极复杂条件下孤岛综放工作面同时过断层和老巷技术研究

张舰

摘 要：11917工作面为东一采区上山煤柱工作面，工作面切眼紧邻SF3断层布置。工作面两侧均为采空区，应力集中，顶板压力大，回采困难。本文通过研究不同层位老巷支护技术，确定最优支护参数和方式;研究释放近采空区侧顶板压力技术;研究煤层自燃规律，确定合理管控措施;研究SF1断层煤柱回收技术;研究大角度俯采期间支护技术;研究工作面同时过老巷和断层的支护技术。通过以上研究解决回采过程中遇到的孤岛工作面断层与老巷重叠带来的工作面围岩应力集中、采场来压明显、煤体松软、支护难度大以及推进困难等问题，保证极复杂条件下孤岛综放工作面回采的安全、高效、高采出率。

关键词：孤岛工作面;断层;老巷;大角度俯采;预裂切顶技术

中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）32-0070-03

Study on Technology of Crossing Fault and Old Roadway Simultaneously in Island Fully Mechanized Top Coal Caving Face under Extremely Complex Conditions

ZHANG Jian

（Jizhong Energy Group Co.， Ltd.， Xingtai Hebei 054000）

Abstract： 11917 working face is an uphill coal pillar working face in East No. 1 mining area. The cutting hole of the working face is arranged close to SF3 fault. Both sides of the working face are goaf， with concentrated stress， high roof pressure and difficult mining. This paper studies the support technology of old roadway in different layers to determine the optimal support parameters and methods; Study the technology of releasing the side roof pressure near the goaf; Study the law of coal seam spontaneous combustion and determine reasonable control measures; Study the recovery technology of SF1 fault coal pillar; Study the support technology during large angle down mining; Study the support technology of working face passing through old roadway and fault at the same time. To solve the problems encountered in the mining process， such as the stress concentration of the surrounding rock of the working face， obvious stope pressure， soft coal， difficult support and difficult propulsion caused by the overlap of the fault and old roadway of the isolated island working face， so as to ensure the safe， efficient and high recovery rate of the isolated island fully mechanized top coal caving working face under extremely complex conditions.

Keywords： isolated island working face;faults; old roadway;large angle down mining;pre splitting and roof cutting technology

煤炭一直以來都是我国的主要能源。虽然近年来我国对煤炭开采实行了去产能的战略结构调整，但是煤炭在我国能源结构中依然处于主导地位[1-3]。我国采矿技术在近几十年内不断提高，但是受到地质条件的影响，在开采过程中不可避免地遇到了各类复杂构造和条件，导致工作面顶帮围岩整体性变弱，从而造成开采过程中顶板压力大、应力集中、巷道变形量大以及支护困难等情况。随着矿井开采年限的不断增加，赋存条件好的煤炭资源日益减少。对赋存条件复杂的煤层进行开采，不仅可以提高煤炭采出率，而且可以延长矿井寿命[4-5]。

1 概况

11917工作面为东一采区上山煤柱工作面，工作面切眼紧邻SF3断层布置。工作面两侧均为采空区，应力集中，顶板压力大。工作面内有20多条老巷，其中包括与工作面同层位的、不同层位的、穿层的巷道。工作面内有多条断层，其中SF1断层落差最大为6.5 m，并且与多条老巷相重叠，顶板破碎，工作面条件极为复杂，对回采影响较大。通过本次技术研究，解决孤岛综放工作面同时过老巷和断层期间应力集中明显、支护难度大、俯采角度大以及工作面支架状态不易管理等问题，在安全前提下提高煤炭资源回收率，实现类似条件下的工作面的高产、高效开采。

2 预裂切顶泄压技术研究

11917工作面为孤岛煤柱工作面，回采过程持续过老巷。为加强顶板管理，决定对11917两巷实施顶板预裂切顶技术，释放回采期间两侧顶板压力，以达到安全回采的目的。

2.1 切顶方案确定

对水力压裂和爆破预裂进行研究。结合11917工作面顶板岩性，由于大青灰岩坚硬，普氏系数为8.0～20.6，且顶板内裂隙较发育，水力压裂无法达到预想效果，决定对11917工作面两巷采用爆破预裂切顶方案。

2.2 切顶原则

确保老顶切顶效果，减少两侧顶板压力向工作面的传导，并保证巷道直接顶支护质量。

2.3 聚能切缝机制

预裂爆破切顶泄压成功实施的关键技术之一是顶板聚能切缝，通过预先在爆破孔内安装的聚能管实现定向爆破。聚能管两侧有定向聚能槽，爆破时从槽内释放能量流。由于聚能装置的压缩性较小，作用过程中爆破能量主要以动能形式释放，避免了爆生气体膨胀引起的能量分散，从而沿设定方向形成高能流，集中作用于设定方向。聚能爆破时，爆轰会产生高温、高压、高速气体。由于聚能部位为薄弱面，爆生气体沿聚能孔方向驱动裂纹，形成强有力的“气楔”，在垂直于设定方向上产生反射拉应力作用，导致裂纹损伤不断扩展，最终使顶板岩体沿设定方向拉张开裂。因此，聚能爆破实质是通过聚能装置使爆轰产物在孔壁非设定方向上产生均匀压力，而在设定的两个方向上产生集中拉力，实现岩体定向拉张成缝。O型聚能管力学模型见图1。

2.4 钻孔参数及布置方式

经过计算，确定爆破参数及钻孔布置，如图2所示。

2.5 爆破钻孔采用间隔装药爆破方式

顶板预裂切顶泄压技术的应用，能够有效释放采空区侧压力，减小回采期间巷道变形量。经巷道变形量观测数据对比，未实施顶板预裂段巷道顶底板最大变形量为1 m，实施顶板预裂后巷道最大变形量为400 mm，有效解决了孤岛工作面回采压力大、巷道变形等问题。

3 最优支护参数和方式

本文主要研究11917工作面内同时过断层和老巷的施工工艺，确定最优支护参数和方式。

3.1 过SF断层技术研究

3.1.1 过断层技术方案。11917工作面为俯采，走向角度平均为9°。结合SF断层的落差和角度，决定将角度由-9°变为-20°（俯采倾角变大），通过工作面两巷、中间巷及老巷揭露的断层特性决定提前12 m开始变角度，如图4所示。

3.1.2 大倾角俯采过程中存在的问题。①采煤机倾斜压向煤壁，导致采煤机运行状态不稳定，容易造成滑靴磨损。②液压支架推移导向框架与运输机不在一个平面，容易造成推移导向框架弯曲、损坏;液压支架移架时，容易向煤壁前倾。③由于采煤机始终存在向煤壁倾倒的趋势，推移运输机时容易造成运输机上漂，甚至推翻运输机。

3.1.3 过断层期间大倾角俯采技术方案。①导向滑靴改造。在大角度俯采过程中，导向滑靴受力增大。为提高导向滑靴强度，在滑靴两端附加螺纹钢。改造后导向滑靴整体强度显著提高，并且使用寿命有所延长。②液压支架防倒防滑。在支架前梁设计防倒装置，用千斤顶连接，再用220大链和千斤顶连接，另一端固定到隔架的抬底座上。这样三架连成一体，防止向前倾倒。利用支架底座原有的孔制作千斤顶连接装置，用大链和千斤顶与溜槽连接。通过液压支架牵引刮板输送机，防止溜子下滑。③严格做好支架的抬底检修工作。每班检修支架的抬底装置，确保抬底千斤顶和平衡千斤顶100%完好，现场备用件充足。

3.2 過断层期间两巷支护参数优化

过断层期间将两巷超前排距由800 mm缩为700 mm，超前支护长度由20 m延长至30 m，一梁三柱长度由10 m延长到20 m，工作面支架端面距控制在300 mm以内，及时带压移架。放顶前，要先对放顶外支护进行二次注液，确保初撑力等措施保证工作面支护强度。

3.3 老巷的支护技术研究

11917工作面内老巷达20多条，有与工作面同层位的，有低于工作面层位的，也有穿层布置的。鉴于与工作面层位的不同，分别采用不同的支护方式。与工作面同层位的巷道采用单体配铰接顶梁进行支护，单体排距800 mm，一梁一柱;比工作面层位低的老巷，采用排设木垛的方式进行支护;穿层老巷采用排设木垛配单体铰接顶梁的方式进行加固。

3.4 支护参数和方式的优化

工作面推进过第一组老巷过程中，发现过老巷期间人工回撤单体和铰接顶梁工作量大，回撤单体时间长，影响工作面出煤时间;排设木垛的巷道木垛回收困难，无法回收的木垛使用会进入煤流，影响煤质;顶板压力大时，单体有损坏现象。针对以上问题，通过研究，将单体支护更改为用水泥煤墩进行支护，即在与工作面同层位老巷内采用水泥配煤浇筑水泥煤墩的方式进行支护，水泥与煤的比例为1∶2，详细布置如图5所示。

通过浇筑水泥煤墩的支护，工作面推进至第二组老巷时得到充分验证，这种支护方式既能对顶板进行支护，又能减少人工回撤单体和铰接顶梁环节，提升效率和安全性。

4 结语

本文通过对极复杂条件下孤岛工作面同时过老巷和断层的技术研究，确定通过“预裂切顶泄压”技术改变工作面及上下两巷的采场压力分布，减少上覆岩层对工作面及两巷的矿山压力;结合地质钻探资料，确定过断层的最优方案;通过浇筑适配硬度的水泥煤墩对老巷进行补强支护，既保证老巷的支护强度，又保证回采过程机组滚筒容易切割;结合工作面两巷超前支护参数的修正优化，通过以上“四项措施”确保工作面过断层期间正常安全推进。

参考文献：

[1]徐永忻.煤矿开采学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004：129-134.

[2]赵阳升，胡耀青.承压水上采煤理论与技术[M].北京：煤炭工业出版社，2004：100-121.

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[4]董利.回采工作面平推硬过断层冒顶事故的技术分析及防范[J].煤矿安全，2006（12）：35-36.

[5]康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007：38-66.