大傾角綜放工作面過構(gòu)造帶技術(shù)措施研究

靳彥偉

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

1 工程概況

山西長治經(jīng)坊煤業(yè)煤礦3-807工作面外段順槽設(shè)計可采長度318m，切眼200m，工作面煤層傾角達(dá)16°，采用綜采放頂煤開采?；夭芍?7.7m時，82架至90架煤壁上部出現(xiàn)矸石，厚度70cm，揭露S2向斜構(gòu)造；回采至31.7m時，工作面機(jī)尾揭露F8-29正斷層，落差3m；回采至69.8m時，機(jī)尾揭露F8-28正斷層，落差1m?；夭芍猎摌?gòu)造段時，工作面巖層逐漸增厚，甚至出現(xiàn)全斷面矸石，隨著工作面推進(jìn)，構(gòu)造不斷向機(jī)頭方向延伸。

2 數(shù)值模擬分析

為了保證工作面順利通過復(fù)合地質(zhì)構(gòu)造，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對大傾角工作面過復(fù)合地質(zhì)構(gòu)造的巖層力學(xué)性質(zhì)、工作面支撐壓力分部范圍以及頂板的破壞特性等進(jìn)行研究。

2.1 模型建立

模型建立根據(jù)工作面的煤巖層力學(xué)特性，如表1。設(shè)置模型的長度為318m，寬度200m，高度80m，模型劃分299200個單元，累計412620節(jié)點，由下至上依次為底板、煤層、直接頂、上覆巖層。

表1 煤巖層力學(xué)特性表

2.2 模擬過程及結(jié)果

工作面自切眼處正常推進(jìn)時，隨著開采距離的增加，可發(fā)現(xiàn)工作面垂直應(yīng)力隨著發(fā)生改變。如圖1所示為垂直應(yīng)力變化圖。

圖1 垂直應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化曲線

由圖1可看出，隨著工作面的推進(jìn)垂直應(yīng)力的峰值變大，且應(yīng)力集中的區(qū)域逐漸靠近煤壁，煤壁支護(hù)的難度將隨之增大。

工作面繼續(xù)推進(jìn)過程揭露正斷層和向斜構(gòu)造時，工作面由俯斜開采轉(zhuǎn)為仰斜開采，由于構(gòu)造的影響，工作面應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，垂直應(yīng)力增大，造成頂板破碎程度增加，且影響范圍增大，如圖2所示。

圖2 工作面過復(fù)合構(gòu)造垂直應(yīng)力變化圖

工作面推進(jìn)過程，由于垂直應(yīng)力的增加，應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，頂板的塑性破壞也加劇，塑性破壞的范圍變大，如圖3所示。由圖3可看出，頂板周期來壓步距為10m，隨著采煤工作面的推進(jìn)，煤壁由于應(yīng)力集中發(fā)生塑性破壞程度加強(qiáng)，直接頂發(fā)生冒落的情況會更加嚴(yán)重。

3 過構(gòu)造帶的技術(shù)措施

3.1 工作面調(diào)斜開采

由于工作面過向斜構(gòu)造時煤層及頂板下切角度較大，工作面刮板輸送機(jī)容易呈“鍋底狀”，造成原煤運(yùn)輸困難增大；同時，由于運(yùn)輸順槽煤層先上升后下降，回風(fēng)順槽煤層先下降后上升趨勢，因此，采用調(diào)斜回采方式。工作面機(jī)頭至40架進(jìn)行俯采、中部進(jìn)行平角度回采、機(jī)尾段（110～136架）進(jìn)行仰采，盡量墊平前刮板輸送機(jī)，向斜軸部最低處適當(dāng)挑頂提車，盡可能減小工作面與構(gòu)造帶夾角，緩解工作面下切角度，降低刮板輸送機(jī)運(yùn)輸困難，減小工作面回采難度。

圖3 工作面過復(fù)合地質(zhì)構(gòu)造塑性變形分布變化情況

3.2 合理調(diào)整采煤機(jī)割煤和移架循環(huán)作業(yè)

過向斜及斷層構(gòu)造帶期間，構(gòu)造區(qū)內(nèi)工作面將會出現(xiàn)堅硬的矸石，有些矸石尺寸比較大，甚至是全斷面矸石，此時應(yīng)及時調(diào)整采煤機(jī)采高和推進(jìn)速度，改變移架方式。一是采煤機(jī)放慢截割速度，與移加速度相匹配，頂板破碎段，采取跟機(jī)移架，正常段，移架滯后機(jī)組滾筒不得小于15m；二是在矸石硬度較軟的情況下，采用留頂割底，構(gòu)造段巖石堅硬時，采用爆破松動后截割，盡量減少打眼、爆破工作量，構(gòu)造區(qū)域內(nèi)合理控制好采高，保證構(gòu)造區(qū)平穩(wěn)過渡；三是嚴(yán)格執(zhí)行“少降快移”移架原則，堅持帶壓擦頂移架，升柱時調(diào)整前后立柱，使頂梁與頂板嚴(yán)密接觸，確保支架初撐力達(dá)標(biāo)；移架時，嚴(yán)格按照從兩側(cè)向中間移架的順序進(jìn)行，邊移架邊向機(jī)頭機(jī)尾調(diào)架。

3.3 強(qiáng)化刮板輸送機(jī)管理

過向斜及斷層構(gòu)造期間，根據(jù)工作面變長情況，及時掐接刮板輸送機(jī)中部槽，并調(diào)整好兩端頭推進(jìn)度，控制輸送機(jī)位置，保證輸送機(jī)長度滿足采煤機(jī)割煤及運(yùn)輸機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接需求，確保采煤機(jī)能順利割透兩端頭。同時，加強(qiáng)后刮板輸送機(jī)的管理和清理工作，每班安排專人認(rèn)真清理驗收，現(xiàn)場交接。推拉輸送機(jī)時，嚴(yán)格按照順序進(jìn)行，防止后部輸送機(jī)溜槽出現(xiàn)錯茬以及工作面向斜軸部滯后，造成支架擠架、咬架。

3.4 頂板及煤壁管理

過復(fù)合構(gòu)造期間，由于頂板周期來壓步距只有10m，且頂板及工作面圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯、塑性破壞嚴(yán)重，在工作面推進(jìn)時，應(yīng)及時進(jìn)行錨桿支護(hù)。圍巖破壞嚴(yán)重的地方，必要時采取注漿措施，增加破碎圍巖的整體性，再采取其他支護(hù)方式。

4 應(yīng)用效果

3-807工作面過向斜及斷層構(gòu)造帶期間，根據(jù)對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，采取相應(yīng)安全技術(shù)措施，有效保證了工作面的順利推進(jìn)和安全生產(chǎn)。過地質(zhì)構(gòu)造期間單月累計推進(jìn)約130m，生產(chǎn)原煤26萬t，為復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下工作面開采積累了寶貴經(jīng)驗。