大采高綜采工作面過斷層方法及工程實踐

高志龍

(西山煤電集團(tuán)公司 馬蘭礦，山西 古交 030200)

煤炭資源在我國不僅儲量豐富、分布廣泛，而且煤層賦存條件復(fù)雜，受構(gòu)造運動影響較為嚴(yán)重。其中，由于地殼劇烈運動而形成的斷層構(gòu)造作為一種典型的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，在我國的沉積巖煤層中廣泛存在[1]. 斷層是巖層受強(qiáng)烈擠壓作用發(fā)生斷裂而形成的，并且斷裂面兩側(cè)的巖層發(fā)生了明顯的位移。無論正斷層還是逆斷層，其斷層區(qū)域附近巖體破碎，且斷層面之間夾雜各種碎屑物，破壞了煤層及頂?shù)装鍘r層的完整性和連續(xù)性，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)。

煤礦開采過程中，根據(jù)斷層周圍的水文、瓦斯等地質(zhì)條件及煤層沖擊傾向性等對工作面推進(jìn)的影響，可采用設(shè)置斷層保護(hù)煤柱和工作面直接推過斷層兩種方式。但是，近幾年來隨著煤炭資源開采力度的加大，對煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求越來越高，減少和消除斷層保護(hù)煤柱能有效提高資源的回采率且減少井下工作面搬運造成的工作面停產(chǎn)等的影響。因此，研究工作面過斷層，尤其在大采高綜采工作面過斷層期間，通過合適的開采方法避免斷層突水、煤與瓦斯突出、沖擊地壓及斷層附近頂板穩(wěn)定性等事故的發(fā)生，對煤礦安全生產(chǎn)和煤炭資源的高效回采利用具有重要的意義。

1 斷層對工作面的影響

從斷層構(gòu)造的形成機(jī)理可以看出，斷層對采煤工作面影響主要表現(xiàn)在兩個方面[2-3]：1) 斷層破壞了頂?shù)装鍘r層和煤層的整體性，導(dǎo)致斷層附近的采煤工作面受采動影響更加嚴(yán)重，工作面支護(hù)困難且易產(chǎn)生工作面冒頂和煤壁片幫事故。2) 斷層可作為瓦斯等有毒有害氣體和水流的通道，易引發(fā)煤與瓦斯突出、沖擊地壓和礦井突水等事故，嚴(yán)重影響煤炭資源的安全開采。

大采高綜采工作面不僅機(jī)械化程度高，而且對頂?shù)装鍘r層的穩(wěn)定性要求較高，因此大采高綜采工作面過斷層時，受斷層構(gòu)造的影響更加顯著。尤其當(dāng)斷層附近的工作面頂板為堅硬巖層時，較大的懸頂距和斷層難以維持平衡，極易引發(fā)大面積頂板來壓，造成工作面沖擊地壓等危險事故，并且隨著采高的加大危險性增大。

2 工作面過斷層的方法

我國的煤炭資源地質(zhì)賦存條件復(fù)雜，斷層構(gòu)造廣泛分布，為保證礦井安全高效的正常生產(chǎn)，當(dāng)工作面回采過程中遇到斷層時，可采用直接過斷層的連續(xù)開采方法，以減少工作面搬家次數(shù)，保證礦井煤炭產(chǎn)量的穩(wěn)定。

回采工作面過斷層的難易程度不僅與斷層位置、落差、傾角、傾向等斷層條件有關(guān)，而且還與煤層的厚度、傾角、頂?shù)装鍡l件及回采方法、工作面推進(jìn)速度等因素有關(guān)。為了適應(yīng)不同的斷層、煤層及頂?shù)装鍡l件，目前調(diào)整采高法、平推硬過法、挑頂臥底法、跳采法、放震動炮法、調(diào)斜工作面法等較廣泛的應(yīng)用于綜采工作面過斷層的技術(shù)方案中[4-5].

1) 調(diào)整采高法。

調(diào)整采高法的優(yōu)點主要表現(xiàn)在工序比較簡單，采高在調(diào)整過程中不會對工作面機(jī)械設(shè)備造成損壞，有利于設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，并且不會增加過多的機(jī)械設(shè)備負(fù)擔(dān)；其缺點在于調(diào)整采高后，工作面過斷層時會造成底部煤層的部分損失，在一定程度上降低了回采工作面的回采率。

這種方法的適用范圍比較小，在使用該方法前要對斷層的各項指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行調(diào)查和了解，主要運用于斷層落差較小，并且斷層上下盤的煤層厚度高于液壓支架的最小高度的綜采工作面。

2) 平推硬過法。

當(dāng)斷層附近的頂?shù)装鍘r層主要表現(xiàn)出彈脆性破壞，并且斷層落差較小不利于調(diào)整液壓支架采高時，可采用平推硬過法。這種方法的優(yōu)點在于操作簡單，可保證工作面正常作業(yè)，對回采的接續(xù)性影響較?。黄淙秉c在于對采煤機(jī)等機(jī)械設(shè)備的要求較高，容易造成磨損，并且在推進(jìn)過程中要加強(qiáng)對工作面頂板的管理工作。在選擇采煤機(jī)推進(jìn)速度和機(jī)械強(qiáng)度時，要在距離斷層合理范圍內(nèi)，依據(jù)斷層數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的選擇。

3) 臥底挑頂法。

臥底挑頂法不使用采煤機(jī)進(jìn)行過斷層推進(jìn)，而是主要借助爆破等方式進(jìn)行回采工作面的過斷層作業(yè)，實際上可以理解為平推硬過法的延伸形式。綜采工作面使用臥底挑頂法過斷層時的示意圖見圖1.

圖1 綜采工作面挑頂臥底過斷層示意圖

在進(jìn)行爆破施工前，要對斷層的落差、傾角等進(jìn)行探測，然后根據(jù)斷層條件對爆破鉆孔分布、鉆孔參數(shù)和放藥量等進(jìn)行選擇和確定。這種方法的優(yōu)點在于可以避免回采設(shè)備過斷層時的磨損，有利于設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，節(jié)約成本，適用于斷層對回采工作面影響范圍較小的斷層；其缺點在于爆破施工的過程繁瑣，還需要計算鉆孔的布置參數(shù)等，在一定程度上增加了施工難度，影響回采工作面的推進(jìn)速度。

4) 跳采法。

跳采法不同于平推硬過法，其主要思路是工作面遇到斷層時采用繞過去的方式進(jìn)行過斷層，這種方法主要適用于斷層落差較大，并且對回采工作影響較大的斷層，針對不同的斷層情況可以分為全部跳采和局部跳采兩種方式。局部跳采法由于工程量大，加重回采作業(yè)的負(fù)擔(dān)，因此在通常情況下應(yīng)用較少；全部跳采法主要是通過改變工作面的尺寸實現(xiàn)過斷層，保證工作面的正常接續(xù)，對回采工作面的回采率影響較小，工作面和巷道布置示意圖見圖2. 但是，在工作面施工時，通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的接續(xù)也需要重新布置，增加了巷道掘進(jìn)工作量和開采成本。

圖2 全部跳采法過斷層示意圖

5) 綜合過斷層方法。

煤礦回采工作面推進(jìn)過程中，由于煤層賦存的復(fù)雜性及斷層條件的差異性，往往需要綜合考慮各種因素的影響，綜合應(yīng)用多種過斷層的方法，避免單一過斷層方法帶來的弊端。因此，在應(yīng)對極其復(fù)雜的斷層條件時，可以選擇多種過斷層技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用的綜合方法。

3 工程實踐

3.1 工程概況

以西山煤電馬蘭礦18504大采高工作面為工程背景，該工作面所處的煤層埋深在435～475 m，煤層厚度范圍為4～5 m，煤層傾角為近水平煤層，直接頂為平均厚度2.15 m灰泥巖，基本頂為平均厚度2.01 m的粉砂巖。該工作面的設(shè)計寬度在251 m左右，采用一次采全高的大采高綜采作業(yè)方式，18504工作面從開切眼開始推進(jìn)至1 000 m左右時，即將揭露斜穿工作面的F18504-9斷層，該斷層為正斷層，落差為1.1～3.8 m，斷層影響區(qū)域內(nèi)煤巖破碎，嚴(yán)重影響了煤層及頂?shù)装鍘r層的穩(wěn)定性。

3.2 過斷層方法選擇

考慮到該煤層的頂板為強(qiáng)度較高的粉砂巖，不適宜采用切頂板的平推硬過法，并且斷層F18504-9的落差為1.1～3.8 m，落差較大，調(diào)整采高的過斷層方法也比較困難，因此，可以選用爆破法和跳采法兩種方案[6]. 在綜合考慮和比較各種方法的基礎(chǔ)上，鑒于跳采法可有效防止頂板冒落及綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，最終采用跳采法過F18504-9斷層。

3.3 工作面的礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測

為分析斷層對大采高綜采工作面的影響并驗證在此處應(yīng)用跳采法的合理性，對斷層影響區(qū)域范圍內(nèi)工作面液壓支架的阻力進(jìn)行了監(jiān)測，分析工作面過斷層期間的礦壓顯現(xiàn)特征。通過對現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，工作面過斷層時非周期來壓和周期來壓期間支架工作阻力變化規(guī)律見圖3，圖4.

圖3 非周期來壓期間液壓支架工作阻力變化曲線圖

如圖3所示，工作面過斷層時非周期來壓期間支架工作阻力呈現(xiàn)單駝峰形，即當(dāng)斷層區(qū)域處于非周期來壓狀態(tài)時，斷層位置在 32 號支架處，并且28～30號液壓支架的工作阻力大于兩側(cè)支架，以斷層區(qū)域范圍內(nèi)的支架位置為中心，向斷層前方和后方呈現(xiàn)降低趨勢，最大降低幅度在20%左右。

圖4 周期來壓期間液壓支架工作阻力變化曲線圖

如圖4所示，頂板初次來壓后，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板周期來壓開始影響斷層區(qū)域，支架平均阻力較非周期來壓的阻力明顯增加，最大阻力值的增加幅度在40%左右。從支架阻力的變化規(guī)律可知，曲線呈現(xiàn)明顯的雙駝峰形，其中41～43號支架阻力值為第一個駝峰，51～52 號支架阻力值為第二個駝峰，明顯大于斷層面附近46～49號支架的阻力值。分析以斷層面附近的支架為中心的兩側(cè)支架阻力明顯增大的原因，當(dāng)斷層位置所處的破斷的關(guān)鍵塊體較短，其回轉(zhuǎn)下沉量較大，導(dǎo)致斷層兩側(cè)的支架承受更多的上覆巖層重量，工作阻力明顯升高，形成圖4所示的雙駝峰形曲線。

綜上分析，斷層區(qū)域處于非周期來壓影響時，斷層附近支架的工作阻力最大，呈現(xiàn)單駝峰狀態(tài)；而當(dāng)斷層區(qū)域處于周期來壓影響時，不僅支架整體的工作阻力提高，而且斷層面兩側(cè)的支架工作阻力明顯高于斷層影響區(qū)域內(nèi)的支架阻力，呈現(xiàn)雙駝峰狀態(tài)。因此，在工作面過斷層期間要根據(jù)頂板運動規(guī)律加強(qiáng)對不同位置支架的管理，使支架發(fā)揮最大的功效，有效支護(hù)頂板，確保工作面回采安全。

4 結(jié)束語

斷層構(gòu)造作為一種典型的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，嚴(yán)重威脅著我國煤礦的安全生產(chǎn)。在工作面過斷層期間要根據(jù)頂板運動規(guī)律加強(qiáng)對不同位置支架的管理，使支架發(fā)揮最大的功效，有效支護(hù)頂板，確保工作面回采安全。

1) 斷層區(qū)域處于非周期來壓影響時，斷層附近支架的工作阻力最大，呈現(xiàn)單駝峰狀態(tài)，向斷層前方和后方呈現(xiàn)降低趨勢，最大降低幅度在20%左右。

2) 斷層區(qū)域處于周期來壓影響時，不僅支架整體的工作阻力提高，最大阻力值的增加幅度在40%左右，而且斷層面兩側(cè)的支架工作阻力明顯高于斷層影響區(qū)域內(nèi)的支架阻力，呈現(xiàn)雙駝峰狀態(tài)。