超長大采高綜采面安全推過大斷層合理方法研究

華心祝，李志華，2，楊 科，朱若軍，周德生，李迎富

(1.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南232001; 2.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程博士后流動(dòng)站，安徽淮南232001;3.國投新集能源股份有限公司劉莊煤礦，安徽阜陽236235)

大采高綜采具有生產(chǎn)能力大、單產(chǎn)高、巷道布置簡單、工序簡單、巷道掘進(jìn)量和維護(hù)量小、回采工效和煤炭資源采出率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為我國厚煤層開采的主要發(fā)展方向［1－2］。目前，常規(guī)的綜采工作面過斷層技術(shù)已趨成熟，但大采高綜采工作面由于采高大，過斷層破碎帶時(shí)有支架實(shí)際支護(hù)阻力降低、支架位態(tài)變差、頂板漏矸等情況發(fā)生，尤其當(dāng)斷層斷距較大時(shí)，會(huì)加大工作面通過的難度［3－4］。

國投新集劉莊煤礦171301工作面位于劉莊煤礦西三13－1煤采區(qū)，為西區(qū)首采工作面;開采標(biāo)高為－515.7～－681.2m。工作面為傾向長壁布置，工作面傾向長為1285m，切眼長300m，煤層傾角5～9°，平均傾角7°;煤層厚度4.30～6.30m，平均總厚度5.14m。工作面東臨F20斷層，西臨F8斷層，北臨F60斷層，南臨F22斷層，F(xiàn)18斷層斜切于工作面的北部 (F18斷層傾向305°，傾角55～65°，落差為7.5～16.5m)，受上述斷層的影響，工作面內(nèi)小斷層極為發(fā)育。而與171301工作面相鄰的171303工作面煤層厚度5.10～6.40m，平均煤厚5.57m，受F18斷層的影響更大 (圖1)。當(dāng)工作面接近裂縫帶時(shí)，因頂板被切斷，失去傳遞力的作用，工作面前方頂板巖層將給工作面和斷層間的煤柱造成加壓產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，并引起大范圍頂板運(yùn)動(dòng)，容易導(dǎo)致壓垮型、漏冒型、推垮型等冒頂事故的發(fā)生［5］。因此，為了保證大采高綜采工作面安全順利通過F18大落差斷層，需開展超長大采高綜采面安全推過大斷層合理方法研究。

1 斷層影響區(qū)頂板平衡結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

當(dāng)工作面接近斷層時(shí)，基本頂便以工作面前方斷層面發(fā)生斷裂［6］。根據(jù)工作面開采方向與斷層傾向之間的關(guān)系，概化為兩組斷層模型，一組是工作面由斷層下盤向斷層推進(jìn) (斷層構(gòu)造模型1);另一組是工作面由斷層上盤向斷層推進(jìn) (斷層構(gòu)造模型2)，如圖2所示。

圖1 F18斷層影響區(qū)

圖2 巖塊平衡結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

在斷層模型1中 (工作面由斷層下盤向斷層推進(jìn))，斷層正應(yīng)力N=Tcosθ－Rsinθ，斷層剪應(yīng)力F=Rcosθ+Tsinθ。在斷層模型2中 (工作面由斷層上盤向斷層推進(jìn))，斷層正應(yīng)力N=Tcosθ+ Rsinθ，斷層剪應(yīng)力F=Rcosθ－Tsinθ。式中，T為水平推力;R為剪切力;θ為斷裂面與垂直面形成的斷裂角。

在斷層模型1中 (工作面位于斷層下盤)，隨著工作面推進(jìn)，斷層正應(yīng)力減小，斷層剪應(yīng)力增加，斷層受采動(dòng)影響易于“活化”，頂板結(jié)構(gòu)不易取得平衡，即工作面礦壓顯現(xiàn)比較明顯。相反在斷層模型2中 (工作面位于斷層上盤)，則情況要好得多，斷層正應(yīng)力增加，頂板則易于形成砌體梁式或傳遞梁式平衡結(jié)構(gòu)，對控制頂板有利［7－8］。所以劉莊煤礦171301工作面、171303工作面采用由F18斷層上盤向斷層推進(jìn)的方法通過大斷層。

2 171301工作面過斷層方法及存在問題

2.1 以往工作面過斷層常用方法

以綜采工作面過正斷層、從上盤向下盤推進(jìn)為例來說明［9］。當(dāng)綜采面從上盤接近斷層面時(shí)，斷層破碎帶弱變區(qū) (斷層破碎帶內(nèi)煤層的范圍)內(nèi)的煤層因破壞嚴(yán)重，其黏聚力幾乎為零，故很容易發(fā)生片幫，使端面空頂距增大，破碎的頂板巖層易造成端面冒頂。當(dāng)綜采面推進(jìn)到下盤后，需割底留頂推進(jìn)。而后部分頂煤是斷層破碎帶的弱變形區(qū)，破碎嚴(yán)重，不容易留住，端面很容易產(chǎn)生冒頂。

為了綜采面快速、安全地通過斷層，保持工作面的高產(chǎn)高效，必須消除或減弱弱變形區(qū)的影響，盡量減少端面冒頂?shù)陌l(fā)生。同樣以上述綜采面過正斷層、從上盤向下盤推進(jìn)為例來說明，見圖3所示。圖中，a為斷層傾角;h為斷層落差;L1為煤層頂板爬坡點(diǎn)距斷層面水平距離;L2為煤層底板爬坡點(diǎn)距斷層面水平距離。

圖3 工作面過斷層一般方法

當(dāng)綜采面從斷層的上盤向下盤推進(jìn)時(shí)，不是到了斷層面后再爬坡，而是當(dāng)綜采面距斷層面一定距離處就開始以一定的仰角爬坡，割頂板巖層或頂煤，留底煤，使得綜采面推進(jìn)到斷層下盤時(shí)，其底板正好為原推進(jìn)的層位巖層，從而恢復(fù)到正?；夭?，這樣就可以消除或減小斷層下盤弱變形區(qū)對綜采面回采的影響。

2.2 171301工作面過斷層存在問題

171301工作面在回采過程中遇見F18斷層，采用采煤機(jī)破煤層頂、底板平整過渡，底板起伏坡度不大于15°。如遇到比較硬的巖層，采煤機(jī)割不動(dòng)的情況下，采用放炮來破巖層，將采高嚴(yán)格控制在4.5m左右。若斷層交面在工作面上段和下段，采煤機(jī)破斷層上盤的頂板;若斷層交面在工作面中段，采煤機(jī)破斷層下盤的底板、上盤的頂板，如圖4所示。由于171301工作面采用破頂破底的方法過斷層，而該面頂板為較為堅(jiān)硬的砂巖，采煤機(jī)割不動(dòng)，不得不采用放炮來破巖層，造成工作面推進(jìn)速度慢;又由于過斷層時(shí)平整過渡、未及時(shí)調(diào)整采高造成割煤少、割矸多，經(jīng)濟(jì)效益差的局面。

3 171303工作面過斷層合理方法確定

3.1 171303工作面過斷層方法的提出

斷層是影響煤炭開采重要的地質(zhì)因素［10］。F18斷層落差較大，達(dá)到17m，從而增加了回采的難度。若處理不當(dāng)，不僅會(huì)嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，還會(huì)對井下工作人員造成一定的安全隱患。針對不同工作面的具體情況，應(yīng)采取相應(yīng)過斷層方法和措施，最大限度地回收煤炭資源，提高工作面的產(chǎn)量和礦井的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 171301工作面過F18斷層地質(zhì)剖面

根據(jù)171303工作面具體的地質(zhì)條件，確定如下過F18大斷層方案:

(1)工作面在過斷層影響范圍內(nèi)，在風(fēng)、機(jī)巷巷道較高處提前接頂，沿現(xiàn)兩巷底板進(jìn)行移架，工作面方向按兩巷底板為準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。

(2)該斷層為正斷層，且13－1煤底板為泥巖，頂板為砂巖，因此在過斷層期間，在斷層面下盤進(jìn)行調(diào)整坡度，順坡過渡到斷層面下盤的13－1煤，期間在斷層下盤需及時(shí)調(diào)整坡度留頂煤破煤層底板。

(3)在斷層面處在工作面上端頭及下端頭位置50m，其坡度調(diào)整范圍比較小時(shí)，可適當(dāng)減小過斷層調(diào)整坡度。

(4)在工作面刮板機(jī)及支架能夠調(diào)整的情況下，工作面過斷層調(diào)整坡度不大于15°。

(5)在過斷層范圍內(nèi)，如需要破頂板砂巖，在采煤機(jī)割不動(dòng)的情況下，采用放松動(dòng)炮進(jìn)行破矸。

圖5為171303工作面過F18斷層預(yù)想剖面圖。

圖5 171303工作面過F18斷層預(yù)想地質(zhì)剖面

3.2 工作面過斷層方法相似模擬試驗(yàn)

以劉莊礦171303工作面地質(zhì)條件為背景，對大采高綜采面過大斷層方法進(jìn)行了相似模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)主要研究工作面采用臥底方法過斷層時(shí)采場圍巖力學(xué)特征及頂板巖層穩(wěn)定性。采用安徽理工大學(xué)采礦實(shí)驗(yàn)室的旋轉(zhuǎn)式平面應(yīng)變模型試驗(yàn)臺(tái)，模型架尺寸為:2m×0.2m×2m(長×寬×高)。F18斷層為正斷層，傾角60°，落差17m。鋪設(shè)材料選用河沙、石膏和石灰、云母粉等。自煤層底板開始，逐層稱取相似材料，干拌均勻后，加水拌勻，倒入模型架，鋪平錘實(shí)。先鋪設(shè)下盤巖層，鋪設(shè)好后，在斷層面撒上云母粉，模擬斷層結(jié)構(gòu)面，再鋪設(shè)上盤巖層。每層鋪好后，在層面上撒上云母粉，模擬層理間結(jié)構(gòu)面［11］，再依次鋪設(shè)上層巖層。

工作面由斷層上盤向斷層推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到下盤后，在斷層面下盤進(jìn)行調(diào)整坡度，按照15°坡度割底留頂，順坡過渡到斷層面下盤的13－1煤。模擬試驗(yàn)過程如圖6所示。

圖6 模擬試驗(yàn)過程

由圖6可知，工作面由斷層上盤向斷層推進(jìn)，工作面前方礦壓作用力方向近乎垂直于前方斷層，易于形成砌體梁式或傳遞梁式平衡結(jié)構(gòu)。斷層不易于“活化”，即使當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層面附近，斷層對礦壓顯現(xiàn)及頂板活動(dòng)影響較小，上盤、下盤沿?cái)鄬用婢o密結(jié)合，斷層滑移量較小。工作面過斷層時(shí)，頂板裂縫帶進(jìn)入斷層帶，上盤中沿?cái)鄬用嫘纬闪硕鄺l垂直斷層面的裂紋，頂板穩(wěn)定性差，冒落帶高，并且隨著工作面的推進(jìn)，冒落帶高度增加，工作面片幫深度增加，頂板在旋轉(zhuǎn)下沉過程中不易形成平衡結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致頂板周期斷裂步距減小，工作面支承壓力增大。通過提高支架支護(hù)強(qiáng)度，保證支架具有良好運(yùn)行狀態(tài)，工作面仍能連續(xù)推進(jìn)到斷層下盤煤層。

4 工程實(shí)踐

4.1 大采高綜采面過斷層安全技術(shù)保障體系

F18斷層落差較大，影響范圍大，為確保171303工作面安全順利通過斷層影響區(qū)域，建立了171303工作面過斷層工作面爆破、機(jī)電設(shè)備及工具使用、頂板管理、倒架、咬架走斜、防治水等安全技術(shù)保障體系 (圖7)，從而保證工作面順利通過該大斷層，實(shí)現(xiàn)了工作面過大斷層連續(xù)推進(jìn)，提高了采出率，減少了巷道掘進(jìn)量。

圖7 大采高綜采面過大斷層安全技術(shù)保障體系

4.2 工程實(shí)踐效果分析

171301工作面采用挑頂兼臥底的方法通過該斷層，無論是在斷層上盤還是斷層下盤都會(huì)損失一定的煤。171303工作面完全采用臥底的方法，只在斷層下盤有丟煤?？梢钥闯龉ぷ髅孢^斷層時(shí)若坡度過于平緩，則會(huì)造成每米推進(jìn)煤量減少，矸石量增加。所以，為了減少丟煤，在工作面刮板機(jī)及支架能夠調(diào)整的情況下，盡量加大調(diào)架力度，沿煤頂推進(jìn)，過斷層時(shí)降低采高。例如可以沿圖8中虛線推進(jìn)。

表1和表2分別為171301，171303工作面過斷層期間每米推進(jìn)煤量、矸石量和損失煤量，可以看出171301工作面每米推進(jìn)掘出煤量和矸石量總和約2600t，171303工作面每米推進(jìn)掘出煤量和矸石量總和約2260t，工作面推進(jìn)過程中每米推進(jìn)煤量越少，那么每米推進(jìn)矸石量就越多。通過對比可以看出171301工作面在回采過程中遇見F18斷層，采用采煤機(jī)破煤層頂、底板平整過渡，每米推進(jìn)煤量較低，甚至不到每米推進(jìn)矸石量的一半，造成每米推進(jìn)損失煤量高，矸石含量高，嚴(yán)重影響到煤質(zhì)，而且大量煤炭遺留在采空區(qū)，還會(huì)造成安全隱患。171303工作面在過斷層期間，根據(jù)斷層產(chǎn)狀，采用臥底的方法，在斷層下盤及時(shí)調(diào)整坡度留頂煤破煤層底板。每米推進(jìn)煤量較高，高于每米推進(jìn)矸石量。

圖8 171303工作面過F18斷層地質(zhì)剖面

表1 171301工作面過斷層參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 171303工作面過斷層參數(shù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

(1)大采高綜采面采用由斷層上盤向斷層推進(jìn)的方法通過斷層，頂板則易于形成砌體梁式或傳遞梁式平衡結(jié)構(gòu)，工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯，對控制頂板有利。

(2)當(dāng)工作面頂板為較堅(jiān)硬的砂巖，采煤機(jī)割不動(dòng)時(shí)，可以根據(jù)工作面具體地質(zhì)條件，采用臥底方法通過該斷層。

(3)171301工作面采用采煤機(jī)破煤層頂、底板平整過渡，每米推進(jìn)煤量較低，造成每米推進(jìn)損失煤量高，矸石含量高。171303工作面采用臥底的方法，在斷層下盤及時(shí)調(diào)整坡度留頂煤破煤層底板。每米推進(jìn)煤量較高，每米推進(jìn)矸石量減少。

(4)在采煤機(jī)、支架等設(shè)備允許的情況下過大斷層時(shí)盡可能加大仰采角度，不僅可以縮短過斷層割巖石的距離，而且還可以提高煤炭采出率。

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