綜采（放）工作面強過不同落差斷層技術研究與實踐

鄧新東

摘要：本文介紹了棗泉煤礦綜采（放）工作面在強過不同落差斷層過程中，通過過斷層方法分析對比及工作面現場強過斷層的實際探索與應用，總結得到了關鍵技術及經驗，取得了較好的效果，為礦井安全高效生產奠定了基礎，具有重要意義。

Abstract： This paper introduces the practical exploration and application of the fully mechanized mining （discharge） working face of Zaoquan Coal Mine in the process of crossing different faults， through the analysis and comparison of the fault method and the strength of the fault on the working surface. The key technologies and experiences are summarized. It has achieved good results and laid a foundation for safe and efficient production of mines， which is of great significance.

關鍵詞：工作面;強過斷層;關鍵技術;工藝

Key words： working face;crossing fault;key technology;process

中圖分類號：TD823? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）35-0160-05

0? 引言

受棗泉井田碎石井大背斜構造影響，背斜兩翼地應力大，斷層構造多，給礦井正常的采掘活動帶來極大的影響，造成工作面布置困難，礦井回采率降低，噸煤成本增加，工作面開采困難，安全管理壓力增加。因此，根據不同斷層參數確定合理的過斷層工藝，能夠有效控制工作面的頂板安全、設備的工作狀態，從而保證工作面的正常生產，達到安全、快速、經濟的目的，具有重要的現實意義。

1? 概況

1.1 礦井概況

棗泉煤礦是神華寧煤集團公司成立后新建的第一座現代綜合機械化大型煤炭生產礦井，是神華寧煤集團的主力生產礦井之一。井田位于寧夏靈武礦區南部靈武市東南62km的毛烏素沙漠的邊緣，行政區劃屬靈武市馬家灘鄉管轄。井田東北部以趙兒塔向斜軸與羊場灣煤礦為界，正北部以29勘探線與英子梁井田為界，東西南三面均以1煤層+600m水平底板等高線在地面的投影線為界。井田南北長13km，東西平均寬約4km，面積56.68km2，井田以南北走向向南傾伏，東西兩翼為對稱的碎石井背斜主體構造。背斜軸部煤層傾角緩（3～25°），背斜深部及北部傾角大（25～45°）。礦井地質儲量9.65億噸，設計可采儲量5.26億噸，設計服務年限75.6年，總體生產能力800萬噸/年。

1.2 地質概況

棗泉井田以南北走向向南傾伏，東西兩翼對稱的碎石井背斜主體構造。背斜軸部煤層傾角緩（3～25°），背斜深部及北部傾角大（25～45°）。根據棗泉煤礦建礦至今在生產過程中實際揭露的地質構造與補充勘探提供的地質構造進行對比、總結，共查明11采區、12采區、13、14采區斷層108條及斷點3個。其中11采區查明斷層37條;12采區查明斷層59條;13、14采區查明斷層15條及斷點3個。井田內斷層發育，地質構造較復雜。

1.3 近年來工作面強過斷層概況

由于斷層賦存多、復雜，每個回采工作面不同程度都得進行過斷層回采，已回采過的11采區110201綜采工作面內共有DF14、DF15、DF16、DF12、DF13、DF34六條斷層，斷層落差2.3～12.0m，累計影響工作面長度1248m;110202綜放工作面內共有DF45、DF41、DF48、DF42、DF52五條斷層，斷層落差1.5～15.0m，累計影響工作面長度536m;110203綜采工作面內共有DF14、DF15、DF16、DF41、DF13、DF42、DF43七條斷層，斷層落差1.8～6.5m，累計影響工作面長度1540m;110204綜放工作面內共有DF57、DF48、DF59、DF42、F52、DF62、DF63、DF64、DF65九條斷層，斷層落差1.5～15m，累計影響工作面長度830m; 110205綜放工作面內共有DF13、DF43、DF41、DF15、DF16、DF36、DF14七條斷層，斷層落差1.5～21.5m，累計影響工作面長度1660m。

我礦在長期回采過斷層中一般采用強行通過和搬家倒面的方式過斷層。下面以11采區比較有特點的三個工作面進行說明。分別為110201綜采工作面采用直接通過DF13正斷層、110202綜放工作面采用搬家倒面通過DF42正斷層及110205綜放工作面采用直接通過DF16正斷層進行回采。

110201工作面設計走向長度2976m，傾斜長度305m，煤層平均厚度8.2m，傾角6°～10°。采用走向長壁綜合機械化采煤方法進行開采，采高5.5m，可采儲量630萬t。根據三維地震勘探報告及已施工巷道所揭露的實際情況，110201工作面內有DF14、DF15、DF16、DF12、DF13、F34六條斷層，其中DF13正斷層（該斷層走向N13°E，傾角65°～85°，落差5.0～7.8m，斜穿工作面，影響工作面回采走向長度868m），由于落差大、影響廣，為影響工作面開采的最主要斷層。

110202工作面平均走向長度為2820m，傾斜長度270m，煤層平均厚度7.1m，傾角23°～28°，采用走向長壁綜采放頂煤方法進行開采，采高為3.0m，放煤高度為4.1m，則采放比為3.0：4.1=1：1.36。根據三維地震勘探報告及已施工巷道所揭露的實際情況，110202工作面上、下順槽巷道共揭露5條斷層，分別為DF45、DF41、DF48、DF42、DF52。其中DF42正斷層（該斷層走向NE，傾角40°～60°，落差9.0～15.0m，斜穿工作面，影響工作面回采走向長度175m），由于落差大、影響廣，為影響工作面開采的最主要斷層。

110205工作面平均走向長度為2259m，傾斜長度230m，煤層平均厚度8.5m，傾角16°～18.5°，采用走向長壁綜采放頂煤方法進行開采，采高為3.9m，放煤高度為4.6m，則采放比為3.9：4.6=1：1.2。采用走向長壁綜采放頂煤方法進行開采。根據三維地震勘探報告及已施工巷道所揭露的實際情況，110205工作面上下順槽巷道共揭露7條斷層，分別為DF13、DF43、DF41、DF15、DF16、DF36、DF14。其中DF16正斷層（該斷層走向NE，傾角50°～80°， 落差19.2～21.5m，斜穿工作面，影響工作面回采走向長度225.2m），由于落差大、影響廣，為影響工作面開采的最主要斷層。

2? 工作面過斷層方法對比

2.1 工作面斷層特性（表1）

2.2 工作面過斷層經濟指標對比（表2）

2.3 工作面過斷層方法優缺點比較（表3）

由以上對比分析：110201綜采工作面過DF13正斷層采用直接通過斷層方法優于跳采搬家的方法，經濟效益明顯;110202綜放工作面過DF42正斷層采用跳采搬家優于直接通過斷層的方法，安全管理及頂板管理難度較低;110205工作面由于我礦采掘接續緊張，如采用跳采搬家通過斷層，負責回采110205工作面的綜采一隊將有4個月的空檔期，礦全年回采產量也將無法完成，因此我礦采用直接硬過的方法通過斷層，但是，除去上述原因，就經濟利益及安全管理對比，工作面僅設備消耗、兩巷及工作面維護注高分子注漿材料費用共計1000萬元，回收原煤20.6萬噸，增加產值3627萬元，經濟效益不明顯，加之頂板管理及安全管理困難極大，因此，110205綜放工作面過DF16正斷層采用跳采搬家優于直接通過斷層的方法。

3? 工作面硬過斷層主要因素分析

從以上三個工作面過DF13、DF16及DF42正斷層方法對比可以看出，斷層落差的大少是決定跳采搬家還是直接硬過的主要決定因素，因此，要重點研究斷層落差與工作面煤層厚度間的相應關系，斷層落差大于、等于或小于煤層厚度時工作面的層位調整、頂板管控及破巖量。

工作面過斷層，主要是通過調整層位，最大限度的減少破巖，控制回采過程中頂板安全。

圖（a）中當斷層落差大于煤層厚度時，工作面不可避免的破斷層上盤煤層頂板進行回采，棗泉煤礦二煤頂板以炭質泥巖為主，次之為炭質細砂巖，炭質泥巖具滑面，易脫層，遇水膨脹變軟，根據近幾年回采經驗，當工作面頂煤厚度小于1.5m時，工作面頂板易發生漏（冒）頂事故，頂板難以控制。工作面為了減小破巖量，在傾向上要逐段增大工作面坡度，在走向也要增大支架爬坡角度。當支架仰俯角超過7°時，支架穩定性差，支護效果差，工作面頂板難以管控，只能減緩工作面支架的爬坡角度，工作面的破巖長度也相應增加，工作面通過斷層的工期也隨之變長，因此，這種情況下工作面不應采取直接硬過的方法通過斷層，應采取跳采搬家的方法過斷層。

圖（b）、（c）中當斷層落差等于或小于煤層厚度時，工作面可通過逐段調整坡度，使斷層上盤頂煤厚度達到1.5m以上，適當破斷層下盤煤層底板進行回采，斷層面附近配合注漿加固，從而有效的控制頂板安全，減小工作面破巖量，快速通過斷層。因此，這種情況下工作面應采取直接硬過的方法通過斷層。

4? 工作面硬過斷層關鍵技術研究

4.1 兩巷超前支護加強

根據工作面煤層賦存情況及工作面正常回采期間的礦壓觀測分析，為有效控制工作面風、機兩巷在斷層影響范圍內強烈動壓條件下的破壞變形，保證巷道穩定，工作面的安全正常生產，風、機兩巷應加長超前支護距離、加密單體支柱間排距，并在風機兩巷在斷層影響范圍內對巷道頂板進行注漿加固。

根據工作面風、機兩巷超前礦壓顯現情況，工作面回風巷在斷層面前后20m范圍內超前支護將原支護設計的“一梁四柱”傾向鋼梁棚棚間距由1.0m縮小為0.5m，同時，工作面機巷在原超前超前支護的“一梁四柱”傾向鋼梁棚下每3架鋼棚下架設1.2m長“一梁三柱”走向鋼梁棚進行加強支護，以確保工作面機巷的頂板支護可靠、工作面設備的正常推移及行人安全出口符合規程規定（見圖2、圖3）。

工作面回風巷頂板注漿孔要求：在距巷道下幫0.3m處的頂板上打設并與下幫夾角45°（孔眼朝工作面方向），孔深2.5m，鉆孔孔距為3m;同時沿風巷巷道中心線垂直巷道頂板施工注射孔，孔深2.5m，鉆孔孔距為3m，施工時鉆孔孔距與角度可根據現場實際情況進行適當調整，鉆孔直徑Ф=42mm（見圖4）。工作面風、機兩巷在斷層面前后各10m范圍內對巷道頂幫提前進行注漿加固，保證巷道頂幫的完整。工作機巷頂板注漿孔要求：在距上幫肩窩0.3m處的頂板上打設并與上幫夾角45°（孔眼朝工作面方向），孔深2.5m，鉆孔孔距為3m;同時沿巷道中心線垂直巷道頂板施工注射孔，孔深2.5m，鉆孔孔距為3m，施工時鉆孔孔距與角度可根據現場實際情況進行適當調整，鉆孔直徑Ф=42mm（見圖4）。

4.2 工作面合理的開采層位及采高調整

有效預防工作面架前抽條、漏冒是工作面過強過斷層的關鍵技術之一，棗泉煤礦二煤頂板以炭質泥巖為主，泥巖、粉砂巖次之，巖層層狀，水平層理，具有滑面，松軟易破碎，遇水變軟成泥，是頂板管理的重中之重。因此，每個工作面強過不同落差斷層，應結合每個斷層的賦存特點及工作面設備的配套情況，科學合理調整好工作面開采層位和工作面采高，有效防控二煤頂板抽條、漏冒是工作面強過斷層的關鍵。工作面現場生產過程中采用適當降低工作面采高調整開采層位破斷層下盤底板的方法平推通過。主要的技術有：

工作面在強過斷層時，應根據工作面“三機”配套情況，在確保采煤機安全通過的前提下，應盡量降低工作面采高。結合我礦工作面開采工藝、設備配套及煤層賦存情況，工作面斷層面向機頭方向（斷層上盤）5個支架底煤厚度不超過0.8m，工作面上盤頂煤厚度留設不小于1.5m。在保證工作面斷層上盤開采層位以上有足夠的頂煤，確保二煤頂板不發生抽條、漏冒安全的前提下，最大限度的減少工作面破斷層下盤底板巖石的工程量。工作面破底板巖石（斷層下盤）段可通過適當調整工作面傾向坡度的方法減少破巖范圍，但坡度調整段坡度不易過大，且與工作面正常段要平緩過渡，保證工作面設備的安全正常運行（見圖5）。

4.3 合理調整工作面偽斜

在高強度綜采（放）開采和復雜地質條件下，一般不宜采用“全長正過”方式通過斷層。應結合每個斷層在工作面內的賦存情況及工作面“三機”配套情況，科學合理調整工作面的偽斜長度，增大工作面與斷層走向夾角，最大限度的減少斷層面在工作面內的暴露長度及范圍，同時減小工作面過斷層時的破巖長度，以利于工作面強過斷層期間的頂板管理。

4.4 進刀方式調整

綜采（放）工作面正常回采期間采用采煤機上端頭斜切進刀，下行割煤跟機移架，上行清浮煤跟機推溜，單向割煤方式進行回采。工作面過斷層期間，根據斷層在工作面的揭露位置，合理調整工作面的進刀方式位置。當斷層面在工作面下口及中下部時，采取上端頭斜切進刀的方式;當斷層面在工作面上端頭時，可采取下端頭斜切進刀的方式;斷層面處，嚴禁斜切進刀，以確保工作面頂板的安全管理。

4.5 工作面過斷層期間回采工藝控制

結合棗泉煤礦二煤頂板松散破碎極易冒落的特點和綜采（放）工作面正常回采期間礦壓顯現的規律，采取以下主要措施，確保工作面的頂板安全：

①加強設備的檢修。過斷層期間，支架工必須加強檢修，保證支架護幫板、伸縮梁、側護、抬底、推移各千斤動作靈敏可靠。支架鉆底或架前有浮煤時及時使用抬底千斤，防止支架鉆底嚴重影響正常拉移。

②確保工作面支護及時有效可靠。過斷層期間，確保支架初撐力必須符合要求，支架頂梁接頂嚴實，移設支架時帶壓擦頂移架，超前移架，嚴禁多降，盡量減少移架對頂板的破壞。

③各工種工序的合理配合。支架工必須與采煤機司機密切配合，截割斷層面時，嚴禁成組動作支架，滯后左滾筒1～2架移架并打出伸縮梁，滯后采煤機右滾筒1～2架打出護幫板（作業人員面向工作面煤壁）。采煤機割煤時，支架的護幫板、伸縮梁不得過早收回（不得超過2架提前收回護幫板、伸縮梁），以防冒頂或片幫。

④過斷層期間，采煤機在斷層影響范圍內下行割煤時，將采煤機下行割煤速度控制在2m/min以內，及時拉移支架支護頂板，支架拉移結束后將支架頂梁升平升緊，打出伸縮梁、護幫板貼實煤壁。頂板破碎嚴重時，滯后左滾筒1架追機移架支護頂板，并及時伸出伸縮梁、護幫板，以防冒頂或片幫。

⑤采煤機司機要根據工作面風、機兩巷坡度和工作面坡度變化的大小逐步調整采煤機的臥底和抬高量，工作面不得出現臺階，以免影響設備的正常推移或因此而導致的設備損壞。

⑥過斷層期間采煤機截割巖石超過1.0m以上時，為減少采煤機截割巖石負荷大發生“悶車”等現象及減少此段頂板的空頂時間，采取提前放松動炮及減少循環進尺的方法（如將循環進尺由865mm減少到500mm）降低采煤機截割巖石量，使其快速通過，保證頂板的安全。

⑦加強對工作面頂、底煤的探測。過斷層期間，每天必須安排專人將斷層面靠上口方向5個支架范圍內的頂、底煤厚度探清楚，其他支架每隔20架探頂、底煤，并根據頂底煤厚度及時調整工作面開采層位，從而保證工作面的頂板安全。

⑧回采過程中，若工作面斷層面及頂煤厚度低于1.5m時，頂幫破碎及斷層處有抽條、漏冒跡象時，必須及時對該處頂板鋪網或對頂幫進行注漿加固，防治范圍進一步擴大。

5? 結束語

依據煤層厚度、煤層頂板巖性特征、斷層產狀、綜采（放）工作面設備配套、礦壓觀測分析及工作面回采方向，通過對跳采搬家與采取措施直接硬過斷層時經濟效益、施工工期、地質條件等多方面因素綜合進行分析對比，以及棗泉煤礦近年來通過落差21.5m以下眾多斷層的現場實踐與經驗，認為當工作面斷層落差大于煤層厚度時應采用跳采搬家的方法通過斷層，當工作面斷層落差等于或小于煤層厚度時應采取直接硬過的方法過斷層，同時，提出了在過斷層期間加強對兩巷超前支護加強，合理調整工作面開采層位及采高、偽斜及進刀方式調整等關鍵技術，加強工作面回采工藝的控制，保證了工作面的安全高效生產及礦井的安全生產。

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