回采工作面断层构造区域顶板控制技术研究及应用

姜海峰 董 登

（兖矿能源集团股份有限公司兴隆庄煤矿，山东 济宁 272000）

1 工程概况

兴隆庄煤矿10309 工作面内断层构造发育，其中轨道顺槽揭露的10308YF1 断层对工作面影响程度大，范围广，见表1。断层落差4.1 m，向工作面内延伸63.2 m，与工作面夹角约30°。受该断层构造影响，工作面回采期间顶板破碎、大面积冒落，冒落导致部分液压支架不接顶、歪架、倒架，工作面液压支架无法对顶板有效支撑，工作面推进困难。

表1 10308YF1 断层产状表

2 断层构造影响分析

工作面直接顶节理发育，完整性差，正常回采期间随采随冒，部分液压支架工作状态差的区域，会给工作面顶板管理、煤质管理造成一定困难，但由于其冒落的及时性，有利于缩短周期来压步距，降低周期来压强度[1]。基本顶厚度大，胶结性好，极限跨距大[2]，导致工作面回采期间周期来压步距大、来压强度大。正常回采期间通过控制支架工作阻力，提前拉移超前支架，控制好直接顶，不会造成大面积冒顶；但临近断层构造区域，受断层构造切割及断层构造滑移挤压，直接顶、基本顶完整性遭到破坏，断层构造应力的释放[3]，进一步加剧直接顶及基本顶的破坏。直接顶及基本顶在工作面煤壁前方发生断裂破坏，当工作面煤壁被截割后，直接顶及基本顶失去有效支撑[4]，紧跟煤机滚筒垮落，积聚的构造应力得到有效释放空间[5]，使得超前煤壁破碎冒落，导致液压支架无法对顶板进行有效支撑，基本顶及上覆岩层在无下覆煤岩及液压支架的有效支撑情况下，达到极限跨距，会大面积冒落，其冒落产生的势能冲击作用于液压支架。由于液压支架顶梁以上已漏冒，导致液压支架顶梁悬空无着力点，上覆岩层冒落产生的冲击导致液压支架歪架、倒架，大面积的支架倒架歪架，使得液压支架的支撑功能完全失效，最终陷入顶板破碎→支护失效→顶板破碎加剧的恶性循环。

3 基于现状分析的针对性措施

3.1 优化回采工艺

3.1.1 合理调采

断层与回采工作面夹角越小，单个回采循环揭露的断层面积越大，越不利于顶板管理。理想状态为断层与工作面垂直，断层影响区域仅为断层面两侧有限区域，现实中基本不存在此种情况。增大断层与工作面倾角，减小单个循环揭露断层面积，是过断层期间控制顶板的有效措施。10308YF1 断层与工作面夹角30°，按照正常推采循环，一个回采循环揭露断层面长度约1.6 m，超过单个支架顶梁宽度，受断层影响的区域面积更大。因此，在工作面推进至距断层构造20 m 前进行调采，将原本与两顺槽垂直的工作面拉斜，按照溜头与溜尾2:1 的方式进行回采，即一个采煤循环，运输顺槽侧进1.6 m，轨道顺槽侧进0.8 m。考虑到设备自重会导致刮板输送机滑移，四个调采循环后，进行一个正规循环。按照此截割方式至断层处，运输顺槽侧超前轨道顺槽侧12.8 m，单个生产循环揭露断层面长度约为1.1 m，小于单个液压支架顶梁宽度，最大程度降低单个回采循环揭露断层构造影响区域。

3.1.2 合理截割倾角

10308YF1 断层为正断层，上盘下降，按照煤层赋存倾角进行截割，由断层上盘进入断层下盘时会截割大量底板，给设备极大损害，截割岩石时采煤机的震动会增大煤机截割对顶板的扰动。为最大程度减少割底量，需在临近断层构造前增大采煤机截割倾角，但如倾角过大，进入断层上盘区域时，采煤机前滚筒截割线距顶板距离小，对顶板扰动影响大，不利于顶板管理。充分考虑以上原因后，确定工作面进入断层面前5 m 处，开始以6°的倾角提刀，保证进入断层面时，断层下盘最大割底量不超过2 m，出断层面时上盘最大留底煤量控制在1.1 m，断层上盘留底煤区域约为18 m，断层下盘割底区域约为30 m。如图1。

图1 工作面进入断层面煤机提刀示意图

3.1.3 合理采高

拖顶煤降采高，以顶煤托直接顶，煤机滚筒上覆顶煤，形成缓冲层，减小采煤机截割对上覆岩层的扰动。工作面在距离断层构造17 m 处开始降采高，为防止突然降采高形成台阶状顶煤，影响液压支架支护效果，以每个采煤循环降低0.05 m，15 个采煤循环，在距断层构造5 m 处，工作面整体采高降低0.75 m，断层揭露范围采高控制在2.7～3.2 m。

3.2 顶板破碎区域的顶板管理

3.2.1 破碎矸石的围堵

破碎顶板沿工作面液压支架顶梁至煤壁间的间隙涌至工作面刮板输送机内，为防止工作面设备负荷过大，需将破碎岩石及时运出，随着破碎岩体的不断运出，围岩破碎半径不断向深部发育，顶板冒落加剧，同时破碎岩体的不断涌出会对顶板维护人员造成伤害。对破碎顶板造成的冒落矸石的有效围堵，使得破碎岩体形成相对完整体，不仅能对上覆岩层进行多处点支撑，而且对于回采工作面设备维护工人身安全的保证有着至关重要的作用。10308YF1 断层于52#架揭露，以2 个液压支架/个循环的速度向溜尾方向延伸，揭露断层面后，断层上盘部分顶煤较薄，出现片帮、漏顶。为防止漏顶加剧，提前在48#架支架顶梁上金属网，金属网随断层揭露向溜尾方向延展，始终保证金属网覆盖断层面及其前后4 个支架范围。在顶板冒落时，金属网对冒落的岩石进行有效拦截，达到堵漏的目的。施工金属网时降下支架前梁，将绑有木板的金属网铺到支架前探梁上，然后再升紧支架前探梁，使网生根。当顶板破碎，支架不允许降前探梁时，将单体支柱支在木板两端头，协助支架吃网。吃网后随工作面拉移支架，开始按正常工序联网。顶板破碎架前、架间漏矸区域敷设双层金属网。施工金属网时，走向对接，倾向搭接，搭接长度0.3 m 以上；敷设双层金属网时，双网鱼鳞状搭接，扣扣相连，每扣至少拧三圈。如图2。

图2 断层区域施工金属网示意图

3.2.2 顶板破碎区域追顶支护

受断层构造影响，煤壁片帮、空顶面积增大，液压支架无法对顶梁前方顶板进行有效支撑，加剧了顶板破碎、冒落。因此，对因煤壁片帮而失去支撑的顶板进行有效支护，是防治顶板冒落的有效措施。一是充分发挥液压支架的支撑作用，顶板破碎处紧跟采煤机前部滚筒截割拉移支架。破碎区掉落浮煤矸较多，支架拉移受阻，则在超前支架拉移前将架前浮煤矸清理干净，采用液压单体辅助推顶的方式一次性将支架拉移到位，最大限度减少支架反复升降对顶板的影响。顶板冒落处或支架高度不足处，拉移支架时支架前梁下支设液压单体，防止降架时顶板随之冒落或下沉，造成支架高度低难以过机。二是煤壁片帮顶板破碎区域，通过在支架顶梁穿工字钢，利用工字钢的延伸，缩短支架顶梁前端与煤壁之间的空顶面积。工字钢沿工作面走向布置，每个液压支架顶梁布置两根3.5 m 工字钢。拉移支架时，降架后先抽工字钢，待工字钢前端接触至煤壁后，升架接顶。在支架前探梁与煤壁之间形成以工字钢支撑、金属网护表的联合支护。

4 应用效果分析

10309 工作面轨道顺槽掘进期间，受断层构造影响，顶板完整性差，出现巷道冒落，支护困难，给巷道安全快速掘进造成极大困难。通过合理调采，单个采煤循环揭露断层区域变小，顶板维护难度降低；在断层影响区域两侧支架施工金属网及工字钢，使得断层影响区域顶板得到有效支护，可最大程度减小空顶面积，杜绝因空顶导致顶板漏冒；控制截割倾角及采高，托顶煤截割，形成顶煤缓冲区域，降低煤机运行对顶板的扰动，通过拉移超前支架，托住顶煤，能以顶煤对顶板进行有效支撑。以上措施根本在于减小空顶面积，缩短空顶时间，增大支护强度，降低扰动影响，解决了断层构造导致的顶板管控难题。

5 结论

通过合理调采、控制采高、追顶支护等措施，使得断层构造影响区域顶板得到有效控制，工作面安全通过断层构造影响区域，未出现大面积漏顶、冒顶。