综采工作面过断层回采工艺优化应用_范希杰.pdf

12023 年第 2 期范希杰：综采工作面过断层回采工艺优化应用范希杰：综采工作面过断层回采工艺优化应用综采工作面过断层回采工艺优化应用范希杰（晋能控股煤业集团，山西 大同 037001）摘 要 盛泰煤矿 15211 工作面回采过断层应力叠加区时，工作面出现煤壁片帮以及顶板破碎现象，分析了回采存在的技术难题，采取预裂爆破施工、对断层区岩体采取超前管棚注浆支护，对原回采工艺进行优化，降低了断层区破岩量，提高了断层区围岩稳定性，取得了显著应用成效。关键词 综采；过断层；深孔预裂爆破；超前管棚注浆支护中图分类号 TD823.97 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.001Optimization and Application of Cross-fault Mining Technology in Fully Mechanized Mining FaceFan Xijie(Jinneng Holding Coal Industry Group,Shanxi Datong 037001)Abstract:When the 15211 working face of Shengtai Coal Mine passes through the fault stress superposition area,the phenomena of coal wall slope and roof fragmentation occur in the working face,and the technical problems existing in mining are analyzed.Pre-splitting blasting construction and advanced pipe shed grouting support are adopted to optimize the original mining technology,reduce the amount of broken rock in the fault area,improve the stability of surrounding rock in the fault area,and achieve remarkable application results.Key words:fully mechanized mining;crossing fault;deep-hole presplitting blasting;advanced pipe shed grouting support收稿日期 2022-07-05作者简介 范希杰（1988），男，山西大同人，2017 年毕业于重庆大学采矿工程专业，本科，助理工程师，现从事煤矿安全生产技术管理工作。范希杰：综采工作面过断层回采工艺优化应用范希杰：综采工作面过断层回采工艺优化应用1 概述15211 工作面位于二采区的东部，西部为实体煤，北部为二采区三条大巷，东部为 15213 工作面，南部为凯永养殖场建筑区和洗煤厂煤柱区。15211运输顺槽长 2200 m，15213 运输顺槽作为本面的回风顺槽，长 2235 m，工作面长度为 208 m。15211 工作面回采煤层为石炭系上统太原组 15#煤，煤层厚 3.105.39 m，平均 4.14 m，煤层稳定。煤层顶底板岩性见表 1。15211 工作面地质构造简单，主要以中小断层为主，位于工作面 640 m 处预计揭露轴长 4.58.0 m陷落柱；预计揭露17条断层，最小断层落差为0.7 m，最大落差为 2.4 m，主要以正断层为主。15211 回采工作面采用后退式，综合机械化一次采全高采煤法。采煤机割煤、装煤，刮板输送机运煤，液压支架支护顶板，采空区的处理采用全部垮落法。采高平均 3.50 m，循环进尺 0.8 m。表 1 15#煤层顶底板岩性表顶底板名称岩石名称厚度/m岩性特征直接顶灰黑色泥岩1.08.93灰黑色，含植物化石，顶部有时相变为 14#煤层，厚 01.1 m基本顶K2 灰岩7.328.93灰色，致密块状，水平层理直接底灰黑色粉砂质泥岩3.515.71灰黑色，致密块状，水平层理2 回采技术难题 15211 工 作 面 回 采 至 504 m 处 位 于 机 尾129#87#支架揭露 F7 逆断层，断层落差为 2.4 m，倾角为 40。通过在 15211 回风顺槽现场观察发现，矿井智能化建设与开采生产22023 年第 2 期位于工作面 527 m 处还将揭露 F8 逆断层，断层落差为 1.9 m，倾角为 42，如图 1 所示。受两条断层应力叠加破坏作用，工作面煤壁及顶板破碎，大面积煤壁片帮，端面距加大以及端面冒漏等，回采速度不足 3.2 m/d，支架移架难度大，其中 92#97#支架出现陷架现象。图 1 F7、F8 断层布置剖面示意图通过在回风顺槽对断层叠加区取岩分析发现，F7、F8 断层之间煤岩体在空间上出现下移，造成顶板岩体进入回采区域，岩体从上往下依次为碳质泥岩、粉砂岩（平均厚度为 1.4 m），上部岩体硬度低，回采时极易垮落，下部岩体硬度高，单轴抗压强度达 45 MPa，岩体硬度高，采煤机强行破岩时回采速度慢且截齿磨损严重。采用采煤机强行破岩回采时，上部碳质泥岩很容易出现大面积垮落，造成顶板破碎、冒漏，同时下部煤体与岩体胶结面处很容易出现片帮，而中部粉砂岩破岩量小、垮落难度大，导致工作面顶板镂空、煤壁片帮，而支架无法及时进行支护，影响工作面回采安全。3 回采工艺优化及支护技术1-53.1 回采工艺优化为了减少采煤机破岩量，加快工作面回采速度，决定对断层区岩体采取深孔预裂爆破。（1）预裂爆破孔施工在 15211 回风顺槽侧煤壁处，钻孔开口位置距顶板1.5 m，钻孔布置间距为3.0 m，钻孔直径为40 mm，深度为30 m，钻孔垂直煤壁，共布置 10 个孔。（2）爆破孔施工完后，每个钻孔分三段装药，每段装药量为 300 g，并填装一支毫秒延期电雷管。第一段位于孔底处，第二段位于孔底中部，第三段装药后距孔口 5.0 m。每段装药后采用水炮泥进行封堵，水炮泥封堵长度不得低于 1.0 m。（3）为了提高爆破预裂效果，使爆破能量能够对岩体进行集中预裂，装药段安装“D”型聚能管。聚能管横截面呈“D”型，聚能管长度为 2.0 m，所有钻孔内聚能槽向同一侧布置。（4）为了防止工作面回采时应力区煤岩体出现失稳现象，每次爆破一个钻孔，爆破范围超前工作面 6.0 m。断层岩体预裂爆破后，工作面继续采用采煤机破岩。在过断层区时，采煤机由机尾向机头段斜切进刀并超前移架，减少断层区围岩空顶时间。3.2 支护优化由于工作面过断层区受集中应力影响顶板破碎严重，顶板预留难度大，不利于工作面支架前移，决定对断层区采取超前管棚注浆支护。15211 工作面过断层区支护断面示意图如图 2。图 2 15211 工作面过断层区支护断面示意图（mm）（1）支护原理。超前管棚注浆支护利用超前管棚支护体与注浆协同支护方式，与传统单一注浆支护、管棚支护相比简化了支护工序，减少了破碎围岩钻孔施工扰动影响。管棚全长锚固支护使管棚与破碎围岩镶嵌为一体，提高了支护效果及围岩稳定强度。（2）支护结构。超前管棚支护体采用型号为302 不锈钢材质模具浇筑而成，管棚支护杆体总长为 3.0 m，直径为 35 mm，中部孔直径为 15 mm，壁厚为 10 mm。支护体主要由锚固段、注浆段、封孔段三部分组成。锚固段为销尖状，便于插入岩体内，长度为 0.5 m；注浆段长度为 2.0 m，注浆段四周均匀布置三排注浆花孔，每排 6 个，直径为 8 mm，间距为 0.3 m；封孔段长度为 0.5 m，封孔段安装一个长度为 0.5 m 止浆塞。（3）注浆材料。采用聚氨酯/聚脲复合的有机高分子材料，组分比为 1:1。该注浆材料料溶胶的分散相颗粒粒径在 10-610-4 mm，能够很好地渗透至细小围岩裂隙内，而且凝固体抗压强度高。（4）施工工艺。管棚注浆支护施工在87#129#支架前方煤壁上，钻孔开口位置距顶板 0.3 m，钻孔深度3.0 m，直径42 mm，钻孔垂直煤壁布置，钻孔间距 3.0 m。断层区煤壁共计施工 22 个注浆钻孔，钻孔施工完后依次对钻孔内锚注超前管棚支护体，每根支护体采用一支锚固剂锚固。超前管棚支护锚注后对管体内安装注浆软管，并在管体端头安装止浆塞，将注浆软管与注浆泵连接。开启注浆泵进行注浆施工，注浆压力控制在 2.0 MPa，单孔注浆量为 45 kg。（下转第 6 页）62023 年第 2 期4 结语（1）断层侵入煤层后造成回采区域岩体量增加，加大了回采难度。15211 工作面过断层区时采取预裂爆破，对坚硬岩体提前预裂，破坏岩体力学结构，使岩体内部裂隙发育，保证工作面机械破岩时降低破岩难度和设备故障率，提高工作面回采效率。（2）多断层应力叠加区围岩在集中应力作用下极易破碎，通过对 15211 工作面断层集中应力区采取超前管棚注浆支护，实现了注浆与管棚协同支护作用，提高了围岩支护效果。（3）通过现场观察发现，对 15211 工作面过断层期间回采工艺进行优化并采取支护技术后，工作面过断层区时回采速度提高至 6.2 m/d，设备故障率由原来的 13%降低为 2%，设备维修费用减少了帮最大移近量小于 100 mm，实体煤侧巷帮最大移近量约 80 mm。进行加强支护后，巷道围岩的变形明显减小，断层侧巷帮的变形量减小幅度最大。图 6 巷道围岩变形情况5 结论（1）通过 UDEC 数值模拟计算，分析了距断层不同位置巷道的变形及破坏规律，研究了煤柱宽度对巷道变形和煤柱稳定性影响，得出了断层护巷煤柱内的应力分布规律，并确定断层护巷煤柱宽度为 20 m。（2）提出断层帮斜拉锚索注浆加固技术，以满足既适应破碎围岩大变形又能控制围岩稳定的要求。确定了近断层回采巷道合理的锚（索）支护体系和注浆加固方案。（3）在实际生产中，应结合现场实际情况调整巷道支护参数，不断优化工作面布置。同时，要做好巷道矿压观测工作，对局部变形较大的区域进行补强支护。【参考文献】1 谢小平，吴刚，尉瑞，等.断层附近软岩巷道围岩破坏机理及控制研究 J.煤炭科学技术，2020，48（09）：195-202.2 钱学森.近断层采动影响下巷道支护技术 J.煤矿安全，2015，46（12）：84-87.3 王东.断层附近巷道控制机理与支护技术 J.煤炭技术，2014，33（11）：106-108.4 刘洪林，李国栋，王宏志.近距离煤柱下巷道围岩裂隙演化规律研究 J.煤矿安全，2021，52（02）：219-224.5 余伟健，李可，芦庆和，等.裂隙发育岩体巷道围岩工程特征与变形控制 J.煤炭学报，2021，46（11）：3408-3418.6 李臣，李鹏，鲁时雨，等.断层保护煤柱下采煤工作面保留巷道破坏分析及其控制 J.矿业科学学报，2020，5（05）：519-527.7 于洋，陈勇，梁化强.近断层煤柱巷道围岩变形机理及控制研究 J.煤炭技术，2018（06）：26-29.8 王襄禹，柏建彪，李磊，等.近断层采动巷道变形破坏机制与控制技术研究 J.采矿与安全工程学报，2014，31（05）：674-680.（上接第 2 页）30 余万元。工作面在后期回采过程中应力叠加区顶板相对稳定，未出现顶板破碎、冒漏等事故。【参考文献】1 陈向前.深孔预裂爆破在综采工作面过断层中的应用 J.能源技术与管理，2022，47（01）：52-53.2 李迎政.深孔预裂爆破在综放工作面过断层全岩区的应用 J.煤，2020，29（02）：23-24.3 郝英豪.深孔预裂爆破技术在综采工作面过断层中的应用 J.水力采煤与管道运输，2013（03）：48-50.4 许起.超前管棚注浆支护在应力区巷道中应用 J.江西煤炭科技，2022（02）：79-81.5 李致周.综采工作面过断层回采工艺及围岩控制J.机械管理开发，2022，37（04）：109-110.