塔山煤矿综放工作面过断层回采工艺应用研究

饶海斌

（晋能控股煤业集团）

综采工作面过断层时受回采应力以及构造应力等多重集中应力影响，在断层带处产生卸压空间，导致断层附近煤岩体产生裂隙扩张破坏作用［1］，在煤岩体内部形成围岩松动圈，破坏了煤岩层整体力学结构以及降低了煤岩层稳定性［2］；工作面在过断层期间受回采工艺、移架方式以及围岩控制技术水平等影响，不仅降低了工作面回采效率，增加了煤柱损失量，而且工作面围岩出现严重应力显现现象，主要表现在顶板破碎冒落、煤壁片帮等，严重制约着工作面安全高效回采［3］；本项目以雁崖煤业公司塔山煤矿8305工作面为研究对象，对工作面过断层期间围岩破碎机理进行分析，并结合实际生产情况选择合理有效的回采方案以及围岩控制技术。

1 工程概况

大同煤矿集团雁崖煤业有限公司塔山煤矿8305工作面位于井田南盘区，东部为南延盘区大巷二段，南部为矿井南部矿界及中煤金海洋五家沟煤矿8302工作面采空区（矿界煤柱46～73 m），西部为矿井西部矿界及山煤集团韩家洼煤矿，北部为设计南盘区西南部未开采区域。

8305工作面设计走向长度为2 500 m，倾向长度为230 m，工作面布置于石炭系太原组中下部2#煤层中，2#煤层结构复杂，厚度较稳定，根据工作面钻孔Z906得知，工作面煤层平均厚度为9.5 m，含7层夹矸。煤层大致走向东西，倾向北。倾角较小，平均倾角为2°，呈一单斜构造，煤层顶底板情况如表1所示。8305工作面采用综合机械化放顶煤回采工艺，机采高度为3.5 m，放煤厚度为6.0 m，采放比为1∶1.7，截至2020年6月12日，工作面已回采515 m。

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根据地面三维地震勘探、矿井生产地质报告、相邻矿井实际揭露情况综合分析推断，工作面在回采过程中地质条件中等，小型断层较发育，工作面回采过程中预计揭露14条正断层，断层平均落差为1.6 m，平均倾角为42°，其中工作面回采至495 m处揭露的F158断层落差相对较大，落差为1.5 m，倾角为67°，该断层从68#支架揭露向尾部延伸，通过地质钻探发现，F158断层影响工作面回采走向长度达75 m。

2 工作面回采现状及问题分析

2.1 前期回采工艺

8305工作面回采至495 m处揭露断层时主要采用强行过断层的回采工艺，即工作面头部斜切进刀后，从1#～68#支架沿煤层底板进行回采，回采高度为3.5 m，工作面回采至断层上盘后沿煤层底板岩层回采，回采岩层厚度为1.5 m，回采煤层厚度为2.0 m，工作面上行割煤下行空刀清煤后，从头部向尾部逐一移架。

8305工作面回采至490 m处时（距F158断层5.0 m），受回采应力及构造应力集中破坏作用，工作面51#～84#支架顶板出现局部破碎现象，当工作面揭露断层后且回采至508 m处时，位于67#～71#支架顶板出现第一次冒漏，冒漏高度为1.2 m，冒漏区成半圆球状，当工作面回采至515 m处时，巷道顶板大面积破碎且伴随着煤壁片帮现象，顶板破碎区域空顶距达1.2 m，煤壁片帮最大深度达1.7 m，片帮长度达44 m。

2.2 影响因素分析

（1）煤体结构影响。8305工作面回采2#煤层结构复杂，煤层内含7层夹矸，夹矸总厚度达2.3 m，夹矸多为炭质泥岩，煤层受夹矸渗入影响，破坏了煤体胶结稳定性，煤体力学结构稳定性降低，煤体单轴抗压强度不足20 MPa，同时在应力作用下，煤体内部形成围岩“松动圈”，通过对顶煤进行探孔窥视发现，在0～2.7 m范围内钻孔壁破碎严重，无法形成稳定的煤岩承载结构，导致工作回采期间端面处顶板出现破碎现象，并向工作面前方煤体延伸。

（2）地质构造影响。8305工作面地质构造相对单一，主要以中小型断层为主，工作面在回采过程中共计揭露14条断层，其中在工作面427～500 m段共计揭露8条断层，形成断层群带，造成该区段顶板及煤壁应力显现现象严重，形成应力卸压区；当工作面回采至495 m处揭露F158断层时，集中应力在断层带处进行卸压，并对断层带附近煤岩体产生裂隙扩张破坏作用［4］，导致顶板破碎、煤壁片帮现象。

（3）回采工艺影响。8305工作面采用放顶煤回采工艺，工作面采煤高度为3.5 m，放煤高度为6.0 m，受放煤工艺影响，顶板出现失稳现象，同时在移架过程中支架顶梁对顶煤产生切顶破坏作用，加剧了端面顶板煤体破碎力度；当端面破碎带延伸至前方煤体时，顶板承载梁结构遭到破坏，导致顶板承载能力降低，顶板应力向煤壁传递，致使煤壁出现剥离破坏作用［5］，产生煤壁片帮现象。

3 回采工艺优化及围岩控制技术

为了保证8305工作面安全快速过F158断层带，提高过断层期间煤柱回采率，减少工作面破岩量，决定对工作面前期过F158断层回采工艺进行优化，采用仰斜回采工艺。

（1）8305工作面回采至515 m处时对工作面回采期间产生的伪斜及时进行调整，将工作面内浮煤清理干净，保证工作面50#～70#支架具有足够的工作阻力，并将支架移至工作面，断层处端面距控制在0.3 m以下，将采煤机移至机头处。

（2）仰斜回采时工作面采用下行割煤、上行清煤的回采方式，采煤机从机头割煤时割煤深度控制在0.5 m范围内，工作面回采至60#支架时（距断层9.0 m）开始以7°仰角进行仰斜回采，仰斜回采期间断层上盘留底煤、破顶煤进行回采，如图1所示。

（3）当工作面仰斜回采至68#支架时，揭露断层面并开始进入断层下盘，继续仰斜回采，回采时留底岩、破顶煤；当工作面仰斜回采至73#支架且完全过断层下盘底岩时，及时调整工作面回采角度进行水平回采。

（4）工作面仰斜回采期间对仰斜回采段采用超前带压擦顶移架方式，移架过程中保证支架初撑力、工作阻力不得低于90%，为了防止仰斜段移架时出现倒架现象，在50#支架机道处安装1部双速绞车，对50#～70#支架进行预拉。

4 仰斜回采围岩控制技术

为了保证8305工作面仰斜回采施工安全，降低仰斜回采期间顶板破碎、煤壁片帮等现象，仰斜回采期间决定对工作面煤壁及顶板采取“注浆加固+迈步式JW型锚索吊棚+超前锚杆”联合控制技术。

4.1 注浆加固技术

4.1.1 注浆加固机理

通过注浆泵对破碎煤岩体内高压注入化学粘接材料，粘接材料在煤岩体裂隙内进行渗透，在一定时间内进行凝固，并将破碎区内的煤矸石进行有效粘接在一起，同时注浆材料在煤岩体裂隙内进行渗透膨胀时产生二次压力，从而提高裂隙带岩体整体胶结稳定性，使破碎带煤岩体二次重组形成一个整体［6］，由于注浆材料凝固后具有较强的抗压强度以及韧性，所以注浆材料加固后的煤岩体相比注浆前的具有更强的稳定性及承载能力，其力学性能甚至优于原围岩体，可减少支护结构所承受的压力。

4.1.2 注浆施工

（1）注浆材料。通过对煤基膏体材料、铝基高水系材料、马丽散3种注浆材料进行对比分析发现，马丽散属于化学注浆材料，与催化剂混合后反应速度快，且马丽散具有凝固时间短、渗透能力强［7］、凝固后形成的胶体粘接能力强且固化物强度高等优点，所以注浆材料选用马丽散，马丽散与催化剂配比为1∶1。

（2）注浆钻孔布置。8305工作面注浆钻孔采用仰斜布置方式，在仰斜回采前3.0 m处煤壁开始布置注浆钻孔，钻孔布置间距为3.0 m，钻孔距顶板间距为1.5 m，钻孔直径为42 mm，深度为5.0 m，钻孔仰角为45°。

（3）注浆管安装。由于钻孔仰角较大，为了保证注浆效果，需对注浆钻孔进行封孔处理，首先在孔口处进行扩孔处理，扩孔深度为0.5 m，扩孔段钻孔直径为70 mm，扩孔后对钻孔内依次安装注浆管、封孔器以及注浆花管，在注浆管外露端安装1个混合枪，如图2所示，其中注浆花管长度为2.0 m，封孔器长度为0.25 m，注射管安装深度为0.6 m。

（4）注浆工艺。注浆钻孔施工完后将注浆管与3ZBQ-5/18型气动高压注浆泵进行连接，并进行注浆施工，注浆时注浆压力为1.5 MPa，单孔注浆量为40 kg，单孔注浆时间为15 min，注浆期间发现钻孔附近煤岩体出现浆液渗透时立即停止注浆［8］。

4.2 JW型锚索棚施工

为了控制端面顶板破碎现象，提高端面顶板整体稳定性，保证工作面仰斜回采期间液压支架具有足够初撑力及工作阻力，仰斜回采期间决定在端面顶板施工迈步式JW型锚索吊棚。

（1）8305工作面端面处施工的JW型锚索棚主要由1根JW型钢梁以及恒阻锚索组成，JW型钢梁长度为3.2 m，宽度为0.35 m，厚度为6 mm，钢梁采用专用磨具一次性浇筑成型，抗弯截面模量为4 497 cm3，抗压强度为1 240 MPa。

（2）JW型钢梁上焊制2个锚索支护孔，孔间距为1.75 m（支架宽度），孔直径为30 mm，每根JW型钢梁采用2根长度为4.5 m，直径为21.8 mm恒阻锚索进行固定，为了防止在移架过程中支架顶梁对恒阻锚索产生破坏作用，同一架钢梁的2根锚索施工在相邻2支架中间，如图2所示。

（3）JW型锚索吊棚施工在55#～80#支架前方端面顶板处，支架间距为0.5 m，支架排距为2.0 m，为了提高相邻2排锚索对顶板煤岩体实现联锁控制作用以及锚索吊棚支护效果，决定对相邻2排锚索吊棚采用迈步式布置。

4.3 超前管棚支护

为了控制多重应力对工作面煤体产生超前破坏作用，降低端面顶板破碎及煤壁片帮现象，决定对工作面施工1排超前管棚支护。

4.3.1 支护原理

超前管棚支护主要在工作面设计顶板位置施工1排超前支护钻孔，并在钻孔内安装钢管、锚杆或木柱等从而形成超前支护体，管棚支护可对围岩进行超前支护作用，进入岩体内的超前支护段形成支护掌子面［9］，外露段形成支护支撑，在掌子面与支撑的作用下使管棚支护形成梁式支护结构，并产生梁效应支护作用，从而控制围岩破碎区在最小范围内，防止围岩松弛和垮落。

4.3.2 支护工序

（1）首先采用手持式钻机在F158断层带前后施工一排超前管棚支护钻孔，钻孔施工在设计顶板上并与煤壁垂直布置，支护孔深度为3.0 m，直径为30 mm，孔间距为1.0 m，共计布置19个钻孔。

（2）超前支护钻孔施工完后，对钻孔内锚注1根长度为3.5 m，直径为28 mm的玻璃钢加长锚杆，采用端头锚固方式，每根玻璃钢锚杆采用2支锚固剂锚固，锚固长度为0.7 m，锚固力为200 kN。

（3）超前管棚支护施工完成后，工作面在移架时使支架顶梁与管棚支护体接触严实，进行带压擦顶移架，当第1排超前管棚施工完且工作面推进2.5 m后，施工第2排超前管棚支护，相邻2排支护交错叠加布置［10］，叠加距离为1.0 m。

5 结论

（1）与传统强行破岩法过断层相比，仰斜回采工艺减少了过断层期间破岩量，提高了煤柱回收量，避免了传统过断层回采工艺导致采空区内遗煤量大，采煤区煤层自燃现象严重等技术难题，通过实践应用发现，8305工作面采用仰斜法过F158断层时，工作面破岩量减少了2 176 m3，提高煤柱回收量达1.4万t，经济效益达850万元，同时采用该回采工艺后，工作面机电设备故障率降低至4%以下，大大降低了设备维修费用。

（2）对8305工作面仰斜回采期间顶板采取联合支护技术后，有效控制了因构造应力破坏作用而导致顶板破碎、煤壁片帮现象，提高了围岩稳定性，保证了工作面安全快速回采。通过现场观察发现，采取联合支护技术后，断层带处端面距控制在0.4 m以下，片帮深度控制在0.5 m以下，液压支架在仰斜段工作阻力提高至92%以上。