在后，直至工作面與斷層方位角平行；平行回采至距斷層附近時調(diào)整為俯采，直至按設(shè)計俯采至揭露斷層上盤的煤層頂板后，再按走向坡度回采。

優(yōu)點：①將工作面調(diào)斜后會減少過斷層的回采長度，且工作面全面過斷層有利于工作面管理；②因煤層底板泥巖硬度較低（硬度系數(shù)f=2.7），破底難度小，可采用松動爆破或直接采煤機割底過斷層，可實現(xiàn)快速過斷層；③因俯采過斷層后直接進入斷層上盤的全斷面煤體，工作面丟煤量少，經(jīng)濟效益高。

缺點：①工作面調(diào)斜工藝復(fù)雜，需通過仔細計算調(diào)斜期間工作面上下端的回采進度以及需調(diào)斜到位的長度，技術(shù)管控難度較高；②俯采過斷層期間需采取托頂煤回采，存在頂煤易掉落且斷層附近圍巖破碎，需采取針對性的頂板管控方案。

綜合安全、高效、經(jīng)濟等方面進行對比分析，確定選用調(diào)斜破底過斷層方案。

3 實施

3.1 實施要點

首先將工作面調(diào)斜。工作面調(diào)斜是過斷層前比較復(fù)雜的一項工作，要根據(jù)工作面長度、循環(huán)截割深度、設(shè)備可旋轉(zhuǎn)回采角度、距斷層距離等參數(shù)確定調(diào)斜方案，其目的是將工作面調(diào)斜至與斷層平行，確保過斷層期間工作面能夠同時揭露斷層以及同時過完斷層。21031 工作面F4斷層與工作面正?；夭蓨A角為15°，根據(jù)相關(guān)參數(shù)計算，工作面需在下隅角距離F4斷層100 m（上隅角距斷層118 m）前，開始采取旋轉(zhuǎn)回采調(diào)斜。工作面上、下端推進比是1.225∶1，即下端頭推進1 m，上端頭需推進1.225 m。調(diào)斜回采至距離斷層20 m 處時（工作面下端回采80 m，上端回采98 m），可確保工作面與斷層平行。經(jīng)調(diào)斜回采至距離斷層20 m 處且工作面與斷層平行后，開始將工作面調(diào)整為俯采。俯采角度需根據(jù)該區(qū)域煤層走向坡度、斷層落差高度、距斷層距離計算，確保過完斷層進入斷層上盤后工作面實現(xiàn)沿頂全煤回采。21031 工作面距離斷層20 m 時需采取-5°俯采，俯采過斷層期間需托頂煤厚度為0～1.7 m，破底厚度為0～1.7 m。-5°俯采至工作面全面過完斷層后，再按煤層走向坡度正?；夭桑瑫r，將工作面按過斷層前調(diào)斜方案的反方向旋轉(zhuǎn)回采至正常工作面回采角度。俯采過斷層方案見圖2。

圖2 俯采過斷層方案

3.2 頂板管控

（1）托頂回采期間，存在頂煤及斷層附近的破碎圍巖掉落風險，保證托頂措施有效是實施俯采成功的關(guān)鍵，主要措施有：①針對煤體硬度系數(shù)較低及斷層附近圍巖破碎特點采取超前預(yù)注漿方式使煤體固化及破碎圍巖膠結(jié)，提高煤體及圍巖的抗壓強度；②施工恒阻錨索托頂煤及破碎圍巖，錨索可配合寬鋼梁使用，確保大面積托頂煤及破碎圍巖；③回采期間在煤墻采取撞楔法超前挺頂，撞楔長度3～5 m，對煤墻及前方的頂部煤體及圍巖形成契合加固的作用，防止煤墻片幫及頂部煤體和破碎圍巖從支架前方冒落。3 種措施可同步實施，確保頂板管控到位。頂板管控措施見圖3。

圖3 俯采過斷層頂板管控措施

（2）破底施工期間，采用采煤機直接強行臥底割底板軟巖或采用爆破破底巖時，均存在因割巖或爆破震動導致頂板所托煤體及軟巖松動失穩(wěn)情況[4-5]，如何破底保證施工坡度的同時還要保證頂部所托煤巖體遭受最小程度的震動破壞是破底的關(guān)鍵，采取的主要措施：①采用采煤機直接臥底截割底板軟巖期間，要保證緩慢的截割進度以最大限度的降低震動幅度，若震動幅度難以控制或影響生產(chǎn)嚴重，則需采取爆破破底；②采取爆破破底期間，必須采取分層松動爆破，即根據(jù)破底厚度設(shè)計炮眼參數(shù)及炮眼上下排距，從上至下分層松動爆破，嚴格控制每眼裝藥量及一次起爆炮眼個數(shù)，最大限度降低震動幅度，以減少對頂部所托煤巖體的破壞程度。

4 效果分析

21031 綜采工作面采用調(diào)斜破底過斷層方案，與搬遷過斷層方案相比，避免煤炭資源損失，多回采煤量0.038 Mt，減少新掘切巷及工作面搬家成本，節(jié)約成本約1 200 萬元。在過斷層工期方面，該方案僅用時12 d工作面就過完了F4斷層。由于嚴格落實安全措施，實現(xiàn)安全、高效過斷層，保證了工作面正常連續(xù)推進。

5 結(jié)語

通過對沙坪煤礦21031 工作面過F4斷層的3個方案進行綜合對比分析，擇優(yōu)選用調(diào)斜破底過斷層方案，針對性制定安全技術(shù)措施。沙坪煤礦21031工作面過斷層實踐表明，采用調(diào)斜破底過斷層方案既減少破巖量，降低設(shè)備故障率，又確保21031 工作面安全過斷層，可為其他煤礦工作面過斷層提供經(jīng)驗借鑒。