Research and Practice of Fully Mechanized Mining (Discharge) Working Face Crossing Different Drop Faults
邓新东 DENG Xin-dong
（神华宁夏煤业集团有限责任公司枣泉煤矿，银川 750000）
（Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.，Ltd. Zaoquan Coal Mine，Yinchuan 750000，China）
摘要：本文介绍了枣泉煤矿综采（放）工作面在强过不同落差断层过程中，通过过断层方法分析对比及工作面现场强过断层的实际探索与应用，总结得到了关键技术及经验，取得了较好的效果，为矿井安全高效生产奠定了基础，具有重要意义。
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.
关键词：工作面；强过断层；关键技术；工艺
Key words: working face；crossing fault；key technology；process
中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）35-0160-05
0 引言
受枣泉井田碎石井大背斜构造影响，背斜两翼地应力大，断层构造多，给矿井正常的采掘活动带来极大的影响，造成工作面布置困难，矿井回采率降低，吨煤成本增加，工作面开采困难，安全管理压力增加。因此，根据不同断层参数确定合理的过断层工艺，能够有效控制工作面的顶板安全、设备的工作状态，从而保证工作面的正常生产，达到安全、快速、经济的目的，具有重要的现实意义。
1 概况
1.1 矿井概况
枣泉煤矿是神华宁煤集团公司成立后新建的第一座现代综合机械化大型煤炭生产矿井，是神华宁煤集团的主力生产矿井之一。井田位于宁夏灵武矿区南部灵武市东南62km的毛乌素沙漠的边缘，行政区划属灵武市马家滩乡管辖。井田东北部以赵儿塔向斜轴与羊场湾煤矿为界，正北部以29勘探线与英子梁井田为界，东西南三面均以1煤层+600m水平底板等高线在地面的投影线为界。井田南北长13km，东西平均宽约4km，面积56.68km2，井田以南北走向向南倾伏，东西两翼为对称的碎石井背斜主体构造。背斜轴部煤层倾角缓（3～25°），背斜深部及北部倾角大（25～45°）。矿井地质储量9.65亿吨，设计可采储量5.26亿吨，设计服务年限75.6年，总体生产能力800万吨/年。
1.2 地质概况
枣泉井田以南北走向向南倾伏，东西两翼对称的碎石井背斜主体构造。背斜轴部煤层倾角缓（3～25°），背斜深部及北部倾角大（25～45°）。根据枣泉煤矿建矿至今在生产过程中实际揭露的地质构造与补充勘探提供的地质构造进行对比、总结，共查明11采区、12采区、13、14采区断层108条及断点3个。其中11采区查明断层37条；12采区查明断层59条；13、14采区查明断层15条及断点3个。井田内断层发育，地质构造较复杂。
1.3 近年来工作面强过断层概况
由于断层赋存多、复杂，每个回采工作面不同程度都得进行过断层回采，已回采过的11采区110201综采工作面内共有DF14、DF15、DF16、DF12、DF13、DF34六条断层，断层落差2.3～12.0m，累计影响工作面长度1248m；110202综放工作面内共有DF45、DF41、DF48、DF42、DF52五条断层，断层落差1.5～15.0m，累计影响工作面长度536m；110203综采工作面内共有DF14、DF15、DF16、DF41、DF13、DF42、DF43七条断层，断层落差1.8～6.5m，累计影响工作面长度1540m；110204综放工作面内共有DF57、DF48、DF59、DF42、F52、DF62、DF63、DF64、DF65九条断层，断层落差1.5～15m，累计影响工作面长度830m； 110205综放工作面内共有DF13、DF43、DF41、DF15、DF16、DF36、DF14七条断层，断层落差1.5～21.5m，累计影响工作面长度1660m。
我矿在长期回采过断层中一般采用强行通过和搬家倒面的方式过断层。下面以11采区比较有特点的三个工作面进行说明。分别为110201综采工作面采用直接通过DF13正断层、110202综放工作面采用搬家倒面通过DF42正断层及110205综放工作面采用直接通过DF16正断层进行回采。
110201工作面设计走向长度2976m，倾斜长度305m，煤层平均厚度8.2m，倾角6°～10°。采用走向长壁综合机械化采煤方法进行开采，采高5.5m，可采储量630万t。根据三维地震勘探报告及已施工巷道所揭露的实际情况，110201工作面内有DF14、DF15、DF16、DF12、DF13、F34六条断层，其中DF13正断层（该断层走向N13°E，倾角65°～85°，落差5.0～7.8m，斜穿工作面，影响工作面回采走向长度868m），由于落差大、影响广，为影响工作面开采的最主要断层。
110202工作面平均走向长度为2820m，倾斜长度270m，煤层平均厚度7.1m，倾角23°～28°，采用走向长壁综采放顶煤方法进行开采，采高为3.0m，放煤高度为4.1m，则采放比为3.0：4.1=1：1.36。根据三维地震勘探报告及已施工巷道所揭露的实际情况，110202工作面上、下顺槽巷道共揭露5条断层，分别为DF45、DF41、DF48、DF42、DF52。其中DF42正断层（该断层走向NE，倾角40°～60°，落差9.0～15.0m，斜穿工作面，影响工作面回采走向长度175m），由于落差大、影响广，为影响工作面开采的最主要断层。
110205工作面平均走向长度为2259m，倾斜长度230m，煤层平均厚度8.5m，倾角16°～18.5°，采用走向长壁综采放顶煤方法进行开采，采高为3.9m，放煤高度为4.6m，则采放比为3.9：4.6=1：1.2。采用走向长壁综采放顶煤方法进行开采。根据三维地震勘探报告及已施工巷道所揭露的实际情况，110205工作面上下顺槽巷道共揭露7条断层，分别为DF13、DF43、DF41、DF15、DF16、DF36、DF14。其中DF16正断层（该断层走向NE，倾角50°～80°, 落差19.2～21.5m，斜穿工作面，影响工作面回采走向长度225.2m），由于落差大、影响广，为影响工作面开采的最主要断层。
2 工作面过断层方法对比
2.1 工作面断层特性（表1）
2.2 工作面过断层经济指标对比（表2）
2.3 工作面过断层方法优缺点比较（表3）
由以上对比分析：110201综采工作面过DF13正断层采用直接通过断层方法优于跳采搬家的方法，经济效益明显；110202综放工作面过DF42正断层采用跳采搬家优于直接通过断层的方法，安全管理及顶板管理难度较低；110205工作面由于我矿采掘接续紧张，如采用跳采搬家通过断层，负责回采110205工作面的综采一队将有4个月的空档期，矿全年回采产量也将无法完成，因此我矿采用直接硬过的方法通过断层，但是，除去上述原因，就经济利益及安全管理对比，工作面仅设备消耗、两巷及工作面维护注高分子注浆材料费用共计1000万元，回收原煤20.6万吨，增加产值3627万元，经济效益不明显，加之顶板管理及安全管理困难极大，因此，110205综放工作面过DF16正断层采用跳采搬家优于直接通过断层的方法。
3 工作面硬过断层主要因素分析
从以上三个工作面过DF13、DF16及DF42正断层方法对比可以看出，断层落差的大少是决定跳采搬家还是直接硬过的主要决定因素，因此，要重点研究断层落差与工作面煤层厚度间的相应关系，断层落差大于、等于或小于煤层厚度时工作面的层位调整、顶板管控及破岩量。
工作面过断层，主要是通过调整层位，最大限度的减少破岩，控制回采过程中顶板安全。
图（a）中当断层落差大于煤层厚度时，工作面不可避免的破断层上盘煤层顶板进行回采，枣泉煤矿二煤顶板以炭质泥岩为主，次之为炭质细砂岩，炭质泥岩具滑面，易脱层，遇水膨胀变软，根据近几年回采经验，当工作面顶煤厚度小于1.5m时，工作面顶板易发生漏（冒）顶事故，顶板难以控制。工作面为了减小破岩量，在倾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。当支架仰俯角超过7°时，支架稳定性差，支护效果差，工作面顶板难以管控，只能减缓工作面支架的爬坡角度，工作面的破岩长度也相应增加，工作面通过断层的工期也随之变长，因此，这种情况下工作面不应采取直接硬过的方法通过断层，应采取跳采搬家的方法过断层。
图（b）、（c）中当断层落差等于或小于煤层厚度时，工作面可通过逐段调整坡度，使断层上盘顶煤厚度达到1.5m以上，适当破断层下盘煤层底板进行回采，断层面附近配合注浆加固，从而有效的控制顶板安全，减小工作面破岩量，快速通过断层。因此，这种情况下工作面应采取直接硬过的方法通过断层。
4 工作面硬过断层关键技术研究
4.1 两巷超前支护加强
根据工作面煤层赋存情况及工作面正常回采期间的矿压观测分析，为有效控制工作面风、机两巷在断层影响范围内强烈动压条件下的破坏变形，保证巷道稳定，工作面的安全正常生产，风、机两巷应加长超前支护距离、加密单体支柱间排距，并在风机两巷在断层影响范围内对巷道顶板进行注浆加固。
根据工作面风、机两巷超前矿压显现情况，工作面回风巷在断层面前后20m范围内超前支护将原支护设计的“一梁四柱”倾向钢梁棚棚间距由1.0m缩小为0.5m，同时，工作面机巷在原超前超前支护的“一梁四柱”倾向钢梁棚下每3架钢棚下架设1.2m长“一梁三柱”走向钢梁棚进行加强支护，以确保工作面机巷的顶板支护可靠、工作面设备的正常推移及行人安全出口符合规程规定（见图2、图3）。
工作面回风巷顶板注浆孔要求：在距巷道下帮0.3m处的顶板上打设并与下帮夹角45°（孔眼朝工作面方向），孔深2.5m，钻孔孔距为3m；同时沿风巷巷道中心线垂直巷道顶板施工注射孔，孔深2.5m，钻孔孔距为3m，施工时钻孔孔距与角度可根据现场实际情况进行适当调整，钻孔直径Ф＝42mm（见图4）。工作面风、机两巷在断层面前后各10m范围内对巷道顶帮提前进行注浆加固，保证巷道顶帮的完整。工作机巷顶板注浆孔要求：在距上帮肩窝0.3m处的顶板上打设并与上帮夹角45°（孔眼朝工作面方向），孔深2.5m，钻孔孔距为3m；同时沿巷道中心线垂直巷道顶板施工注射孔，孔深2.5m，钻孔孔距为3m，施工时钻孔孔距与角度可根据现场实际情况进行适当调整，钻孔直径Ф＝42mm（见图4）。
4.2 工作面合理的开采层位及采高调整
有效预防工作面架前抽条、漏冒是工作面过强过断层的关键技术之一，枣泉煤矿二煤顶板以炭质泥岩为主，泥岩、粉砂岩次之，岩层层状，水平层理，具有滑面，松软易破碎，遇水变软成泥，是顶板管理的重中之重。因此，每个工作面强过不同落差断层，应结合每个断层的赋存特点及工作面设备的配套情况，科学合理调整好工作面开采层位和工作面采高，有效防控二煤顶板抽条、漏冒是工作面强过断层的关键。工作面现场生产过程中采用适当降低工作面采高调整开采层位破断层下盘底板的方法平推通过。主要的技术有：
工作面在强过断层时，应根据工作面“三机”配套情况，在确保采煤机安全通过的前提下，应尽量降低工作面采高。结合我矿工作面开采工艺、设备配套及煤层赋存情况，工作面断层面向机头方向（断层上盘）5个支架底煤厚度不超过0.8m，工作面上盘顶煤厚度留设不小于1.5m。在保证工作面断层上盘开采层位以上有足够的顶煤，确保二煤顶板不发生抽条、漏冒安全的前提下，最大限度的减少工作面破断层下盘底板岩石的工程量。工作面破底板岩石（断层下盘）段可通过适当调整工作面倾向坡度的方法减少破岩范围，但坡度调整段坡度不易过大，且与工作面正常段要平缓过渡，保证工作面设备的安全正常运行（见图5）。
4.3 合理调整工作面伪斜
在高强度综采（放）开采和复杂地质条件下，一般不宜采用“全长正过”方式通过断层。应结合每个断层在工作面内的赋存情况及工作面“三机”配套情况，科学合理调整工作面的伪斜长度，增大工作面与断层走向夹角，最大限度的减少断层面在工作面内的暴露长度及范围，同时减小工作面过断层时的破岩长度，以利于工作面强过断层期间的顶板管理。
4.4 进刀方式调整
综采（放）工作面正常回采期间采用采煤机上端头斜切进刀，下行割煤跟机移架，上行清浮煤跟机推溜，单向割煤方式进行回采。工作面过断层期间，根据断层在工作面的揭露位置，合理调整工作面的进刀方式位置。当断层面在工作面下口及中下部时，采取上端头斜切进刀的方式；当断层面在工作面上端头时，可采取下端头斜切进刀的方式；断层面处，严禁斜切进刀，以确保工作面顶板的安全管理。
4.5 工作面过断层期间回采工艺控制
结合枣泉煤矿二煤顶板松散破碎极易冒落的特点和综采（放）工作面正常回采期间矿压显现的规律，采取以下主要措施，确保工作面的顶板安全：
①加强设备的检修。过断层期间，支架工必须加强检修，保证支架护帮板、伸缩梁、侧护、抬底、推移各千斤动作灵敏可靠。支架钻底或架前有浮煤时及时使用抬底千斤，防止支架钻底严重影响正常拉移。
②确保工作面支护及时有效可靠。过断层期间，确保支架初撑力必须符合要求，支架顶梁接顶严实，移设支架时带压擦顶移架，超前移架，严禁多降，尽量减少移架对顶板的破坏。
③各工种工序的合理配合。支架工必须与采煤机司机密切配合，截割断层面时，严禁成组动作支架，滞后左滚筒1～2架移架并打出伸缩梁，滞后采煤机右滚筒1～2架打出护帮板（作业人员面向工作面煤壁）。采煤机割煤时，支架的护帮板、伸缩梁不得过早收回（不得超过2架提前收回护帮板、伸缩梁），以防冒顶或片帮。
④过断层期间，采煤机在断层影响范围内下行割煤时，将采煤机下行割煤速度控制在2m/min以内，及时拉移支架支护顶板，支架拉移结束后将支架顶梁升平升紧，打出伸缩梁、护帮板贴实煤壁。顶板破碎严重时，滞后左滚筒1架追机移架支护顶板，并及时伸出伸缩梁、护帮板，以防冒顶或片帮。
⑤采煤机司机要根据工作面风、机两巷坡度和工作面坡度变化的大小逐步调整采煤机的卧底和抬高量，工作面不得出现台阶，以免影响设备的正常推移或因此而导致的设备损坏。
⑥过断层期间采煤机截割岩石超过1.0m以上时，为减少采煤机截割岩石负荷大发生“闷车”等现象及减少此段顶板的空顶时间，采取提前放松动炮及减少循环进尺的方法（如将循环进尺由865mm减少到500mm）降低采煤机截割岩石量，使其快速通过，保证顶板的安全。
⑦加强对工作面顶、底煤的探测。过断层期间，每天必须安排专人将断层面靠上口方向5个支架范围内的顶、底煤厚度探清楚，其他支架每隔20架探顶、底煤，并根据顶底煤厚度及时调整工作面开采层位，从而保证工作面的顶板安全。
⑧回采过程中，若工作面断层面及顶煤厚度低于1.5m时，顶帮破碎及断层处有抽条、漏冒迹象时，必须及时对该处顶板铺网或对顶帮进行注浆加固，防治范围进一步扩大。
5 结束语
依据煤层厚度、煤层顶板岩性特征、断层产状、综采（放）工作面设备配套、矿压观测分析及工作面回采方向，通过对跳采搬家与采取措施直接硬过断层时经济效益、施工工期、地质条件等多方面因素综合进行分析对比，以及枣泉煤矿近年来通过落差21.5m以下众多断层的现场实践与经验，认为当工作面断层落差大于煤层厚度时应采用跳采搬家的方法通过断层，当工作面断层落差等于或小于煤层厚度时应采取直接硬过的方法过断层，同时，提出了在过断层期间加强对两巷超前支护加强，合理调整工作面开采层位及采高、伪斜及进刀方式调整等关键技术，加强工作面回采工艺的控制，保证了工作面的安全高效生产及矿井的安全生产。
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