綜采（放）工作面強(qiáng)過不同落差斷層技術(shù)研究與實(shí)踐

鄧新東

摘要：本文介紹了棗泉煤礦綜采（放）工作面在強(qiáng)過不同落差斷層過程中，通過過斷層方法分析對(duì)比及工作面現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)過斷層的實(shí)際探索與應(yīng)用，總結(jié)得到了關(guān)鍵技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)，取得了較好的效果，為礦井安全高效生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，具有重要意義。

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.

關(guān)鍵詞：工作面;強(qiáng)過斷層;關(guān)鍵技術(shù);工藝

Key words： working face;crossing fault;key technology;process

中圖分類號(hào)：TD823? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）35-0160-05

0? 引言

受棗泉井田碎石井大背斜構(gòu)造影響，背斜兩翼地應(yīng)力大，斷層構(gòu)造多，給礦井正常的采掘活動(dòng)帶來極大的影響，造成工作面布置困難，礦井回采率降低，噸煤成本增加，工作面開采困難，安全管理壓力增加。因此，根據(jù)不同斷層參數(shù)確定合理的過斷層工藝，能夠有效控制工作面的頂板安全、設(shè)備的工作狀態(tài)，從而保證工作面的正常生產(chǎn)，達(dá)到安全、快速、經(jīng)濟(jì)的目的，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1? 概況

1.1 礦井概況

棗泉煤礦是神華寧煤集團(tuán)公司成立后新建的第一座現(xiàn)代綜合機(jī)械化大型煤炭生產(chǎn)礦井，是神華寧煤集團(tuán)的主力生產(chǎn)礦井之一。井田位于寧夏靈武礦區(qū)南部靈武市東南62km的毛烏素沙漠的邊緣，行政區(qū)劃屬靈武市馬家灘鄉(xiāng)管轄。井田東北部以趙兒塔向斜軸與羊場(chǎng)灣煤礦為界，正北部以29勘探線與英子梁井田為界，東西南三面均以1煤層+600m水平底板等高線在地面的投影線為界。井田南北長(zhǎng)13km，東西平均寬約4km，面積56.68km2，井田以南北走向向南傾伏，東西兩翼為對(duì)稱的碎石井背斜主體構(gòu)造。背斜軸部煤層傾角緩（3～25°），背斜深部及北部?jī)A角大（25～45°）。礦井地質(zhì)儲(chǔ)量9.65億噸，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量5.26億噸，設(shè)計(jì)服務(wù)年限75.6年，總體生產(chǎn)能力800萬噸/年。

1.2 地質(zhì)概況

棗泉井田以南北走向向南傾伏，東西兩翼對(duì)稱的碎石井背斜主體構(gòu)造。背斜軸部煤層傾角緩（3～25°），背斜深部及北部?jī)A角大（25～45°）。根據(jù)棗泉煤礦建礦至今在生產(chǎn)過程中實(shí)際揭露的地質(zhì)構(gòu)造與補(bǔ)充勘探提供的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行對(duì)比、總結(jié)，共查明11采區(qū)、12采區(qū)、13、14采區(qū)斷層108條及斷點(diǎn)3個(gè)。其中11采區(qū)查明斷層37條;12采區(qū)查明斷層59條;13、14采區(qū)查明斷層15條及斷點(diǎn)3個(gè)。井田內(nèi)斷層發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。

1.3 近年來工作面強(qiáng)過斷層概況

由于斷層賦存多、復(fù)雜，每個(gè)回采工作面不同程度都得進(jìn)行過斷層回采，已回采過的11采區(qū)110201綜采工作面內(nèi)共有DF14、DF15、DF16、DF12、DF13、DF34六條斷層，斷層落差2.3～12.0m，累計(jì)影響工作面長(zhǎng)度1248m;110202綜放工作面內(nèi)共有DF45、DF41、DF48、DF42、DF52五條斷層，斷層落差1.5～15.0m，累計(jì)影響工作面長(zhǎng)度536m;110203綜采工作面內(nèi)共有DF14、DF15、DF16、DF41、DF13、DF42、DF43七條斷層，斷層落差1.8～6.5m，累計(jì)影響工作面長(zhǎng)度1540m;110204綜放工作面內(nèi)共有DF57、DF48、DF59、DF42、F52、DF62、DF63、DF64、DF65九條斷層，斷層落差1.5～15m，累計(jì)影響工作面長(zhǎng)度830m; 110205綜放工作面內(nèi)共有DF13、DF43、DF41、DF15、DF16、DF36、DF14七條斷層，斷層落差1.5～21.5m，累計(jì)影響工作面長(zhǎng)度1660m。

我礦在長(zhǎng)期回采過斷層中一般采用強(qiáng)行通過和搬家倒面的方式過斷層。下面以11采區(qū)比較有特點(diǎn)的三個(gè)工作面進(jìn)行說明。分別為110201綜采工作面采用直接通過DF13正斷層、110202綜放工作面采用搬家倒面通過DF42正斷層及110205綜放工作面采用直接通過DF16正斷層進(jìn)行回采。

110201工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度2976m，傾斜長(zhǎng)度305m，煤層平均厚度8.2m，傾角6°～10°。采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤方法進(jìn)行開采，采高5.5m，可采儲(chǔ)量630萬t。根據(jù)三維地震勘探報(bào)告及已施工巷道所揭露的實(shí)際情況，110201工作面內(nèi)有DF14、DF15、DF16、DF12、DF13、F34六條斷層，其中DF13正斷層（該斷層走向N13°E，傾角65°～85°，落差5.0～7.8m，斜穿工作面，影響工作面回采走向長(zhǎng)度868m），由于落差大、影響廣，為影響工作面開采的最主要斷層。

110202工作面平均走向長(zhǎng)度為2820m，傾斜長(zhǎng)度270m，煤層平均厚度7.1m，傾角23°～28°，采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤方法進(jìn)行開采，采高為3.0m，放煤高度為4.1m，則采放比為3.0：4.1=1：1.36。根據(jù)三維地震勘探報(bào)告及已施工巷道所揭露的實(shí)際情況，110202工作面上、下順槽巷道共揭露5條斷層，分別為DF45、DF41、DF48、DF42、DF52。其中DF42正斷層（該斷層走向NE，傾角40°～60°，落差9.0～15.0m，斜穿工作面，影響工作面回采走向長(zhǎng)度175m），由于落差大、影響廣，為影響工作面開采的最主要斷層。

110205工作面平均走向長(zhǎng)度為2259m，傾斜長(zhǎng)度230m，煤層平均厚度8.5m，傾角16°～18.5°，采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤方法進(jìn)行開采，采高為3.9m，放煤高度為4.6m，則采放比為3.9：4.6=1：1.2。采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤方法進(jìn)行開采。根據(jù)三維地震勘探報(bào)告及已施工巷道所揭露的實(shí)際情況，110205工作面上下順槽巷道共揭露7條斷層，分別為DF13、DF43、DF41、DF15、DF16、DF36、DF14。其中DF16正斷層（該斷層走向NE，傾角50°～80°， 落差19.2～21.5m，斜穿工作面，影響工作面回采走向長(zhǎng)度225.2m），由于落差大、影響廣，為影響工作面開采的最主要斷層。

2? 工作面過斷層方法對(duì)比

2.1 工作面斷層特性（表1）

2.2 工作面過斷層經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比（表2）

2.3 工作面過斷層方法優(yōu)缺點(diǎn)比較（表3）

由以上對(duì)比分析：110201綜采工作面過DF13正斷層采用直接通過斷層方法優(yōu)于跳采搬家的方法，經(jīng)濟(jì)效益明顯;110202綜放工作面過DF42正斷層采用跳采搬家優(yōu)于直接通過斷層的方法，安全管理及頂板管理難度較低;110205工作面由于我礦采掘接續(xù)緊張，如采用跳采搬家通過斷層，負(fù)責(zé)回采110205工作面的綜采一隊(duì)將有4個(gè)月的空檔期，礦全年回采產(chǎn)量也將無法完成，因此我礦采用直接硬過的方法通過斷層，但是，除去上述原因，就經(jīng)濟(jì)利益及安全管理對(duì)比，工作面僅設(shè)備消耗、兩巷及工作面維護(hù)注高分子注漿材料費(fèi)用共計(jì)1000萬元，回收原煤20.6萬噸，增加產(chǎn)值3627萬元，經(jīng)濟(jì)效益不明顯，加之頂板管理及安全管理困難極大，因此，110205綜放工作面過DF16正斷層采用跳采搬家優(yōu)于直接通過斷層的方法。

3? 工作面硬過斷層主要因素分析

從以上三個(gè)工作面過DF13、DF16及DF42正斷層方法對(duì)比可以看出，斷層落差的大少是決定跳采搬家還是直接硬過的主要決定因素，因此，要重點(diǎn)研究斷層落差與工作面煤層厚度間的相應(yīng)關(guān)系，斷層落差大于、等于或小于煤層厚度時(shí)工作面的層位調(diào)整、頂板管控及破巖量。

工作面過斷層，主要是通過調(diào)整層位，最大限度的減少破巖，控制回采過程中頂板安全。

圖（a）中當(dāng)斷層落差大于煤層厚度時(shí)，工作面不可避免的破斷層上盤煤層頂板進(jìn)行回采，棗泉煤礦二煤頂板以炭質(zhì)泥巖為主，次之為炭質(zhì)細(xì)砂巖，炭質(zhì)泥巖具滑面，易脫層，遇水膨脹變軟，根據(jù)近幾年回采經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)工作面頂煤厚度小于1.5m時(shí)，工作面頂板易發(fā)生漏（冒）頂事故，頂板難以控制。工作面為了減小破巖量，在傾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。當(dāng)支架仰俯角超過7°時(shí)，支架穩(wěn)定性差，支護(hù)效果差，工作面頂板難以管控，只能減緩工作面支架的爬坡角度，工作面的破巖長(zhǎng)度也相應(yīng)增加，工作面通過斷層的工期也隨之變長(zhǎng)，因此，這種情況下工作面不應(yīng)采取直接硬過的方法通過斷層，應(yīng)采取跳采搬家的方法過斷層。

圖（b）、（c）中當(dāng)斷層落差等于或小于煤層厚度時(shí)，工作面可通過逐段調(diào)整坡度，使斷層上盤頂煤厚度達(dá)到1.5m以上，適當(dāng)破斷層下盤煤層底板進(jìn)行回采，斷層面附近配合注漿加固，從而有效的控制頂板安全，減小工作面破巖量，快速通過斷層。因此，這種情況下工作面應(yīng)采取直接硬過的方法通過斷層。

4? 工作面硬過斷層關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 兩巷超前支護(hù)加強(qiáng)

根據(jù)工作面煤層賦存情況及工作面正?；夭善陂g的礦壓觀測(cè)分析，為有效控制工作面風(fēng)、機(jī)兩巷在斷層影響范圍內(nèi)強(qiáng)烈動(dòng)壓條件下的破壞變形，保證巷道穩(wěn)定，工作面的安全正常生產(chǎn)，風(fēng)、機(jī)兩巷應(yīng)加長(zhǎng)超前支護(hù)距離、加密單體支柱間排距，并在風(fēng)機(jī)兩巷在斷層影響范圍內(nèi)對(duì)巷道頂板進(jìn)行注漿加固。

根據(jù)工作面風(fēng)、機(jī)兩巷超前礦壓顯現(xiàn)情況，工作面回風(fēng)巷在斷層面前后20m范圍內(nèi)超前支護(hù)將原支護(hù)設(shè)計(jì)的“一梁四柱”傾向鋼梁棚棚間距由1.0m縮小為0.5m，同時(shí)，工作面機(jī)巷在原超前超前支護(hù)的“一梁四柱”傾向鋼梁棚下每3架鋼棚下架設(shè)1.2m長(zhǎng)“一梁三柱”走向鋼梁棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，以確保工作面機(jī)巷的頂板支護(hù)可靠、工作面設(shè)備的正常推移及行人安全出口符合規(guī)程規(guī)定（見圖2、圖3）。

工作面回風(fēng)巷頂板注漿孔要求：在距巷道下幫0.3m處的頂板上打設(shè)并與下幫夾角45°（孔眼朝工作面方向），孔深2.5m，鉆孔孔距為3m;同時(shí)沿風(fēng)巷巷道中心線垂直巷道頂板施工注射孔，孔深2.5m，鉆孔孔距為3m，施工時(shí)鉆孔孔距與角度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，鉆孔直徑Ф=42mm（見圖4）。工作面風(fēng)、機(jī)兩巷在斷層面前后各10m范圍內(nèi)對(duì)巷道頂幫提前進(jìn)行注漿加固，保證巷道頂幫的完整。工作機(jī)巷頂板注漿孔要求：在距上幫肩窩0.3m處的頂板上打設(shè)并與上幫夾角45°（孔眼朝工作面方向），孔深2.5m，鉆孔孔距為3m;同時(shí)沿巷道中心線垂直巷道頂板施工注射孔，孔深2.5m，鉆孔孔距為3m，施工時(shí)鉆孔孔距與角度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，鉆孔直徑Ф=42mm（見圖4）。

4.2 工作面合理的開采層位及采高調(diào)整

有效預(yù)防工作面架前抽條、漏冒是工作面過強(qiáng)過斷層的關(guān)鍵技術(shù)之一，棗泉煤礦二煤頂板以炭質(zhì)泥巖為主，泥巖、粉砂巖次之，巖層層狀，水平層理，具有滑面，松軟易破碎，遇水變軟成泥，是頂板管理的重中之重。因此，每個(gè)工作面強(qiáng)過不同落差斷層，應(yīng)結(jié)合每個(gè)斷層的賦存特點(diǎn)及工作面設(shè)備的配套情況，科學(xué)合理調(diào)整好工作面開采層位和工作面采高，有效防控二煤頂板抽條、漏冒是工作面強(qiáng)過斷層的關(guān)鍵。工作面現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中采用適當(dāng)降低工作面采高調(diào)整開采層位破斷層下盤底板的方法平推通過。主要的技術(shù)有：

工作面在強(qiáng)過斷層時(shí)，應(yīng)根據(jù)工作面“三機(jī)”配套情況，在確保采煤機(jī)安全通過的前提下，應(yīng)盡量降低工作面采高。結(jié)合我礦工作面開采工藝、設(shè)備配套及煤層賦存情況，工作面斷層面向機(jī)頭方向（斷層上盤）5個(gè)支架底煤厚度不超過0.8m，工作面上盤頂煤厚度留設(shè)不小于1.5m。在保證工作面斷層上盤開采層位以上有足夠的頂煤，確保二煤頂板不發(fā)生抽條、漏冒安全的前提下，最大限度的減少工作面破斷層下盤底板巖石的工程量。工作面破底板巖石（斷層下盤）段可通過適當(dāng)調(diào)整工作面傾向坡度的方法減少破巖范圍，但坡度調(diào)整段坡度不易過大，且與工作面正常段要平緩過渡，保證工作面設(shè)備的安全正常運(yùn)行（見圖5）。

4.3 合理調(diào)整工作面?zhèn)涡?/p>

在高強(qiáng)度綜采（放）開采和復(fù)雜地質(zhì)條件下，一般不宜采用“全長(zhǎng)正過”方式通過斷層。應(yīng)結(jié)合每個(gè)斷層在工作面內(nèi)的賦存情況及工作面“三機(jī)”配套情況，科學(xué)合理調(diào)整工作面的偽斜長(zhǎng)度，增大工作面與斷層走向夾角，最大限度的減少斷層面在工作面內(nèi)的暴露長(zhǎng)度及范圍，同時(shí)減小工作面過斷層時(shí)的破巖長(zhǎng)度，以利于工作面強(qiáng)過斷層期間的頂板管理。

4.4 進(jìn)刀方式調(diào)整

綜采（放）工作面正常回采期間采用采煤機(jī)上端頭斜切進(jìn)刀，下行割煤跟機(jī)移架，上行清浮煤跟機(jī)推溜，單向割煤方式進(jìn)行回采。工作面過斷層期間，根據(jù)斷層在工作面的揭露位置，合理調(diào)整工作面的進(jìn)刀方式位置。當(dāng)斷層面在工作面下口及中下部時(shí)，采取上端頭斜切進(jìn)刀的方式;當(dāng)斷層面在工作面上端頭時(shí)，可采取下端頭斜切進(jìn)刀的方式;斷層面處，嚴(yán)禁斜切進(jìn)刀，以確保工作面頂板的安全管理。

4.5 工作面過斷層期間回采工藝控制

結(jié)合棗泉煤礦二煤頂板松散破碎極易冒落的特點(diǎn)和綜采（放）工作面正?；夭善陂g礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律，采取以下主要措施，確保工作面的頂板安全：

①加強(qiáng)設(shè)備的檢修。過斷層期間，支架工必須加強(qiáng)檢修，保證支架護(hù)幫板、伸縮梁、側(cè)護(hù)、抬底、推移各千斤動(dòng)作靈敏可靠。支架鉆底或架前有浮煤時(shí)及時(shí)使用抬底千斤，防止支架鉆底嚴(yán)重影響正常拉移。

②確保工作面支護(hù)及時(shí)有效可靠。過斷層期間，確保支架初撐力必須符合要求，支架頂梁接頂嚴(yán)實(shí)，移設(shè)支架時(shí)帶壓擦頂移架，超前移架，嚴(yán)禁多降，盡量減少移架對(duì)頂板的破壞。

③各工種工序的合理配合。支架工必須與采煤機(jī)司機(jī)密切配合，截割斷層面時(shí)，嚴(yán)禁成組動(dòng)作支架，滯后左滾筒1～2架移架并打出伸縮梁，滯后采煤機(jī)右滾筒1～2架打出護(hù)幫板（作業(yè)人員面向工作面煤壁）。采煤機(jī)割煤時(shí)，支架的護(hù)幫板、伸縮梁不得過早收回（不得超過2架提前收回護(hù)幫板、伸縮梁），以防冒頂或片幫。

④過斷層期間，采煤機(jī)在斷層影響范圍內(nèi)下行割煤時(shí)，將采煤機(jī)下行割煤速度控制在2m/min以內(nèi)，及時(shí)拉移支架支護(hù)頂板，支架拉移結(jié)束后將支架頂梁升平升緊，打出伸縮梁、護(hù)幫板貼實(shí)煤壁。頂板破碎嚴(yán)重時(shí)，滯后左滾筒1架追機(jī)移架支護(hù)頂板，并及時(shí)伸出伸縮梁、護(hù)幫板，以防冒頂或片幫。

⑤采煤機(jī)司機(jī)要根據(jù)工作面風(fēng)、機(jī)兩巷坡度和工作面坡度變化的大小逐步調(diào)整采煤機(jī)的臥底和抬高量，工作面不得出現(xiàn)臺(tái)階，以免影響設(shè)備的正常推移或因此而導(dǎo)致的設(shè)備損壞。

⑥過斷層期間采煤機(jī)截割巖石超過1.0m以上時(shí)，為減少采煤機(jī)截割巖石負(fù)荷大發(fā)生“悶車”等現(xiàn)象及減少此段頂板的空頂時(shí)間，采取提前放松動(dòng)炮及減少循環(huán)進(jìn)尺的方法（如將循環(huán)進(jìn)尺由865mm減少到500mm）降低采煤機(jī)截割巖石量，使其快速通過，保證頂板的安全。

⑦加強(qiáng)對(duì)工作面頂、底煤的探測(cè)。過斷層期間，每天必須安排專人將斷層面靠上口方向5個(gè)支架范圍內(nèi)的頂、底煤厚度探清楚，其他支架每隔20架探頂、底煤，并根據(jù)頂?shù)酌汉穸燃皶r(shí)調(diào)整工作面開采層位，從而保證工作面的頂板安全。

⑧回采過程中，若工作面斷層面及頂煤厚度低于1.5m時(shí)，頂幫破碎及斷層處有抽條、漏冒跡象時(shí)，必須及時(shí)對(duì)該處頂板鋪網(wǎng)或?qū)攷瓦M(jìn)行注漿加固，防治范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

5? 結(jié)束語

依據(jù)煤層厚度、煤層頂板巖性特征、斷層產(chǎn)狀、綜采（放）工作面設(shè)備配套、礦壓觀測(cè)分析及工作面回采方向，通過對(duì)跳采搬家與采取措施直接硬過斷層時(shí)經(jīng)濟(jì)效益、施工工期、地質(zhì)條件等多方面因素綜合進(jìn)行分析對(duì)比，以及棗泉煤礦近年來通過落差21.5m以下眾多斷層的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為當(dāng)工作面斷層落差大于煤層厚度時(shí)應(yīng)采用跳采搬家的方法通過斷層，當(dāng)工作面斷層落差等于或小于煤層厚度時(shí)應(yīng)采取直接硬過的方法過斷層，同時(shí)，提出了在過斷層期間加強(qiáng)對(duì)兩巷超前支護(hù)加強(qiáng)，合理調(diào)整工作面開采層位及采高、偽斜及進(jìn)刀方式調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)工作面回采工藝的控制，保證了工作面的安全高效生產(chǎn)及礦井的安全生產(chǎn)。

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