地質(zhì)構(gòu)造對采煤機械設(shè)備的影響及探測

姚 宇

（山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046103）

引言

在地殼運動過程中，受內(nèi)部擠壓產(chǎn)生的不同作用力的影響，不同地區(qū)會形成不同形態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造。而在采煤機械設(shè)備作業(yè)過程中，各種形態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造都將會給煤礦開采帶來一定的影響，甚至?xí)l(fā)煤礦安全事故。因此，應(yīng)加強對地質(zhì)構(gòu)造給采煤機械設(shè)備帶來的影響分析，并通過采取有效探測措施確認煤礦地質(zhì)構(gòu)造，以便通過合理安排實現(xiàn)采煤機械設(shè)備安全作業(yè)。

1 地質(zhì)構(gòu)造對采煤機械設(shè)備的影響

煤礦開采的環(huán)境相對惡劣，容易發(fā)生各種安全事故。而采煤機械設(shè)備多為液壓支架和大功率采煤機等重型機械設(shè)備，對煤礦提出了較高的地質(zhì)條件要求。就目前來看，機械化采煤將主要受到斷層、褶皺和頂?shù)装迦矫娴刭|(zhì)構(gòu)造的影響。加強對這些地質(zhì)構(gòu)造的特征分析，能夠更好地進行采煤地質(zhì)構(gòu)造的探測，從而采取有效措施預(yù)防安全事故的發(fā)生。

1.1 斷層的影響

在煤礦開采過程中，很容易遭遇小斷層。比如在開采過程中出現(xiàn)煤層厚度遞減或頂板移位等情況，都預(yù)示著小斷層的出現(xiàn)。在煤礦斷層落差不同的情況下，地質(zhì)勘查開采難度不同，機械開采設(shè)備受到的影響也并不相同。就目前來看，不同采煤機可以適應(yīng)不同復(fù)雜工作面底板標(biāo)高落差。在煤厚1.25～3.5cm范圍內(nèi)，可以較好地滿足機械化采煤要求，采煤機械機身長度和參數(shù)調(diào)整范圍所受的過機空間限制較小。但是如果煤層過薄，采煤機械和人員則將受到諸多限制，使機械采煤難以實現(xiàn)。所以在煤礦開采之前，需加強斷層探測，做好生產(chǎn)準(zhǔn)備。具體來講，需要對采煤機工作機構(gòu)結(jié)構(gòu)、調(diào)高范圍、機身高度和過機空間等參數(shù)進行分析，明確支架最小高度和伸縮量，以便為機械設(shè)備的選擇提供數(shù)據(jù)依據(jù)。另外，還要對采煤機的作業(yè)方式進行分析，以確認采煤機是否會受到地質(zhì)構(gòu)造影響。比如采用綜合機械化采煤工藝，通過延長綜采工作面提升采煤機的割煤量，減小采煤機在端頭作業(yè)和工作面斜切進刀過程中受到的影響。而幾乎所有綜采工作面都會遭遇小斷層，一旦發(fā)現(xiàn)小斷層密集，可能直接導(dǎo)致工作面被迫停產(chǎn)搬家。即便小斷層并不密集，在發(fā)現(xiàn)時也要加強頂板控制，所以工作面單產(chǎn)和生產(chǎn)進度都會受到影響[1]。此外，遭遇斷層會導(dǎo)致頂板活動加劇，必要時需利用采煤機進行頂?shù)装鍘r石切割，因此會給工作面生產(chǎn)帶來安全、效率等多方面影響。

1.2 褶皺的影響

在機械化采煤過程中，也時常遭遇褶皺現(xiàn)象。在擁有向斜和背斜結(jié)構(gòu)的煤礦地質(zhì)構(gòu)造中，煤層頂板通常存在撓曲構(gòu)造形式。而該種構(gòu)造不規(guī)則性較強，并且有較大規(guī)模，將給煤礦支護帶來較大的難度。在褶皺構(gòu)造作用下，煤層也可能發(fā)生傾角變化，導(dǎo)致液壓支架的適應(yīng)范圍被超出，進而給機械化開采帶來阻礙。此外，褶皺的產(chǎn)生，主要是受到煤層構(gòu)造應(yīng)力的作用。而煤層與頂?shù)装鍘r石存在一定的力學(xué)差異，由于煤層塑性較強，容易在褶皺形成的過程中出現(xiàn)煤層厚度變薄的情況。如果小褶皺在煤礦開采過程中頻繁出現(xiàn)，煤層將會出現(xiàn)急劇產(chǎn)狀變化，突破綜采機架型的承載范圍，繼而給煤礦運輸帶來困難。此外，次級褶皺的出現(xiàn)，將導(dǎo)致煤層呈波浪形，致使煤礦開采人員難以把握煤層分層厚度，造成部分段頂煤厚薄不均，最終引發(fā)頂?shù)装迤屏训那闆r。面對這種情況，可以考慮采用短壁綜合機械化采煤方式，在使用雙滾筒采煤機的工作面利用中部斜進刀或單向割煤方式進行作業(yè)。

1.3 頂?shù)装宓挠绊?/h3>

在煤礦開采過程中，煤層頂?shù)装寰哂蟹€(wěn)定性和冒落性。在煤層頂?shù)装鍨閳杂采皫r或礫巖的情況下，煤層具有較高的抗壓強度，約在80～120 MPa范圍內(nèi)，可以使煤礦整體穩(wěn)定性得到提高。實現(xiàn)機械化采煤，可以采用打孔注水和放炮等措施進行強制性放頂處理，以減小采煤機械受到的壓力和硬度影響。如在暴露寬度達到0.6 m的穩(wěn)定頂板煤礦中，可以采用刨煤機。但是如果煤層頂板不穩(wěn)，還應(yīng)采用機身較窄的刨煤機。該類刨煤機的機身梯度較小，適合在無立柱采煤空間中采用，可以實現(xiàn)分段刨煤或縮小位移。在實際進行綜合機械化采煤階段，還要進行分段挖掘，以減小頂?shù)装鍘r石給綜采機械帶來的影響。如果頂?shù)装宕嬖谒睗?，也會給采煤機械設(shè)備帶來影響，因此，還要利用具有較大發(fā)掘力度的采煤機械，以實現(xiàn)順利運輸。想要具體確定工作面煤層底頂板的穩(wěn)定性，還要加強對頂?shù)装鍘r石厚度、成本和結(jié)構(gòu)等因素的分析，以確定采用哪種機械化采煤技術(shù)。如果頂?shù)装鍘r石為巖質(zhì)泥巖，利用綜采機械可以直接過斷層[2]。

2 影響采煤機械設(shè)備地質(zhì)構(gòu)造的探測方法

2.1 開展震波探測

在選擇采煤機械設(shè)備前，考慮到一些煤礦的煤層較厚且復(fù)雜地段較多，需完成長距離探測，還需利用便攜式礦井地質(zhì)探測設(shè)備進行煤礦地質(zhì)構(gòu)造探測。采用震波探測法，可利用彈性波勘探原理，將地震及聲波當(dāng)成彈性波波源，加強被探測介質(zhì)厚度和距離的探測[3]。利用折射解析法、自激自收解析法等多種方法對探測結(jié)果進行解析，則能實現(xiàn)復(fù)雜地段煤層厚度等數(shù)據(jù)的有效探測。就目前來看，采用該種探測手段，使復(fù)雜地段的煤層厚度變化得到準(zhǔn)確反映，并且能夠使煤層底板起伏情況得到連續(xù)反映，因此，為研究煤層地質(zhì)構(gòu)造提供技術(shù)支撐。結(jié)合探測得到的煤礦基本構(gòu)造形態(tài)數(shù)據(jù)，可以進行煤礦工作面的科學(xué)布置。比如在一水平礦井位于背斜區(qū)和向斜西翼的范圍內(nèi)，探測得到的煤層厚度在18～40 m范圍內(nèi)，煤層傾角則5～16°之間時，可以選用綜采機械設(shè)備，利用傾斜分層綜采放頂煤開采法進行煤礦開采，將水平礦井劃分為兩個采區(qū)，分別按照走向進行工作面布置，使工作面穿過背斜軸，并由南部沿傾向布置。

2.2 強化現(xiàn)場觀察

在采煤機械設(shè)備作業(yè)過程中，還應(yīng)加強現(xiàn)場觀察，以確認地質(zhì)構(gòu)造給采煤機械設(shè)備帶來的影響。為此，在工作面掘進和煤礦回采作業(yè)過程中，還應(yīng)加強對工作面煤壁、巷道兩幫等位置的觀測，并加強對井內(nèi)斷層、頂?shù)装宓葮?gòu)造的觀察。比如在觀測揭露夾矸時，還應(yīng)加強對薄細泥巖線的觀測，對其傾角進行測量和編錄。結(jié)合夾矸走向和傾角變化，通過分析得到煤礦次級褶皺發(fā)育規(guī)律，并對前方褶皺發(fā)育趨勢進行判斷和預(yù)測。結(jié)合預(yù)測結(jié)果，進一步加強煤礦地質(zhì)構(gòu)造的探測，并對巷道的方位和坡度進行合理調(diào)整。例如在某煤礦沿煤層走向存在次級褶皺和底板隆起等情況時，通過加強現(xiàn)場觀測可以發(fā)現(xiàn)煤層底板等高線為“S”形。面對這種情況，還要在底板側(cè)沿著走向進行工作面分段布置，并在頂板側(cè)將回風(fēng)巷布置在同一高程。采取該種措施，能夠避免按照等高線變化進行回風(fēng)巷布置，以免煤礦工作面分段過多，造成過多采煤機械設(shè)備被占用，進而導(dǎo)致采煤機械設(shè)備作業(yè)需求無法得到滿足。此外，考慮到采煤機械設(shè)備作業(yè)速度較快，同時也容易受錨網(wǎng)支護等問題的干擾，造成煤礦地質(zhì)現(xiàn)象被毀壞，因此在現(xiàn)場觀測的過程中，還要加強地質(zhì)編錄，實現(xiàn)地質(zhì)現(xiàn)象的準(zhǔn)確記錄，并結(jié)合原始地質(zhì)資料進行科學(xué)分析，加強煤礦地質(zhì)情況的準(zhǔn)確判斷。

2.3 實現(xiàn)鉆孔探測

在采煤機械設(shè)備作業(yè)中，還要加強鉆孔探測，以確認煤礦的各種地質(zhì)構(gòu)造。具體來講，就是利用轉(zhuǎn)矩較大的架柱支撐啟動手持式鉆機進行煤礦鉆探。采取該種探測方法，可以利用5～10 min達到20～30 m的鉆探深度。通過每隔50 m對各工作面靠煤層底板側(cè)進行垂直向下鉆探，并且每隔100 m完成一次頂板向上鉆探，可以完成工作面切面圖繪制。結(jié)合切面圖，可以進一步了解煤層走向變化，從而為煤礦下一工作面的設(shè)計提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)[4]。結(jié)合鉆探得到的數(shù)據(jù)，也可以加強對隱蔽式小地質(zhì)構(gòu)造的預(yù)防。比如在打頂板錨桿和錨索的過程中，結(jié)合數(shù)據(jù)可以制定合理的錨桿鉆進速度。如果鉆到某位置發(fā)現(xiàn)鉆進速度更快，還應(yīng)進一步加強對該位置的探測，以便明確該位置的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過加強探測數(shù)據(jù)記載和分析，并結(jié)合探測結(jié)果制定各種應(yīng)急機制，有效預(yù)防各種安全事故的發(fā)生。

3 結(jié)語

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在機械化采煤過程中，斷層、褶皺和頂?shù)装宓雀鞣N地質(zhì)構(gòu)造都將給采煤機械設(shè)備作業(yè)帶來一定影響，嚴(yán)重時不僅會造成機械設(shè)備損壞，還可能引發(fā)嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，從而給煤礦開采企業(yè)帶來較大損失。因此，應(yīng)加強對地質(zhì)構(gòu)造給采煤機械設(shè)備帶來的影響分析，并通過加強震波探測、現(xiàn)場觀測和鉆孔探測實現(xiàn)有效預(yù)防，為煤礦生產(chǎn)提供更多安全保障。

[1] 王強.地質(zhì)構(gòu)造對綜合機械化采煤的影響[J].企業(yè)導(dǎo)報，2013（15）：197.

[2] 李志海.18305工作面過地質(zhì)構(gòu)造的方法及支護研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（31）：93.

[3] 趙晉強，喬穎.影響綜合機械化采煤的煤層因素分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012（10）：157-158.

[4] 王卿.綜合機械化采煤的影響因素與經(jīng)驗分析[J].機械管理開發(fā)，2016，31（12）：142-143.