采掘聯(lián)動(dòng)過斷層組安全高效開采關(guān)鍵技術(shù)研究

吳浩仁，孫興平，陳建本

(淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋煤礦，安徽 淮南 232001)

在煤層開采中，采掘工作面不可避免地要穿越斷層破碎帶[1-3]，斷層帶內(nèi)巖石具有強(qiáng)度低、大變形、遇水泥化和圍巖破碎、難支護(hù)等顯著特征，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)極大困難，為解決此類問題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者做了大量研究工作并取得了豐碩成果。文獻(xiàn)[4]研究了巷道通過極復(fù)雜斷層帶面臨的破碎圍巖變形控制問題。文獻(xiàn)[5]研究了工作面回采中的礦山壓力與正斷層上盤正應(yīng)力之間的關(guān)系，并運(yùn)用巖體超低摩擦效應(yīng)理論和動(dòng)載應(yīng)力波理論研究了動(dòng)載荷對(duì)斷層破碎帶的影響，并提出了巷道過斷層的相應(yīng)安全措施。文獻(xiàn)[6]分析了過斷層破碎帶時(shí)巷道圍巖大變形的機(jī)理，得到了圍巖變形受構(gòu)造應(yīng)力機(jī)制、重力機(jī)制和隨機(jī)節(jié)理型機(jī)制的復(fù)合變形力學(xué)機(jī)制作用。文獻(xiàn)[7]研究量開采擾動(dòng)條件下斷層動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特征，并分析采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)與斷層損傷滑移互饋機(jī)制。文獻(xiàn)[8] 分析了斷層構(gòu)造帶大采高工作面煤壁破壞機(jī)理、穩(wěn)定性影響因素及控制措施。文獻(xiàn)[9]研究了大傾角綜放面預(yù)掘巷道群快速過斷層技術(shù)，即預(yù)掘巷道群圍巖控制技術(shù)和大傾角綜放面過斷層期間支架穩(wěn)定性控制技術(shù)。然而對(duì)采掘協(xié)同穿越斷層組安全高效開采關(guān)鍵技術(shù)研究方面相對(duì)較少，本文以顧橋礦1212(3)工作面為工程背景進(jìn)行了探索性研究，解決了長(zhǎng)期困擾現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的技術(shù)難題。

1 工程概況

顧橋礦1212(3)工作面軌順長(zhǎng)2 270m，運(yùn)順長(zhǎng)2 540m，切眼長(zhǎng)260m，標(biāo)高-559.8～-503.6m。13-1煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度4.42m，傾角1°～12°，非突出危險(xiǎn)性區(qū)域?；卷敒榧?xì)砂巖，厚14.14m；直接頂為泥巖、13-2煤層、煤線、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，厚8.5m；偽頂缺失。直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖煤線，厚6.81m；基本底為細(xì)砂巖，厚13.52m，綜合柱狀如圖1所示。

圖1 13-1煤頂?shù)装寰C合柱狀圖

1212(3)軌順揭露FS99斷層(H=9m，∠50°)和FS99-1(∠45°H=4.8m)斷層，運(yùn)順揭露FS99斷層(H=2m，∠45°)，落差小，工作面揭露FS99(∠44°～64°H=2.3～9.0m)和FS99-1(∠45°～53°H=4.8m)正斷層，影響走向160m，傾向260m，其中軌順揭露斷層組上盤煤層底板與下盤煤層頂板均含厚砂巖，厚分別為10m和12.3m，斷層帶內(nèi)主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，厚16.3m，如圖2所示。

(1)剖面圖

(2)平面圖圖2 1212(3)斷層分布及位置圖

受1211(3)老空水威脅，隨時(shí)有透水風(fēng)險(xiǎn)，斷層區(qū)域位于1211(3)-2#積水區(qū)積影響范圍內(nèi)，積水區(qū)面積29 175m2，積水量18 915m3，積水深度10.2m，積水長(zhǎng)度585.0m。單孔涌水量預(yù)計(jì)

式中：Q為單孔出水量(m3/h)；C為流量系數(shù)，C=0.60；W為鉆孔的斷面積(m2)；W=0.004 417m2；g為重力加速度(m2/s)；g=9.81m2/s；h為鉆孔出口處的水頭高度(m)；h=0.8～1m；計(jì)算得出單孔最大涌水量Q=37.4～42.3m3/h。隨著時(shí)間的推移，積水區(qū)面積、積水量和積水深度會(huì)進(jìn)一步增大，如圖3所示。

圖3 積水區(qū)分布圖

2 掘進(jìn)過斷層

2.1 地質(zhì)保障

掘進(jìn)受斷層和老空水的雙重影響，為消除過斷層期間老空水的威脅[10-17]，采取了鉆孔法疏放老空水，確保水頭標(biāo)高降至1212(3)軌順巷道底板一下。放水孔布置在1212(3)軌順，共5組，每組2個(gè)探放水孔和1個(gè)驗(yàn)證孔，每組鉆孔附近施工一個(gè)2m3水漾子，放水鉆孔要求下套管并進(jìn)行水泥砂漿固管，最后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，確保鉆孔合格，鉆孔參數(shù)見表1所示。

表1 鉆孔參數(shù)表

通過三維地震、1211(3)運(yùn)順實(shí)測(cè)和地質(zhì)鉆孔綜合分析，精確定位1212(3)軌順斷層組對(duì)盤標(biāo)高，準(zhǔn)確掌握量斷層產(chǎn)狀(為FS99，∠50°，H=9m，；FS99-1，∠45°～53°，H=4.8m)，與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，如圖4所示。

圖4 三維地震云圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)確定

為了實(shí)現(xiàn)軌順精準(zhǔn)對(duì)接，跟上斷層組下盤頂板，不留頂煤施工，需要準(zhǔn)確確定過斷層坡度和最短對(duì)接距離，如圖5所示，S為過斷層掘進(jìn)距離，h為斷層落差和經(jīng)驗(yàn)值k之和，k為取1.2～1.5m，α為施工坡度，l為起坡距離，問題轉(zhuǎn)化為求坡度α∈[0°～10°]范圍內(nèi)Smin。通過幾何關(guān)系建立S=h/sin α，通過求導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，S為減函數(shù)，因α∈[0°～10°]，因此當(dāng)α=10°時(shí)Smin。

圖5 幾何關(guān)系圖

已知h=9m，α=10°，k為修正值，取1.2m，帶入公式S=(h+k)/sinα，求出Smin=59m和l=57.8m。最后確定施工角度為10°，最小掘進(jìn)距離為59m，起坡距離為57.8m。

2.3 施工方案的選擇

技術(shù)參數(shù)確定后，在結(jié)合具體地質(zhì)條件制定了施工方案，并優(yōu)化了支護(hù)參數(shù)，具體如下：綜掘，錨梁網(wǎng)支護(hù)，10°上山施工，0.9m/循環(huán)，小煤柱頂板向下1.5m和2.5m分別施工兩排走向錨索，規(guī)格為φ21.8mm×5 200mm，3卷Z2380樹脂錨固劑/根，頂板錨索采用3-3+兩排走向布置，配合2.4mT型鋼帶，規(guī)格為φ21.8mm×8 200mm，間排距1m×0.9m，3卷Z2380樹脂錨固劑/根，幫頂錨桿均采用螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ22mm×2 500mm，間排距0.8m×0.9m，2卷Z2380樹脂錨固劑/每根，頂板錨桿配合4.8m長(zhǎng)W鋼帶，幫部錨桿配合使用3.6m長(zhǎng)A3平鋼帶，如圖6所示。

圖6 支護(hù)斷面圖 (單位：mm)

2.4 效果分析

過斷層組施工巖巷約60m，主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，避免了破厚砂巖施工，既減小了施工難度，又避免了放松動(dòng)炮施工。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，過斷層方案針對(duì)性強(qiáng)，措施得力，層位控制較好，對(duì)接對(duì)盤煤層頂板精確，誤差在10mm以內(nèi)，避免了留頂煤施工帶來(lái)的頂板和瓦斯安全風(fēng)險(xiǎn)。巷道礦壓觀測(cè)表明，巷道變形主要表現(xiàn)為底鼓，幫頂位移較小，巷道底鼓量約260mm，兩幫移近量約140mm，頂板離層值12mm，巷道支護(hù)效果顯著。

3 回采過斷層

以往工作面過較大斷層組時(shí)一般采取預(yù)掘切眼進(jìn)行搬家倒面，需要同時(shí)安裝拆除兩套綜采設(shè)備，停產(chǎn)75d左右，走向丟煤200m，可能帶來(lái)諸如劇烈礦壓顯現(xiàn)、瓦斯異常和煤層自然發(fā)火等災(zāi)害。為了杜絕上述問題發(fā)生，嘗試一種安全高效過斷層組的方法，并取得了成功。

3.1 技術(shù)方案

1)層位控制。工作面過斷層組的原則是避免推進(jìn)速度慢、大面積片幫冒頂、采空區(qū)自然發(fā)火，核心是層位和采高控制，關(guān)鍵是找準(zhǔn)層位、提高推進(jìn)度。為了準(zhǔn)確控制層位，須摸清不同區(qū)段的地質(zhì)剖面信息，沿著走向和傾向每隔20m切一條三維地震時(shí)間剖面，準(zhǔn)確控制FS99斷層組產(chǎn)狀巖性變化情況，為鏈板機(jī)調(diào)向(即偽傾角)和上挑下切提供依據(jù)。同時(shí)，動(dòng)態(tài)掌握工作面地質(zhì)構(gòu)造和巖性變化情況及時(shí)修正施工方案，確保過斷層有針對(duì)性。地質(zhì)剖面圖見7圖所示。根據(jù)上區(qū)段1211(3)運(yùn)順過FS99斷層組揭露情況并結(jié)合1212(3)工作面斷層組產(chǎn)狀研判，決定采取緊跟斷層下盤煤層頂板破上盤煤層頂板回采方案，既能有效避開施工穿厚砂巖的問題，又能避免老空水和托頂煤施工帶來(lái)的安全威脅。

(1)X26+24m位置剖面

(2)X26+40m位置剖面

(3)X26+116m位置剖面圖7 工作面過斷層不同地段地質(zhì)剖面圖

2)推進(jìn)速度的控制。工作面推進(jìn)速度直接影響過斷層的時(shí)間，為了減少斷層影響，需要合理確定其推進(jìn)速度，不僅能把支撐壓力甩到采空區(qū)后面，又能避免不必要的強(qiáng)化支護(hù)。工作面的推進(jìn)速度受巖石強(qiáng)度、硬巖厚度、范圍和超前支撐壓力等因素影響，為了合理確定推進(jìn)速度，需要綜合分析截齒消耗、斷層產(chǎn)狀、壓力顯現(xiàn)規(guī)律綜合研判，確定合理的推進(jìn)速度。根據(jù)頂板下沉量與推進(jìn)度關(guān)系，確定斷層期間推進(jìn)速度在不小于4m/d，如圖8所示。

圖8 頂板下沉量與推進(jìn)速度關(guān)系圖

3)工作面?zhèn)蝺A角選擇。鏈板機(jī)上竄下滑易造成壓架倒架事故的發(fā)生，而過斷層時(shí)鏈板機(jī)控制難度進(jìn)一步增加，這時(shí)需要合理的選擇工作面?zhèn)蝺A角，俗稱“調(diào)向”，利用鏈板機(jī)機(jī)的重力和支架前探推力實(shí)現(xiàn)偽傾角采煤，既能保證鏈板機(jī)不上竄下滑，又避免了一次大面積揭露斷層造成頂板難以維護(hù)的局面，因此，合理的選擇偽傾角決定了過斷層的難易程度。

圖9 工作面幾何關(guān)系圖

已知β為偽傾角，γ為傾角，F(xiàn)為支架前探壓力，φ為工作面與運(yùn)順夾角，S1為工作面垂直順槽時(shí)的長(zhǎng)度，S2為工作面與順槽斜交時(shí)的長(zhǎng)度，h為工作面上端頭至下端頭之間的高差，l為工作面上端頭至下端頭之間的水平距離，根據(jù)幾個(gè)關(guān)系得出

sin(180-φ)=S1/S2

(1)

S1=h/sinγ

(2)

S2=h/sinβ

(3)

對(duì)(1)、(2)和(3)式進(jìn)行推導(dǎo)得到(4)式

(4)

在偽傾角條件下，對(duì)鏈板機(jī)進(jìn)行受力分析，如圖9所示，設(shè)摩擦系數(shù)為μ，由x軸方向上受力平衡得出(5)和(6)式

Fcosφ+f=Gsinβ

(5)

f=μcosβ

(6)

把(4)和(6)式帶入(5)得

(7)

通過式(4)和式(7)并結(jié)合1212(3)具體地質(zhì)條件，算出β約為8.8°。

圖10 鏈板機(jī)受力示意圖

4)頂板支護(hù)及控制。超前控頂是工作面過斷層的關(guān)鍵，針對(duì)FS99斷層影響范圍，采取了控頂措施：① 準(zhǔn)備一定量的備用支護(hù)材料，以防局部漏頂時(shí)使用。② 當(dāng)支架不能滿足控頂要求時(shí)，需要施工挑棚對(duì)頂板進(jìn)行超前加固，分為走向挑棚和斜跨挑棚兩種類型，具體支護(hù)參數(shù)為雙面扒皮料φ0.18(0.15)m×1.6(2.4)m，DZ-28(32、35)單體，I11-4.5m工字鋼，一梁四柱。走向棚棚梁間距為0.85m，與支架前梁搭不少于0.2m，斜跨挑棚架設(shè)在距煤壁端0.4m處，具體如圖11所示。③ 采煤時(shí)及時(shí)拉超前支架控制頂板。

(1)走向挑棚

(2)斜跨挑棚圖11 挑棚布置圖

3.2 設(shè)備保障技術(shù)

1)通過對(duì)過斷層組期間設(shè)備損壞進(jìn)行評(píng)估，提前做好易磨損部件需求計(jì)劃，確?；夭善陂g備品備件充足。

2)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理，減少設(shè)備損壞。加大磨損部件檢查力度，尤其是煤機(jī)滾筒截齒，工作面刮板輸送機(jī)鏈條，煤機(jī)行走部等易磨損部件，高度關(guān)注刮板輸送機(jī)電機(jī)、采煤機(jī)等設(shè)備，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)處理。

3)提高檢修的針對(duì)性。針對(duì)易磨損的部件，如煤機(jī)滾筒、齒軌輪、導(dǎo)向滑靴、破碎機(jī)錘頭、刮板輸送機(jī)鏈條，加強(qiáng)預(yù)防性檢修和更換；針對(duì)煤機(jī)截割硬巖，機(jī)身振動(dòng)導(dǎo)致的液壓、電氣、機(jī)械等各部件的松動(dòng)甚至損壞，每天進(jìn)行檢查和緊固；針對(duì)煤機(jī)截割巖石，巖屑崩濺，通過在大立柱包裹風(fēng)筒布并在其前方設(shè)置擋矸皮對(duì)大立柱進(jìn)行防護(hù)，防止損傷大立柱和飛矸傷人。通過一系列的防范性措施，杜絕了設(shè)備故障。

4 煤矸分流裝置的研制及效益分析

4.1 煤矸分流裝置

過較大斷層組時(shí)不可避免的會(huì)產(chǎn)生矸石，混入煤流系統(tǒng)后會(huì)導(dǎo)致煤炭發(fā)熱量降低，給整個(gè)煤流系統(tǒng)帶來(lái)破壞，因此采取針對(duì)性的措施顯得尤為迫切，通過不斷的探索和試驗(yàn)，成功研制出煤矸分流裝置，該裝置能夠在同一出貨系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)煤炭和矸石分離。在煤倉(cāng)和矸石倉(cāng)之間安裝一條電滾筒，其靠近煤倉(cāng)一端安裝一個(gè)溜槽，通過絞車實(shí)現(xiàn)溜槽的升降，做到煤矸分流，當(dāng)溜槽抬起時(shí)，皮帶機(jī)中的貨會(huì)進(jìn)入煤倉(cāng)，溜槽降到下面時(shí)，皮帶機(jī)中的貨會(huì)通過溜槽自重運(yùn)到電滾筒上，最后進(jìn)入矸石倉(cāng)，見圖12所示。

圖12 煤矸分流示意圖

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

煤矸分流結(jié)果表明，過斷層共耗時(shí)40d，累計(jì)分流矸石16 547.8m3，折合約0.03Mt。過斷層期間全礦原煤產(chǎn)量1.238Mt，灰份44.13%，發(fā)熱量3 952kcal/kg，商品煤發(fā)熱量約4 582kcal/kg，折合銷售收入2.56億元；假設(shè)0.03Mt矸石進(jìn)入煤流系統(tǒng)，排矸率以接近實(shí)際排矸率18.5%，矸石灰份82.77%計(jì)算，則產(chǎn)量1.268Mt，灰份45.04%，3 870kcal/kg，商品煤發(fā)熱量4 485kcal/kg，折合銷售收入2.48億元(主要是因?yàn)樯唐访夯曳值陀? 500kcal，銷售單價(jià)降低)。通過煤矸分流方式應(yīng)用，提高原煤發(fā)熱量約82kcal/kg，折合到全年提高原煤發(fā)熱量約9kcal/kg，提高收入約800萬(wàn)元。

與以往打眼放炮過斷層工藝相比，選擇軟層位過斷層組工作面推進(jìn)速度提高了2m/d，多出煤11.648萬(wàn)噸，增收經(jīng)濟(jì)效益5 824萬(wàn)元。

5 結(jié)論

(1)通過三維地震、地質(zhì)鉆探和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法的綜合應(yīng)用，掌握了斷層產(chǎn)狀、頂?shù)装鍘r性、影響范圍、斷層帶發(fā)育情況和老空水賦存狀況。

(2)針對(duì)掘進(jìn)過斷層組期間受老空水威脅，提出了鉆孔法疏放老空水治理措施，保證施工期間的安全；進(jìn)一步分析得出了過斷層組起坡坡度和最短對(duì)接距離公式，并確定了過斷層關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，同時(shí)提出了施工方案并優(yōu)化了支護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確對(duì)接。

提出了工作面回采時(shí)直接過斷層組、推進(jìn)度控制、偽傾角選擇、頂板支護(hù)方案及參數(shù)和設(shè)備保障技術(shù)，確保了采煤工作面過斷層的安全和高效。

(3)通過對(duì)鏈板機(jī)的有效控制，杜絕了倒架歪架事故的發(fā)生，探索性的提出了偽傾角和支架前探支撐壓力公式，得出了工作面過斷層時(shí)的偽傾角為8.8°，該參數(shù)的確定不僅提供了理論支撐，而且也為過斷層組避開厚砂巖提供了可能性。

(4)通過煤矸分流裝置的研制和新方法的應(yīng)用結(jié)果表明，過斷層期間共分流矸石約0.03Mt，提高全年原煤發(fā)熱量約9kcal/kg，多出煤炭約11.648萬(wàn)噸，增加收入約6 624萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效果顯著。