杨海峰、张晓东、刘甲、徐婷婷、张腾宙

（晋能控股煤业集团挖金湾煤业公司）

一、立项原因及背景

在煤矿井下回采作业中，断层是一种十分常见的地质构造类型。受大断层影响，提前停采严重造成资源损失，为了提高资源回收率，过大断层就尤为重要。而8105小煤柱工作面是我公司首次过5m断层，在过断期间遇到了新的问题，给安全高效生产带来了一定的影响。鉴于此，煤业公司结合工程实际，通过采取联合支护技术、加强断层揭露处巷道顶板管理、调整割煤工艺、预裂孔技术等方法解决我公司小煤柱工作面过5m断层遇到的难题，取得了良好的效果，为我公司及其他石炭系矿井山4^#层小煤柱工作面过5m断层积累了宝贵经验、提供了技术支撑和保障。

二、研究或革新内容及创新点

1、工程概况

挖金湾公司山4#煤层一盘区8105小煤柱工作面东部为8103工作面采空区，该工作面走向长度为1527m，倾斜长度为226.8m，煤层厚度1.47~3.90m,平均3.24m，煤层倾角为3°，属近水平煤层，煤层顶底板岩性如表1所示。工作面采用综合机械化一次采全高后退式开采方法，MG800/2000-WD型采煤机割煤，ZZ13000/25/50型、ZZ13000/25/50H型(过渡架，工作面头部3架尾部4架)、ZTZ1000/23/42型（端头支架，工作面头部1架）支撑掩护式液压支架支护，全部垮落法管理顶板。工作面头部从1321m开始揭露5m断层、1330m处出断，尾部从1379m开始揭露、1390m处出断，5m断层特性如图1。 

 

表1   顶底板岩性

 

图1   断层特性图

2、8105小煤柱工作面过5m断层创新技术工艺

2.1断层揭露处巷道顶板管理

1）2105巷联合支护技术的应用：密切观察顺槽断层范围内及前后20m顶板压力变化情况，禁止回收巷道原有支护材料。过断前在里程1316m~1340m断层揭露处的顶板破碎区域采用施工悬吊钢梁、打井字型木垛、充填罗克休、喷浆等联合支护技术管理顶板，联合支护参数及布置示意图如图2。

施工工艺：打设工作平台（脚手架和φ50mm×6m钢管架打设长×宽×高为6m×5m×3m的平台）→打锚索→安装钢梁（工字钢垂直巷道走向布置，用70×70×10mm钢垫片固定工字钢）→拉杆稳固钢梁（拉杆规格为φ18×1200mm双头螺纹杆）→铺钢筋网（钢筋网搭接间距≥200mm，并用14^#铅丝与钢梁绑扎）→铺设井字型木垛→喷浆。

技术要求：采用联合支护技术后巷道断面不得小于原设计断面（5300mm×3500mm），且要保证巷道平缓不得有阻碍风流的地方，同时钢绞线锁具外外露长度为250mm。

 

图2   联合支护参数及布置示意图

2）5105巷顶板管理：5105巷侧煤柱为6m小煤柱，在过断期间密切观察顺槽断层范围内及前后20m顶板压力变化情况，若巷道顶板出现缝隙等压力显现情况时，在距离煤柱侧巷帮2.0m处增加一排支护。同时，过断前在1370m~1410m处补打锚索组，锚索组三花布置，组合锚索规格为φ17.8×8000mm（7000mm、6000mm）各一根，排距2000mm，间距3200mm，组合锚索布置示意图如图3。

 

图3   组合锚索布置示意图

3）调节端面距：过断期间，45^#~56^#支架处受断层影响，顶板破碎程度较高，为较好地维护顶板确保安全生产，在该区域采取超前带压移架，在设备性能允许的范围内二次推溜移架，将该处端面距缩减至100mm以内，从而缩短空顶时间和空顶面积，并且现场配备网径为50mm×50mm的菱形金属网（各金属网搭接长度为200mm），确保安全过断。

    通过采用联合支护技术、补打锚索组及调节端面距的方法，在过断期间2105巷顶底板最大移近量为368mm，两帮最大移近量约为108.3mm；5105巷顶板未下沉，底板最大鼓起量约为523mm，两帮最大移近量为385mm；工作面内未发生漏顶现象。同时过断期间未对两巷进行二次维护，具有明显的安全优势和显著的经济效益，为安全过断起到了坚实的保障作用。

2.2割煤工艺的调整和预裂孔技术的应用

1）工作面伪斜调整：为了缩短断层在工作面推进时的暴露长度，减小煤机割矸量，并结合工作面设备技术性能及工作面实际情况，在工作面头部遇断开始按头尾3:1进行推进，当头尾错差15m时工作面正常推进，使断层面与工作面的交角约为19°，断层在工作面揭露6~18个支架，效果较明显。过断后按头尾1:5调整工作面，直至头尾平齐。

2）仰斜过断强行割矸：结合顶底板岩性、断层特性和巷道实际情况，1330m~1390m巷道需爬坡，为保证工程质量及时安全顺利通过断层，要求工作面从头向尾与两顺槽平缓过度。具体为每刀挑顶60~100mm、抬底100mm，抬两刀平割一刀，然后再抬两刀平割一刀，经25个循环（75刀）工作面推进至1390m共抬底5m，爬坡约为5°，仰斜过断期间始终保证工作面采高在3.4~3.5m范围内，以此达到最佳工程质量，仰斜过断层示意图如图4。

                                                                                                     

图4   8105工作面仰斜过断层示意图

工作面头部先揭露断层，结合刮板输送机垂直弯曲度允许范围（±3°），头尾分开挑顶扶底，即工作面头部揭露断层开始先挑顶扶底，中部、尾部平缓过渡，在断层沿倾斜方向移动到工作面尾部后40个支架处，头部中部平缓过渡，尾部挑顶扶底，工作面扶底挑顶示意图如图5。

                                                                                      

图5  挑顶扶底示意图

3）割煤方式的调整：工作面内断层揭露的上盘岩层为白色细粒砂岩，下盘岩层为砂质泥岩（深灰色泥岩），上盘白色细粒砂岩只在断层揭露工作面尾部(108架~132架)范围内厚度达到1.4m~2.6m，下盘白色细粒砂岩只在79架~98架范围内存在厚度达0.8m~1.6m。除此之外，工作面揭露白色细粒砂岩均在0~0.6m。下盘较松软（f<4），可直接截割，为了降低大块率，提高开机率，双向割煤调整为单向割煤、减小截割深度、随机移架，及上行挑顶，下行割底（清浮煤），采煤机日均更换截齿率10.7%，较爆破松动岩石节约成本效果显著，同时有利于保证工作面工程质量和设备性能。

4）预裂孔技术的应用：工作面推进至白色细粒砂岩暴露厚度达0.6m以上时，运用预裂孔技术破碎岩层。该技术在我公司首次采用，综合考虑割煤工艺、岩层岩性等制定两套预裂孔技术参数，在白色细粒砂岩处孔深2.4m，泥岩处孔深1.6m，孔径均为φ42，预裂孔布置示意图如图6。

 

图6  预裂孔布置示意图

方案一：白色细粒砂岩揭露厚度在0.6~0.8m时，布置一排孔间距为0.5m的单排预裂孔；揭露厚度在0.8~1.4m时，预裂孔采用三花布置，孔间距0.5m；揭露厚度在1.4~2.6m时，预裂孔采用五花布置，顶底孔间距为1m,竖直方向上顶角孔上倾角约20°，底角孔下倾约10°，中间孔垂直钻进。泥岩处和裂纹处均布置间距为0.8m单排预裂孔。

方案二：白色细粒砂岩揭露厚度在0.6~0.8m时，将孔间距缩小为0.3m布置单排预裂孔；揭露厚度在0.8~1.4m时，孔间距缩小为0.35m；揭露厚度在1.4~2.6m时，顶底孔间距缩小为0.7m，在岩石整体性良好的地方将顶底孔间距缩小为0.6m，并适当的增加底孔与薄弱面间距100mm，减小顶孔与顶板间距15mm。

通过在现场应用预裂孔技术，方案二较方案一日均采煤机更换截齿率降低42%，方案二较传统松动爆破打孔率平均增加73.2%，人工成本同比增加，但爆破材料使用量降为0，考虑对设备性能影响、人员安全等因素方案二具有显著优势。

2.3工作面回采巷道矿压规律显现

断层影响范围内的回采巷道在工作面超前支撑压力的作用下将发生较大变形通过对回采巷道围岩的观察，来判断工作面过断层开采的安全性。通过观察可知，8105工作面支撑压力影响范围约为0~29.4m，显著影响区域为8.8m~20.8m。随着工作面的推进2105巷顶底板最大移近量约为368mm，两帮最大移近量约为108.3mm；5105巷底板鼓起量约为523mm（顶板已补打锚索组），两帮最大移近量为385mm。由此可见，5m断层对工作面回采影响较大，在断层附近采取的安全措施起到了很好的效果，同时还需延长2105巷断层影响区域巷道顶板支护，加强5105巷顶底板和两帮的管理。

三、应用情况及经济社会效益

1）8105小煤柱工作面过5m断层采取的联合支护技术、割煤工艺的调整和预裂孔松动技术均起到了很好的效果，为我公司及其他石炭系矿井生产提供了一定的技术支撑和优化方向。

1. 通过采用联合支护技术、补打锚索组及调节端面距的方法，在过断期间2105巷顶底板最大移近量为368mm，两帮最大移近量约为108.3mm；5105巷顶板未下沉，底板最大鼓起量约为523mm，两帮最大移近量为385mm；工作面内未发生漏顶现象。同时过断期间未对两巷进行二次维护，极大程度地降低了两巷维护量。

2. 预裂孔技术的采用较传统松动爆破虽然打孔率平均增加73.2%，人工成本同比增加，但爆破材料使用量降为0，考虑对设备性能影响、人员安全等因素综合比较，对人员、设备起到了很好的保护作用，具有非常可观的安全性和经济效益。

3. 过断后，我公司可多回采177m，原煤约23万吨，除去材料损耗、人工成本经济效益增加约3千多万元。

   四、技术比较

   此套过5m断层技术工艺完全适应我公司石炭系山4^#层小煤柱工作面，为集团公司其他石炭系矿井工程提供了一套比较成熟的过断层经验，但是生产过程中也发现了新的问题，影响了正常生产，我矿将深刻汲取教训，为今后的小煤柱工作面过大断层做好全方位保障，主要体现在以下三个方面：

   1）实践证明，使用联合支护技术和采用打锚索组的措施充分发挥了主动支护的优势，对回采巷道变形得到了控制，有效地提高了回采巷道的稳定性，取得了显著的安全效益。

   2）预裂孔技术破坏岩层充分利用了工作面矿山压力的压裂作用，较传统松动爆破不仅将炸药用量将至为零，还具有保护设备和人员安全性的优势，此后过断时结合现场实际情况合理调整预裂孔间排距，并考虑为预裂孔施加外力的作用。

   3）5105巷受相邻采空区的影响，巷道两帮移近量较大，采用加密支护和锚索组支护巷道控制效果较好，此后掘进队组在断层处应加强邻孔巷道两帮支护。

   五、推广应用前景

   此套小煤柱工作面过5m大断层开采技术在我公司8105小煤柱工作面过5m大断层试验取得了较好的效果，不但将传统过断爆破器材消耗降至为零，而且工艺简单高效、容易实施，易于掌握，相对来说，安全、生产效率较高。目前，该过断技术得完全适合我矿地质条件。总体来说，该开采技术能大量地减少回采巷道维护费用、截齿更换数量、爆破器材消耗量，能节约大量成本，同时对人员和采煤设备具有明显的安全社会效益，具有较强的推广价值。

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