超长大采高综采工作面仰采安全过斜交大断层技术实践祁连光

超长大采高综采工作面仰采安全过斜交大断层技术实践祁连光

祁连光周拥军晏正义

摘要：许疃煤矿72314工作面设计采用刀把布置方式，里、外切眼对接后，工作面长305m，平均采高4.6m。该面在纪庄背斜轴部揭露NJF105（18°∠25～70°H=1.4～7.2m）断层后，由于该断层影响范围大,走向影响132m，倾向影响295m,最大落差7.2m，造成全岩55m左右,同时受纪庄背斜影响,工作面中下部实际揭露最大仰采25°，超长大采高综采工作面安全过大斜交断层在淮北矿区尚属首次，没有成功经验可供借鉴和参考，能否安全推过该断层，将直接影响矿井的整体效益和正常接替，为此，许疃煤矿做了大量工作，多次召开专题会议，成立组织领导小组，集成创新构建了大采高综采面仰采过大断层安全技术保障体系，实现了工作面过断层期间连续推进，提高了回采效率，减少了巷道掘进量，实现了工作面过断层期间连续推进及安全生产。

关键词：超长；大采高；大断层；仰采；斜交

引言

近年来，淮北矿业集团许疃煤矿坚持“大走向、大斜长、大储量”生产布局思路，提高单面储量，延长单面服务年限，减少设备安装拆除次数，有效缓解了矿井生产接替紧张局面，其中，许疃煤矿72314大采高工作面就是一个有力的印证，工作面长305m，平均采高4.6m，月度单产可达20万t以上，对稳定矿井产能具有十分重要的意义。

超长大采高综采工作面仰采安全过大斜交断层在淮北矿区也尚属首次[1-7]，没有成功经验可供借鉴和参考，是否能安全推过该断层，将直接影响矿井的整体效益和长远接替。为此，过断层期间，成立组织领导小组，集体研究制定过断层技术方案，多措并举，强化现场管理,实现了工作面过断层期间连续推进及安全生产。

1工作面过NJF105断层概况

1.1工作面概况

72314工作面位于83下采区北翼第Ⅱ阶段，北至工业广场保安煤柱，南至83下采区运输兼行人下山保安煤柱，东临72316工作面(尚未准备)，西临72312工作面（已回采）。该工作面煤层为71与72煤合并区，属二迭系下统下石盒子组，煤层厚度3.40～6.20m，平均煤厚4.6m，属于厚煤层。煤层基本顶为细砂岩，平均厚度4.98m，直接顶为泥岩，平均厚度2.8m，直接底为泥岩，平均厚度2.33m，基本底为细砂岩，平均厚度11m。工作面倾角0～26°，平均13°。工作面外段走向长1362m，里段段走向长度862m，外段倾向长度305m，里段倾向长度126m。

1.2主要机电设备配备

1）采煤机：三一重工MG650/1720-WD采煤机，滚筒直径2.8m。

2）转载机：张家口SZZ1000/400；

3）刮板输送机：采用SGZ1000/2000，配备交流变频调整装置。

4）工作面支架：ZZ11000-25.5/56型支撑掩护式支架，173架。

5）皮带：DSJ120/180/2×315皮带，配备交流变频调整装置。

1.3NJF105正断层预报概况

1）开采深度大，最大达642m，地压大；

2）煤层倾角大，最大达26°；该断层面延伸至腰巷附近时，断层面局部煤层倾角最大达70°；

3）断层落差大，风巷揭露该断层时落差1.4m；腰巷揭露该断层时落差7.2m，造成全岩55m左右；机巷揭露该断层时落差2m，造成破顶2m左右；

4）断层影响范围大，此断层从风巷揭露一直延伸至机巷，走向影响132m，倾向影响295m；

5）同时受背斜影响，工作面中下部处于仰采，仰采最大角度为17°，实际揭露最大仰采25°。

2过断层方案论证

方案一：工作面改造，越过断层开新切眼。优点：减少断层对工作面的影响，保护综采设备。缺点：工作面必须停产，同时涉及到有关掘进、通风、原工作面收作及新工作面安装、初放等工作，过程比较繁杂，影响产量和效率，另外要留设一定的隔离煤柱，丢掉一部分资源。

方案二：直接推进，强行推过断层及影响区域。优点：不仅能避免工作面搬家所带来的工期延长和经济损失，而且延长了工作面走向长度，提高了回采效率，减少了巷道掘进量，比第一种方案可缩短工期一个月。缺点：过断层时由于断层交接面处顶板岩石破碎，很容易造成工作面冒顶，而且挑顶卧底很容易损坏采煤机、运输机等机电设备。

经过研究，从提高资源回收率，减少采掘干扰，减轻接替压力的角度考虑，本着安全可靠、经济合理、技术可行的前提下，选择方案二。

3构建技术支撑体系

3.1超前绘制地质预报、实测地质完善地质资料、动态调整方案、精准指导生产

1）过断层30m前，矿地质部门在断层影响区沿走向每隔10m绘制断层影响区14组地质倾向预想图，同时沿倾向每隔30m-50m绘制6组地质走向预想图，同时将过断层业务联系单下发给生产技术部门及生产单位，见图1。

2）过断层期间，严格落实“三级”地质管理制度，矿地质部门每天及时收集资料，并根据工作面实际情况调整、完善断层地质图，绘制工作面实际剖面并报送生产技术部门。

3）生产技术部门根据实测地质剖面图及时调整断层影响区域的回采方案，坚持割软不割硬的原则，尽量减少割煤层顶、底板岩石，并以书面的形式下发给采煤分管领导及生产单位。

3.2多措并举强化工程安全、质量过程管控

1）过断层期间，从采煤系统抽调业务水平较高的副队长以上管理人员（含熟练的液压支架操作工）参与现场跟班，确保过断层期间施工质量不打折扣。

2）采煤分管领导与矿职能科室（采煤业务过硬管理人员）全程跟带班，参与现场指导生产，强化过断层期间安全管控，确保过断层期间人员、设备安全无盲区。

3）生产期间，严格控制抬、卧底量，每一刀抬卧底及挑顶量不得超过200mm，控制刮板输送机仰俯角在15°左右，工作面严禁出现“飘车”及“栽车”现象，使断层面两侧顶、底板平缓过渡，保证刮板输送机平顺过渡。

4）工作面煤壁片帮严重时，及时拉超前架，顶板完好区域支架初撑力必须达到24MPa，顶板破碎或顶板漏空区域要调整好支架，保证支架顶梁受力状态良好，接顶严密，临架顶梁要衬平，控制支架仰俯采角度，防止支架出现“冲天炮”和“栽头”现象。

3.3固化断层影响区域顶板管理措施、优化煤壁使棚技术方案

1）顶板管理措施。工作面顶板破碎或漏顶区域移架时要迅速，每次操作一架支架，严禁多架同时操作；拉架时，采取带压擦顶拉架，使用支架前梁配合护帮板将大块石头顶住，以减少矸石冒落；漏顶区域采用采煤机尽可能停放在上部顶板完好地段，防止大块矸石在采煤机下方卡住，同时防止运输机受力严重出现断链条现象；在刮板输送机最大水平弯曲度允许的情况下，连续加刀、快速推进通过漏顶区域；工作面顶板漏空区域采用走平刀的方法进行割煤，以便支架顶梁能够快速钻入煤壁接顶，通过冒顶区后再调整层位。顶板破碎严重且片帮较宽，无法控制顶板，及时煤壁使棚管理，见图2。

使棚管理要点：采用3000mm平顶29U型钢做梁配合单体液压支柱，一架两棚使走向棚管理。棚距900±100mm，一梁两柱柱距1200±100mm，一梁三柱柱距800±100mm。走向套棚时，使用U型钢配合单体液压支柱一梁两柱走向架设，两U型钢（道）搭接长度≮600mm，使用两副限位卡缆固定牢固。走向棚施工结束后在U型钢梁下施工顺山锚索梁进行加固顶板，同时使用树脂锚杆配合钢带、注塑网进行临时封帮管理，为煤机割煤及拉架做好准备工作。

2）回采管理措施。过断层期间，局部断层影响区域顶板掉顶、煤壁片帮，若继续使用采煤机割煤，必将导致工作面煤壁片帮、掉顶范围增大，对于现场顶板管理非常不利，因此独创新型割煤工艺，具体如下：采煤机停放在上半部顶板完好处，防止大块卡在煤机下方；煤机不能通过的的区域为煤底时，煤底较软时，采取的回采工艺如下：

①每10架为一组安专人整体直接推移运输机，利用运输机铲板将煤铲至运输机，同时运输机开启，运输机溜空后，安专人拉架；

②顶板破碎区域拉架结束后，方可进行下一组抵车、拉架作业；

③重复①、②步骤，直至下半部进尺与煤机割煤步距相同时，方可使用采煤机对工作面上半部进行割煤；

煤机不能通过的的区域为矸石底或煤底较硬时，采取的回采工艺如下：

①下半部煤机不能通过顶板破碎带期间，打底眼、放小炮松动底板煤（矸）；

②人工进入煤壁进行攉煤（矸）；

③运输机铲板前清理到位时，每10架为一组安专人整体直接推移运输机，利用运输机铲板将煤铲至运输机，同时运输机开启，运输机溜空后，安专人拉架；

④重复①、②、③步骤，直至下半部进尺与煤机割煤步距相同时，方可使用采煤机对工作面上半部进行割煤；

待断层影响区域煤机能正常通过时，方可使用煤机对工作面进行正常割煤。

3）机电设备检修措施。过断层期间，强化机电设备的维护与检修，及时更换采煤机滚筒截齿，避免损坏采煤机滚筒；保证液压支架完好，杜绝液压系统跑、冒、滴、漏现象，避免压力损失，确保过断层期间各种设备正常运行；加强对乳化液泵站及液压管路提前进行排查检修，防止因管路老化、泵站故障，影响工作面供液，进而影响工作面推进度。

3.4支架稳定性控制安全技术

1）当煤层变厚时要注意控制采高，要根据现场情况可以适当留底煤，但严禁留顶煤，严禁支架超高使用。

2）过断层期间在顶板破碎时要坚持带压擦顶移架，当支架出现歪斜时要利用支架的侧护板边移边调架。拉架时要一次移到位，避免频繁升降架而加剧顶板的破坏。

3）在断层的交面处，根据断层情况可以适当破顶或底板，尽可能使工作面平缓过渡，防止出现台阶。在拉架时注意控制好降架幅度。

4）当工作面倾角大于25°时，调架措施如下：

①在支架出现轻微歪斜（5°以下）时，可以利用支架的侧护板及时调整。方法为：升架前要将下侧护板伸出，使支架垂直顶板，然后升架并与相邻架侧护板对齐。

②当支架倾倒比较严重时可以采取单体斜撑或千斤顶辅助扶架。

5）工作面处理死架时，采用人工卧底。

6）处理支架吊斜时利用支架侧护板或底调油缸，进行调整支架。

3.5完善火、瓦斯防治管理措施，杜绝煤层自燃、瓦斯超限

（1）加强预测预报

①束管预埋

工作面过断层时，在丢煤段每各15架设置架间防火观测撞管，里端埋入架后丢煤处，外部引束管观测。在上、下隅角每30m埋设一趟束管，压茬15m，并进行挂牌管理。

②监测监控：在工作面风巷T2、T1位置安装CO传感器；在风巷T2安装温度传感器；在上隅角抽放管道上安装管道CO传感器，并在上隅角显示屏上实时显示。定期安人维护，确保探头灵敏、可靠，确保能连续检测回风流温度及CO情况。

（2）灌浆防火措施

①工作面灌浆管路预埋

在工作面风巷距断层80m、60m、40m、20m处，提前各预埋一趟不小于3吋灌浆管路。

②灌浆条件

（1）采空区各防火观测点检查发现有CO且有增大趋势时，色谱化验出现C2H6且有稳定增加趋势时。

（2）因断层构造影响或者其他原因，造成推进速度小于41m/月时。

出现以上情况，要采用随采灌浆等措施延长采空区遗煤自燃发火期。

（3）注氮防火措施

①工作面注氮管路预埋

在工作面机巷距断层80m、60m、40m、20m处，提前各预埋一趟不小于4吋管路。

②注氮条件

采空区各防火观测点检查发现有CO且有增大趋势时，色谱化验出现C2H6且有稳定增加趋势时。

因断层构造影响或者其他原因，造成推进速度小于41m/月，且工作面俯采灌浆效果不明显时。

（4）上、下隅角管理

①上、下隅角锚杆、锚索进入采空区前必须拆除，不能拆除的要将锚杆、锚索附近围岩捣碎失锚。

②加强对上、下隅角的充填堵漏，每推进10m封堵一道隔离垛，厚度1m，确保上、下隅角不漏风。

四、结论

通过对超长大采高综采工作面仰采过斜交正断层进行了方案论证，构建了大采高综采面过大断层安全技术保障体系，分步实施了工作面过大断层精准地质管理技术、工程安全质量过程管控技术、支架稳定性控制、顶板管理技术、工作面爆破技术、机电设备检修及防火及瓦斯防治等安全技术措施(见图3)，实现了工作面过断层期间连续推进，提高了回采效率，减少了巷道掘进量，从而保证工作面安全、顺利推过NJF105大断层，结合生产实践总结如下：

1.结合超前地质预报，根据现场实际，完善地质预报、补充过断层方案，精准指导现场过断层，同时安排矿职能科室管理人员及采煤分管领导现场全程跟班，有效的将方案落到实处，从而保证了安全生产。

2.独创新型采煤工作面人工推进与煤机推进协同回采工艺，为控制断层影响区域顶板控制、煤帮管理起了关键作用。

3.过断层期间，优化煤壁使棚技术方案，与以往煤壁使棚相比，使用平顶U型钢钢梁不仅提高了支护强度，同时使用限位卡缆连接、顺山锚索梁加固及临时封帮管理，进一步提高了支护强度及使棚的整体性，为煤机在此段通行及拉架创造了安全操作空间。可为大采高工作面在顶板破碎段回收期间施工回撤支架硐室提供借鉴。

4.集成创新构建了大采高综采面仰采过大断层安全技术保障体系，可为淮北矿区其他矿井大采高综采工作面过断层提供借鉴。

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作者简介：

祁连光(1988–)，男，安徽理工大学能源与安全学院采矿工程专业硕士研究生，现为淮北矿业许疃煤矿生产技术部设计主管技术员，E-mail：lianguang_1988@163.com